CN107490627B - 超声聚焦探头参数标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声聚焦探头参数标定方法能获得探头具体参数值，从而有利于实现对探头的标定和数值分析，其中以步进距离d在Z方向向上移动所述聚焦探头，记录各位置的超声反射信号s(z,t)，对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，获得探头的中心频率；对测得的S(z,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择一个频率f下的数据，即得到该频率下该标样的声学特征曲线的实验值VExp(z)；计算获得该标样声学特征曲线的理论计算值VCal(z)，并对标样声学特征曲线实验测量值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，以获得聚焦超声探头的参数以及孔径函数。

Description

超声聚焦探头参数标定方法
技术领域
本发明涉及有关超声聚焦探头的检测方法，尤其涉及超声聚焦探头的参数标定方法。
背景技术
超声显微镜是一种新型的无损检测仪器，它利用高频聚焦超声波对物体进行无损检测，可对物体内部及亚表面结构进行高精度、高灵敏度的检测，可观察从表层到数十毫米深度范围内存在的微米到亚微米尺度结构。超声显微镜检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，目前已广泛应用于电子工业、医学、材料科学等领域。
超声显微镜一般采用水作耦合剂，使用水浸聚焦超声探头进行检测。聚焦超声探头是一种能实现声束聚焦的超声波换能器，根据聚焦方式分为点聚焦和线聚焦超声波换能器。聚焦超声换能器的选取对超声显微镜检测效果有着很重要的影响，它的主要性能指标有直径、弧度角、频率、焦距、焦区声束宽度等。
超声显微镜的工作模式主要有以下三种：1)内部成像，即将声束聚集在样品内部进行扫查成像；2)表面、亚表面成像，即从表面反射波中获取表层和亚表层结构信息；3)z轴扫描工作模式，即沿着样品的z轴扫描，在不同的z值下获得反射信号，得到反射信号和z的关系V(z)，即该样品的声学特征曲线。
在V(z)工作模式下，反射声波信号与聚焦探头参数、声波反射系数及聚焦深度Z存在如下关系：
其中，a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数，P(θ,ka)是一个与探头类型有关的函数，称为孔径函数，点聚焦探头和线聚焦探头有不同的表达式。
可见探头性能参数，如晶片直径、晶片弧度角和孔径函数等的标定是对测量数据进行定量分析和对探头进行数值模拟的基础。然而关于超声显微镜的研究较少，对聚焦探头参数标定方法也缺乏研究。目前对探头参数的标定一般采用测量工具进行直接测量值，然而直接测量由于是手工操作，受人为因素影响较大，测量结果精度不高，难以满足定量分析和数值模拟的要求。中国专利文献CN101539542A提供了一种水浸聚焦探头性能测试装置及其测试方法，可测得超声聚焦探头的焦距、声束宽度、焦点直径、声束偏斜角等参数，但该方法不能获得聚焦探头晶片半径、晶片弧度角等参数，也不能获得探头的孔径函数从而对探头进行数值分析。因此希望通过一种有效的测试方法对聚焦超声探头性能参数进行标定，获得探头具体参数值，从而实现对探头的标定和数值分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声聚焦探头参数标定方法，其能获得探头具体参数值，从而有利于实现对探头的标定和数值分析。
一种超声聚焦探头参数标定方法包括下述步骤：
a、制备超声检测标样，所述标样采用已知声反射系数R(θ)的材料；
b、将所述标样放入超声显微镜设备的工作槽的耦合剂内，使所述超声显微镜设备的聚焦探头的轴向方向与所述标样的反射表面保持垂直；
c.在与所述标样的反射表面垂直的Z轴方向上调整所述聚焦探头的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时所述聚焦探头与所述标样的反射表面的距离即为所述聚焦探头的焦距D，将此时所述聚焦探头的Z轴方向的位置设置为零，且在-Z方向将所述聚焦探头移动一段距离，该距离小于D；
d、以步进距离d在Z方向向上移动所述聚焦探头，每移动一个步进d，稳定所述超声显微镜设备一个时间间隔T，待所述超声显微镜设备测得的信号稳定后记录该位置的超声反射信号s(z,t)，如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(z,t)，其中z为d的整数倍，t为时间变量；
e、对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该探头的中心频率；对测得的S(z,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择一个频率f下的数据，即得到该频率下该标样的声学特征曲线的实验值VExp(z)；
f、通过公式计算获得该标样声学特征曲线的理论计算值VCal(z)，其中，a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数，P(θ,ka)是一个与探头类型有关的孔径函数；
g、通过公式对标样声学特征曲线实验测量值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，以获得聚焦探头晶片半径a、晶片弧度角β，进而得到所述聚焦探头的孔径函数。
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，所述聚焦探头可以是点聚焦探头，其孔径函数为
其中，μ(α)是与聚焦探头弧度角有关的函数。
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，所述聚焦探头可以是线聚焦探头，V(z)计算公式为：
其中kf为所述波数，kx为所述波数在X轴上的分量，X轴垂直于所述Z轴，ρ是与常数C关联的常量，
其孔径函数为：
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，所述标样可以是长方体或圆柱体。
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，所述标样的测试表面粗糙度可以设置成不低于0.8μm。
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，所述耦合剂可以是干净、无气泡的水。
在所述的超声聚焦探头参数标定方法中，在所述步骤d中，z可以位于区间[-Z0,Z0],Z0小于或等于D。
上述技术方案可以看出，由于通过上述步骤对标样声学特征曲线的试验结果与理论分析结果进行对比分析，通过对二者的迭代拟合获得聚焦超声探头准确的参数值，解决现有测量方法进行获得的探头参数不全面，不能获得探头的孔径函数等，难以满足定量分析要求，无法对探头进行数值分析等问题，实现聚焦超声探头的参数标定和数值分析，测量结果精确、可靠。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为超声显微镜的工作原理图。
图2为本发明的实施例1或2中在一聚焦深度的测量信号。
图3为本发明的实施例1的所得的计算曲线和实验值。
图4为本发明的实施例2的所得的计算曲线和实验值。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1示出了超声显微镜的工作原理，超声显微镜的聚焦探头1接收标样4反射的超声波信号，然后将信号发送到脉冲收/发器6，脉冲收/发器6将数据发送到示波器8、数据采集系统7以及计算机9，机械扫描装置5可以根据计算机9的指令移动聚焦探头1。脉冲收/发器6也能根据计算机9的指令向聚焦探头1发送超声波信号，计算机9也可以从数据采集系统7中读取数据。在后述内容中通过两实施例进一步描述根据本发明的超声聚焦探头参数标定方法。
实施例1
(a)制备一个超声检测标样4，该标样材料为铝，其声反射系数R(θ)可通过测量或计算得到。标样4制备成规则的长方体或圆柱体，其测试表面具有足够的反射面积和足够的深度(一般大于50毫米)；标样4的测试表面粗糙度不低于Ra 0.8μm。采用点聚焦探头进行标样声学特征曲线的测量。
(b)将标样4放入图1所示的超声显微镜设备的工作槽2内，工作槽2采用干净、无气泡的水3做耦合剂。调整机械扫描装置5，进而调整点聚焦探头1的方向，使得点聚焦探头1的轴向方向与标样4反射表面保持垂直。
(c)采用机械扫描装置5在Z轴方向上即标样4的反射表面垂直的方向，调整探头1的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时探头与标样4表面的距离即为探头的焦距D。将此时点聚焦探头Z方向的位置设置为零，通过机械扫描装置将探头向-Z方向移动一定距离z，-Z方向是接近标样4的方向，z的大小根据点聚焦探头的焦距而定，z<D。
(d)控制机械扫查装置5以最小步进d，d越小越好，在Z方向向上移动点聚焦探头1，每移动一个步进d，稳定一个时间间隔T，待信号稳定后，通过数据采集系统7自动记录该位置的超声反射信号s(z,t)，或通过示波器8显示该反射信号，图2所示的是z＝2.0mm时的超声反射信号，图2的横轴是时间time，单位为s，纵轴是信号幅度Amplitude。如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(z,t)，其中z可以限制在区间[-Z0,Z0],Z0小于或等于D，Z0可以是聚焦探头1在-Z方向上的移动距离的极限。
(e)对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该探头的中心频率。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f下的数据，即得到该频率下该标样的声学特征曲线的实验值VExp(z)。
(f)通过公式
计算获得该标样声学特征曲线的理论计算值VCal(z)，其中，a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数，i是虚数，P(θ,ka)是一个与点聚焦探头1的孔径函数。
(g)对标样声学特征曲线实验测量值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，获得点聚焦超声探头参数值，拟合公式如下：
图3中横轴为点聚焦探头的在Z轴的位置，纵轴为信号强度，当ER最小时，如图3所示，点聚焦探头1的晶片直径为a＝14.6mm,晶片弧度角β＝28.8°，中心频率fc＝10MHz，而点聚焦探头1的标称尺寸为晶片直径a＝15mm,β＝30°，获得a的测量误差为2.7％，β的测量误差为4％。
(h)将晶片半径a、晶片弧度角β带入点聚焦探头1的孔径函数，获得点聚焦探头1的孔径函数P(θ,ka)，从而实现对该点聚焦探头的标定和数值分析。
实施例2
(a)制备一个超声检测标样，该标样材料为Inconel600，其声反射系数R(θ)可通过测量或计算得到。标样制备成规则的长方体，其测试表面具有足够的反射面积和足够的深度(一般大于50毫米)；标样的测试表面粗糙度不低于Ra 0.4μm；采用线聚焦探头进行标样声学特征曲线的测量。
(b)将标样4放入图1所示的超声显微镜设备的工作槽2内，工作槽2采用干净、无气泡的水3做耦合剂。调整机械扫描装置5使线聚焦探头1的方向，使得线聚焦探头1的轴向方向与标样4反射表面保持垂直。
(c)采用机械扫描装置5在Z轴方向上调整线聚焦探头1的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时线聚焦探头1与标样4表面的距离即为线聚焦探头1的焦距D。将此时在计算机9中将线聚焦探头1的Z方向的位置设置为零，机械扫描装置5将探头向-Z方向移动一定距离z，z的大小根据线聚焦探头的焦距而定z<D。
(d)控制机械扫描装置5以最小步进d，d越小越好，在Z方向向上移动线聚焦探头，每移动一个步进系统稳定一个时间间隔T，待信号稳定后系统自动记录该位置的超声反射信号s(z,t)，如图2所示。如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(z,t)，其中z可以限制在区间[-Z0,Z0],Z0小于或等于D，Z0可以是聚焦探头1在-Z方向上的移动距离的极限。
(e)对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该探头的中心频率。对测得的S(x,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择某个频率f下的数据，即得到该频率下该标样的声学特征曲线的实验值VExp(z)。
(f)通过公式
其中kf为所述波数，kx为所述波数在X轴上的分量，X轴垂直于所述Z轴，ρ是与常数C关联的常量，
其孔径函数为：
计算获得该标样4的声学特征曲线的理论计算值VCal(z)。
(g)对标样4的声学特征曲线实验测量值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，获得线聚焦超声探头1的参数值，拟合公式如下：
如图4所示，在ER最小时，得到线聚焦探头1的晶片直径a＝8.5mm,晶片弧度角β＝36.6°。探头的标称尺寸为a＝8.1mm,β＝36°。获得a的测量误差为4.9％，β的测量误差为1.7％。
(h)将晶片半径a、晶片弧度角β带入其孔径函数，获得探头的孔径函数PL(θ,ka)，从而实现对该聚焦探头的标定和数值分析。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于包括下述步骤：
a、制备超声检测标样，所述标样采用已知声反射系数R(θ)的材料；
b、将所述标样放入超声显微镜设备的工作槽的耦合剂内，使所述超声显微镜设备的聚焦探头的轴向方向与所述标样的反射表面保持垂直；
c.在与所述标样的反射表面垂直的Z轴方向上调整所述聚焦探头的位置，使得测得的超声反射信号最大，此时所述聚焦探头与所述标样的反射表面的距离即为所述聚焦探头的焦距D，将此时所述聚焦探头的Z轴方向的位置设置为零，且在-Z方向将所述聚焦探头移动一段距离，该距离小于D；
d、以步进距离d在Z方向移动所述聚焦探头，每移动一个步进d，稳定所述超声显微镜设备一个时间间隔T，待所述超声显微镜设备测得的信号稳定后记录该位置的超声反射信号s(z,t)，如此依次记录，获得一组不同位置的超声反射信号S(z,t)，其中z为d的整数倍，t为时间变量；
e、对s(z,t)进行傅里叶变换，得到F[s(z,f)]曲线，该曲线上最大值点对应的频率fc即是该聚焦探头的中心频率；对测得的S(z,t)进行二维傅里叶变换获得一组数据F[S(z,f)]，选择一个频率f下的数据，即得到该频率下该标样的声学特征曲线的实验值VExp(z)；
f、通过公式计算获得该标样声学特征曲线的理论计算值VCal(z)，其中，a是聚焦探头晶片半径，β为晶片弧度角，θ表示入射角，k是波数，C是常数，P(θ,ka)是一个与探头类型有关的孔径函数；
g、通过公式对标样声学特征曲线实验测量值VExp(z)和计算值VCal(z)进行迭代拟合，以获得聚焦探头的晶片半径a、晶片弧度角β，进而得到所述聚焦探头的孔径函数。
2.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于所述聚焦探头是点聚焦探头，其孔径函数为
其中，μ(α)是与聚焦探头弧度角有关的函数。
3.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于所述聚焦探头是线聚焦探头，V(z)计算公式为：
其中kf为所述波数，kx为所述波数在X轴上的分量，X轴垂直于所述Z轴，ρ是与常数C关联的常量，
其孔径函数为：
4.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于所述标样是长方体或圆柱体。
5.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于所述标样的测试表面粗糙度不低于0.8μm。
6.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于所述耦合剂是干净、无气泡的水。
7.如权利要求1所述的超声聚焦探头参数标定方法，其特征在于在所述步骤d中，z位于区间[-Z0,Z0],Z0小于或等于D。
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