CN108490080A - 一种非接触式超声信号检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式超声信号检测装置及其方法，包括：信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；信号发生器用于产生超声激励信号，功率放大器用于将激励信号放大，来驱动超声探头，超声探头在水槽中产生超声信号；He‑Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向光都可聚焦在光电探测器的敏感元件上；超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。本方法具有非接触，空间分辨率高，频率响应范围宽，不会丢失相位信息的优点。

Description

一种非接触式超声信号检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种非接触式超声信号检测装置及其方法。

背景技术

超声目前广泛应用于医疗、工业无损检测、水下成像等领域。在超声检测与成像领域，检测效果的准确性与超声信号检测的准确性密切相关；在医用超声诊断与治疗领域，由于大剂量超声会对人体造成不利影响，同样需要对超声信号进行精确测量。因此，能够实现超声信号的精确检测显得尤为重要。

目前超声信号检测主要依赖以压电陶瓷和光纤为主的超声探头。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1、探头本身具有一定的体积，会对超声声场造成干扰，导致检测结果失真；

2、无论是压电陶瓷还是光纤超声探头，其检测原理如下：超声波为机械波，在传播过程中会对周围介质产生作用力，将压电陶瓷或光纤放入声场中，会由于超声作用而产生形变，通过压电效应、以及光在光纤中的传播规律来检测超声信号的变化。但该形变与超声信号的变化并不完全相同，会导致信号失真，超声信号的相位信息丢失严重；

3、单一型号的超声探头只能对某一频段内的超声信号具有较好的响应，检测带宽较低；

4、传统超声探头的空间分辨率由探头本身体积所决定。

发明内容

针对传统超声探头的缺点，本发明提出了一种非接触式超声信号检测装置及其方法，用于超声信号的高精度检测，详见下文描述：

一种非接触式超声信号检测装置，所述检测装置包括：信号发生器，

所述信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；所述信号发生器用于产生超声激励信号，所述功率放大器用于将激励信号放大，来驱动所述超声探头，所述超声探头在水槽中产生超声信号；

He-Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；

反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器的敏感元件上；

超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。

其中，所述水槽中盛有蒸馏水，所述水槽的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。

一种非接触式超声信号检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

1)打开He-Ne激光器，调节凸透镜组的距离，将激光调节平行；

2)根据超声探头的中心频率，设置信号发生器的激发脉冲信号频率，激发脉冲幅度和脉冲重复频率；调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内；

3)打开信号发生器与功率放大器，超声探头产生超声信号；

4)将光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点位置，调整反射镜，得到入射光光强；

5)调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号。

其中，所述调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号具体为：

通过衍射光和入射光的比值得到由超声引起的光的相移量由相移量计算得到超声声压分布函数p(y,t)。

其中，所述光的相移量具体为：

其中，k_l为激光波数，为介质压电常数，L为声光相互作用长度，p(y,t)为超声声压分布函数，y轴为激光传播方向。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明可以实现对超声信号的振幅与相位的精确检测，与传统检测技术相比，不会丢失相位信息；

如图3所示，本发明与传统检测技术相比，本发明能够准确还原超声信号，不会丢失相位信息。

2、本发明的空间分辨率优于传统检测技术，在本发明实施例中，激光光束直径为0.8mm，声光作用长度与超声声束长度相同，宽度与激光光束直径相同，检测结果可以看作与激光直径相同范围内的超声声场；而超声探头直径为20mm，其检测结果可以看作超声探头所包围的面积内的超声声场。

3、本发明可检测的探头频率范围非常广，可降低检测成本。

附图说明

图1为一种非接触式超声信号检测装置的结构示意图；

图2为单透镜光学成像系统的结构示意图；

图3为激励信号、压电探头检测结果和本发明实施例检测结果对比图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101：信号发生器； 102：功率放大器；

103：He-Ne激光器； 104：凸透镜组；

105：超声探头； 106：探头夹具；

107：水槽； 108：反射镜；

109：凸透镜； 110：光电探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例的检测原理为：超声在介质中传播时，其声压会导致介质折射率产生变化，可以等效成一个超声光栅，激光通过超声光栅时，就会产生衍射现象。超声与激光之间不会直接发生作用，因此该检测技术为非接触式检测，不会对声场造成干扰。

实施例1

为了实现超声信号的非接触、高精度检测，本发明实施例提供了一种非接触式超声信号检测装置，参见图1和图2，该检测装置包括：信号发生器101、功率放大器102、He-Ne激光器103、凸透镜组104、超声探头105、探头夹具106、水槽107、反射镜108、凸透镜109、光电探测器110。

信号发生器101与功率放大器102相连，输出信号接在超声探头105上。信号发生器101用于产生超声激励信号，功率放大器102用于将激励信号放大，来驱动超声探头105，超声探头105在水槽107中产生超声信号。

He-Ne激光器103、凸透镜组104、以及水槽107位于同一水平线上，光电探测器110的敏感元件放置在凸透镜109的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统，如图2所示。

反射镜108可以改变光信号传播方向，其本身俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器110的敏感元件上。

超声探头105固定在探头夹具106上。探头夹具106应具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。

在进行超声信号检测时，水槽107中盛有蒸馏水，水槽107的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。

综上所述，本发明实施例提供了一种非接触式超声信号检测装置，通过该检测装置可以实现对超声信号的振幅与相位的精确检测，与传统检测技术相比，不会丢失相位信息。

实施例2

一种非接触式超声信号检测方法，该检测方法基于实施例1中的上述超声信号检测装置，详见下文描述：

超声波是一种弹性波，在介质中传播时会使介质密度产生周期性疏密变化，对于像水这样的各项同性介质来说，介质折射率与介质密度之间的关系可以用下式表示：

其中，n(r,t)为介质中r位置处在t时刻的折射率，ρ(r,t)是相应的密度，χ与介质本身的性质有关，ρ₀为没有超声扰动时介质的密度。

在拉曼-奈斯衍射条件下，介质密度变化与声压大小直接相关。在这里，引入n0作为没有超声扰动时介质的折射率，引入Δn作为由超声引起的折射率变化，那么介质折射率随声压的变化可以用下式表示：

n(r,t)＝n₀±Δn·p(r,t) (2)

因此超声在介质中可以使介质折射率产生周期性变化，形成超声光栅。当激光通过超声光栅时，激光的振幅和相位受到空间调制而被衍射，这种衍射又被称为声光衍射。声光衍射根据其衍射效果，可以分为两种，一种是在超声频率较低，声光相互作用长度较短时发射，被称为拉曼-奈斯衍射，其特征为激光与声束相互垂直，各级衍射光对称分布；当超声频率较高，声光相互作用长度较长时则会发生布拉格衍射，其特征为当以一定衍射角入射时，会只有一束衍射光，衍射效率可达100％。两种声光衍射可以根据开尔文-库克定律来进行判断：

其中，Q为声光衍射判据，Λ为介质中超声波长，λ为介质中光波长，L为声光相互作用长度，n₀为介质折射率。

当Q<1时会发生拉曼-奈斯衍射。对于任意超声探头，只要其声光衍射判据Q符合拉曼-奈斯衍射的条件，即可采用本发明所述装置及方法进行超声信号检测。

激光经超声光栅衍射后在透镜焦平面上衍射光强的复振幅分布如下式所示：

式中，J_m为第m阶贝塞尔函数，为由超声引起的光的相移量，ω为激光角频率，ω_s为超声角频率。

从上式可以得到，超声光栅对入射光的振幅和相位都引起了调制，其中相位调制效果为使第m阶衍射光产生了mω_s的频移；而振幅调制效果为使衍射光振幅产生与相同的调制，的表达式如下式所示：

其中，k_l为激光波数，为介质压电常数，L为声光相互作用长度，p(y,t)为超声声压分布函数，y轴为激光传播方向。

由此可见，衍射光强度与超声信号的声压分布有关，通过对衍射光强度的检测，即可实现对超声信号的解析。

贝塞尔函数具有如下的性质：

因此，根据下式，通过测量入射光与衍射光光强，即可得到再利用式(5)来计算声压分布。

在本发明实施例中，超声波可在水中形成超声光栅，激光通过超声光栅后会发生衍射，衍射光振幅调制与超声信号的声压分布直接相关，通过检测衍射光强度即可实现对超声信号的检测，具体步骤如下：

1)打开He-Ne激光器103，调节凸透镜组104的距离，将激光调节平行；

2)根据超声探头105的中心频率，设置信号发生器101的激发脉冲信号频率，激发脉冲幅度和脉冲重复频率。调节功率放大器102的增益，使其输出电压在超声探头105的工作电压范围内；

3)打开信号发生器101与功率放大器102，超声探头105就会产生超声信号。

4)将光电探测器110的敏感元件放置在凸透镜109的焦点位置，调整反射镜108，得到入射光光强；

5)调整反射镜108，得到一级衍射光光强；

6)通过式(5)与式(8)即可得到该超声信号，其具体步骤如下：

根据公式(8)通过衍射光和入射光的比值可以得到由超声引起的光的相移量在本发明实施例中，激光器产生的激光波长为633um，波数k_l为1.575e⁸m^-1，水的压电常数为1.51e^-10m²/N，声光作用长度与超声探头直径相同，为20mm。

根据式(5)，由计算得到超声声压分布函数p(y,t)。

综上所述，本发明实施例提供了一种非接触式超声信号检测方法，通过该检测方法可以实现对超声信号的振幅与相位的精确检测，与传统检测技术相比，本方法具有非接触，空间分辨率高，频率响应范围宽，不会丢失相位信息的优点。

实施例3

下面结合图3对实施例1和2中的装置和方法进行可行性验证，详见下文描述：

本实施例中所使用的器件参数为：633um的He-Ne激光器103，1MHz超声探头105，超声探头105的探头直径为20mm，水槽107内液体为纯净水。信号发生器101激发正弦波频率为1MHz，信号幅值为400mV_p-p，激发脉冲个数为5，脉冲重复频率为1KHz。功率放大器102放大倍数为32dB，检测结果如图3所示。

激励信号为5个周期，中心频率为1MHz的正弦脉冲，使用压电探头的检测结果只能检测到该位置有超声信号存在，超声信号的频率与相位均有些失真。而使用本发明实施例的检测结果，可以明显观察到由于激励信号形成的5个正弦脉冲，后续的信号则是超声探头在失去激励之后自身震荡的结果。超声信号的频率和相位与激励信号基本相同，对超声信号的检测精度优于压电探头。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非接触式超声信号检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：信号发生器，

所述信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；所述信号发生器用于产生超声激励信号，所述功率放大器用于将激励信号放大，来驱动所述超声探头，所述超声探头在水槽中产生超声信号；

He-Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；

反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器的敏感元件上；

超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式超声信号检测装置，其特征在于，所述水槽中盛有蒸馏水，所述水槽的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。

3.一种非接触式超声信号检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

1)打开He-Ne激光器，调节凸透镜组的距离，将激光调节平行；

2)根据超声探头的中心频率，设置信号发生器的激发脉冲信号频率，激发脉冲幅度和脉冲重复频率；调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内；

3)打开信号发生器与功率放大器，超声探头产生超声信号；

4)将光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点位置，调整反射镜，得到入射光光强；

5)调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式超声信号检测方法，其特征在于，所述调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号具体为：

通过衍射光和入射光的比值得到由超声引起的光的相移量由相移量计算得到超声声压分布函数p(y,t)。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式超声信号检测方法，其特征在于，所述光的相移量具体为：

其中，k_l为激光波数，为介质压电常数，L为声光相互作用长度，p(y,t)为超声声压分布函数，y轴为激光传播方向。