CN108956185A - 一种超声探头特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声探头特性测量装置，其中，所述装置包括设置在水槽箱体上的用于控制水听器移动的三轴移动机构，以及用于夹持超声探头的夹具，与三轴移动机构电连接的自动控制器，以及与所述水听器电连接的数据采集器；所述三轴移动机构包括横向导轨、纵向导轨以及竖直导轨，水听器设置在竖直导轨上，所述横向导轨、纵向导轨以及竖直导轨上分别设置有第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机，在第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的驱动下，所述水听器在水槽箱体内三维方向移动以完成对超声探头的特性测量。本发明提供的超声探头特性测量装置能够更好地测量和标定超声探头，从而更真实反映超声探头在空间位置中的声场分布。

Description

一种超声探头特性测量装置

技术领域

本发明涉及超声探头领域，尤其涉及一种超声探头特性测量装置。

背景技术

在装有纯净水的试验箱里，用函数发生器驱动待检测超声探头发出声波，利用水听器、示波器作为测量工具，采集超声探头发出的声波，通过用户规划采集声波的路径来获取超声探头的声场特性分布（扫描超声声场），以及对超声探头进行探头焦距测量、探头最适频率测量，可实现超声探头的特性检测与标定。

然而，现有的超声探头测量装置通常存在以下缺陷：

1.现有超声探头测量装置采用步进电机作为核心驱动器件使得系统运动装置的控制方式为开环控制，机台移动装置移动精度丢失；2. 现有超声探头测量装置不能实现空间场强分布的检测，只能做线性或者平面场强的测量，且只能测量到（XY、XZ）两个平面场强的分布；3. 现有超声探头测量装置的输出数据单一，仅仅输出检测出来的最原始的电压信号，需要使用人员进一步设计算法处理数据；4. 现有超声探头测量装置安全保护较少，容易引发精密测量传感器（水听器）的碰撞损坏； 5. 现有超声探头测量装置的测量、调试对人员要求较高，需要两人或多人配合以保证测量仪器免于碰撞。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声探头特性测量装置，旨在解决现有超声探头测量装置移动精度不足、操作要求高、机台安全保障措施少以及输出数据单一的问题。

本发明的技术方案如下：

一种超声探头特性测量装置，其中，包括一水槽箱体、设置在所述水槽箱体上的用于控制水听器在水槽箱体内三维方向移动的三轴移动机构，设置在所述水槽箱体上的用于夹持超声探头的夹具，与所述三轴移动机构电连接的自动控制器，以及与所述水听器电连接的数据采集器；所述三轴移动机构包括设置在X轴的横向导轨、设置在Y轴的纵向导轨以及设置在Z轴的竖直导轨，所述水听器设置在所述竖直导轨上，所述横向导轨、纵向导轨以及竖直导轨上分别设置有第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机，在所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的驱动下，所述水听器在水槽箱体内三维方向移动以完成对超声探头的特性测量。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述横向导轨设置在所述水槽箱体上，所述纵向导轨设置在所述横向导轨上，所述竖直导轨设置在所述纵向导轨上，所述横向导轨上设置有与所述第一伺服电机刚性连接的第一滚珠丝杠，所述纵向导轨上设置有与所述第二伺服电机刚性连接的第二滚珠丝杠，所述纵向导轨上设置有与所述第三伺服电机刚性连接的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠上设置有相对所述水槽箱体在竖直方向可移动的工作杆，所述工作杆末端设置有水听器；所述竖直导轨在第二伺服电机的驱动下可相对水槽箱体在纵向方向移动，所述纵向导轨在第一伺服电机的驱动下可相对水槽箱体在横向方向移动。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述横向导轨两端设置有第一光电限位开关，所述纵向导轨两端设置有第二光电限位开关，所述竖直导轨两端设置有第三光电限位开关。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的定位精度均为0.01mm/步。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述夹具包括设置在所述水槽箱体上的横梁，以及通过转接块与所述横梁连接的探头夹持杆，所述探头夹持杆末端设置有所述超声探头。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述横梁通过螺栓可拆卸地设置在所述水槽箱体上，所述探头夹持杆通过转接块与所述横梁连接，所述探头夹持杆相对水槽箱体可在纵向和竖直方向上移动，实现所述超声探头在水槽箱体内的空间三维方向移动。

所述的超声探头特性测量装置，其中，还包括与所述三轴移动机构电连接的手轮控制器，所述手轮控制器用于控制水听器在水槽箱体内三维方向移动。

所述的超声探头特性测量装置，其中，还包括与所述数据采集器电连接的数据处理器，所述数据处理器用于对数据采集器采集的数据进行处理，以获得超声探头的特性测量数据。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述数据处理器用于对数据采集器采集的数据进行处理的方式包括异常点剔除处理、噪声剔除处理、剔除回波数据保留真实波形处理、峰峰值提取处理、瞬时声强积分处理和空间平均声强积分处理中的一种或多种。

所述的超声探头特性测量装置，其中，所述水听器为压电陶瓷水听器、磁致伸缩水听器、针式水听器或薄膜水听器中的一种。

有益效果：本发明提供的超声探头特性测量装置采用高性能运动控制器以及伺服电机，组成了一套半闭环控制的移动平台，相比现有的测量装置有如下优势：使用高性能运动控制器以及伺服电机，提高装置移动的精度；利用该高性能控制器的多轴联动插补功能，可实现三个一维线性（X、Y、Z）、三个二维平面（XY、XZ、YZ）以及三维空间扫描，多种扫描方式能更有效地展现超声探头形成的超声声场，可以更好地测量和标定超声探头，从而更真实反映超声探头在空间位置中的声场分布。

附图说明

图1为本发明一种超声探头特性测量装置较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明水槽箱体、三轴移动机构以及夹具组装后的结构示意图。

图3为本发明数据采集器在某一空间位置采集到的原始声场数据波形图。

图4为本发明图3采集数据的空间位置点3次采集到的数据经过均值处理后的声场数据波形图。

图5为图4声场数据波剔除环境噪声数据后的波形图。

图6为图5声场数据剔除原始数据中的回波分量后得到的有效波形图。

具体实施方式

本发明提供一种超声探头特性测量装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，本发明提供一种超声探头特性测量装置，其中，如图所示，所述装置包括一水槽箱体100、设置在所述水槽箱体100上的用于控制水听器200在水槽箱体内三维方向移动的三轴移动机构300，设置在所述水槽箱体100上的用于夹持超声探头400的夹具500，与所述三轴移动机构电连接的自动控制器600，以及与所述水听器电连接的数据采集器700；所述三轴移动机构300包括设置在X轴的横向导轨310、设置在Y轴的纵向导轨320以及设置在Z轴的竖直导轨330，所述水听器200设置在所述竖直导轨330上，所述横向导轨310、纵向导轨320以及竖直导轨330上分别设置有第一伺服电机311、第二伺服电机321以及第三伺服电机331，在所述第一伺服电机311、第二伺服电机321以及第三伺服电机331的驱动下，所述水听器200在水槽箱体100内三维方向移动以完成对超声探头400的特性测量。

在本实施例中，与所述三轴移动机构电连接的自动控制器为高性能运动控制器，所述高性能运动控制器用于控制第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的开启与关闭，在所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的驱动下，可控制水听器在水槽箱体内三维方向移动以完成对超声探头的特性测量。本实施例通过采用半闭环控制的移动平台，相比现有的测量装置有如下优势：使用高性能运动控制器以及伺服电机，从原理上提高了机台的移动精度，同时克服了步进电机开环控制模式下容易丢步、精度低等问题，可有效提高测量超声声场的精度；利用该高性能控制器的多轴联动插补功能，可实现三个一维线性（X、Y、Z）、三个二维平面（XY、XZ、YZ）以及三维空间扫描，多种扫描方式能更有效地展现超声探头形成的超声声场，可以更好地测量和标定超声探头，从而更真实反映超声探头在空间位置中的声场分布。

优选的，水听器超声探头特性测量装置的核心部件，它是一种在水下利用压电效应将压力信号转化为电信号的水听设备，用来在最小限度影响声场的情况下测量声场的时间和空间的参数。理想情况下，水听器应该不对超声声场产生影响，并且水听器自身的频率响应也不能改变采集到的声辐射信号。同时，水听器应能提供一个不失真的电压波形来对应声场中的每一点的声压。一个性能良好的超声换能器应具备的首要条件是水听器测得其声场中的声压值和水听器的输出成线性关系。水听器是一种非常灵敏的传感器，它能够采集超声换能器辐射在声场中各个场点的声波产生的瞬时声压信号，并将这些声压信号等比例地转变为电压信号，这样，就以采集电信号的形式完成了对超声场中声压信号的测量，本实施例采用三轴移动机构以及伺服电机可以实现水听器在水槽箱体内三维方向的运转，为三维声场的描述提供数据。更优选的，所述水听器为压电陶瓷水听器、磁致伸缩水听器、针式水听器或薄膜水听器中的一种，但不限于此。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述横向导轨310设置在所述水槽箱体100上，所述纵向导轨320设置在所述横向导轨310上，所述竖直导轨330设置在所述纵向导轨320上，所述横向导轨310上设置有与所述第一伺服电机311刚性连接的第一滚珠丝杠（未标出），所述纵向导轨320上设置有与所述第二伺服电机321刚性连接的第二滚珠丝杠（未标出），所述纵向导轨330上设置有与所述第三伺服电机331刚性连接的第三滚珠丝杠（未标出），所述第三滚珠丝杠上设置有相对所述水槽箱体在竖直方向可移动的工作杆333，所述工作杆333末端设置有水听器200；所述竖直导轨330在第二伺服电机321的驱动下可相对水槽箱体100在纵向方向移动，所述纵向导轨320在第一伺服电机311的驱动下可相对水槽箱体100在横向方向移动。

具体来讲，所述第一伺服电机旋转带动第一滚珠丝杠旋转使得纵向导轨相对水槽箱体能在横向移动，所述第二伺服电机旋转带动第二滚珠丝杠旋转使得所述竖直导轨相对水槽箱体能在纵向移动，所述第三伺服电机旋转带动第三滚珠丝杠旋转使得所述工作杆相对水槽箱体能在竖直方向移动，所述水听器设置在所述工作杆末端。也就是说，通过自动控制器控制所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的开启与关闭，可使得水听器在水槽箱体的空间坐标系三个方向上往复运动，从而采集水槽箱体范围内的声场数据。

优选的，如图2所示，所述横向导轨310两端设置有第一光电限位开关332，所述纵向导轨320两端设置有第二光电限位开关（未标出），所述竖直导轨330两端设置有第三光电限位开关（未标出）。通过所述光电限位开关的设置，使得导轨以及工作杆的行程受限，即纵向导轨只能在所述两个第一光电限位开关之间的行程范围内往复运动，所述竖直导轨只能在所述两个第二光电限位开关之间的行程范围内往复运动，所述工作杆只能在所述两个第三光电限位开关之间的行程范围内往复运动。本实施例通过设置所述第一光电限位开关、第二光电限位开关以及第三光电限位开关，可有效保护水听器在水槽箱体的空间三个方向上的运动范围，保证了精密测量仪器（水听器）与超声探头之间有一定的安全距离，可以有效的避免精密测量仪因操作失误导致的损毁，并保证了三轴移动机构和数据采集器的使用安全。

更优选的，在本实施例中，所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的定位精度均为0.01mm/步。本实施例采用伺服电机驱动水听器的移动，克服了步进电机开环控制模式下容易丢步、精度低等问题，提高测量超声声场的精度。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述夹具500包括设置在所述水槽箱体100上的横梁510，以及通过转接块520与所述横梁510连接的探头夹持杆530，所述探头夹持杆530末端设置有所述超声探头400。具体来讲，所述横梁通过螺栓可拆卸地设置在所述水槽箱体上，所述横梁可在水槽箱体上横向移动，所述探头夹持杆与横梁之间通过转接块连接，探头夹持杆可以在水平面纵向以及垂直方向上移动，所述夹具可以实现超声探头在水槽箱体内空间三个方向上的调整。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述超声探头特性测量装置还包括与所述三轴移动机构300电连接的手轮控制器800，所述手轮控制器用于控制水听器在水槽箱体内三维方向移动。所述手轮控制器使得用户可以在可视条件下直接移动水听器的位置，避免水听器碰撞损坏，有效减少实施测量的人员数量，使得超声检测标定试验要求降低。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，所述超声探头特性测量装置还包括与所述数据采集器700电连接的数据处理器900，所述数据处理器900用于对数据采集器采集的数据进行处理，以获得超声探头的特性测量数据。优选的，所述数据处理器用于对数据采集器采集的数据进行处理的方式包括异常点剔除处理、噪声剔除处理、主瓣波形提取处理、峰值提取处理、瞬时声强积分处理和空间平均声强积分处理中的一种或多种。

具体来讲，所述数据采集器采集的原始声场数据中包括环境噪声点、数据采集偶然误差、声场波形回波等。对于环境噪声点可以利用对于同一数据采集路径多次重复采集，并对采集到的数据做均值处理，可以得到环境噪声数据的较稳定分量，通常有效声场波形分量强度远大于环境噪声强度，依据强度可以将有效的声场数据重原始数据中提出出来。对于数据采集偶然误差可以采用在同一空间位置点重复测量声场数据，排除偶然误差。对于声场波形的回波，回波与原始波形在采集时处于不同时间点，同时声场回波经过箱体反射会损失部分能量，回波的强度与原始波形数据也有较大的差异，可据上述两大特征剔除回波数据。例如，在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，图中的波形数反应的是数据采集传感器在某一空间位置采集到的原始声场数据，可以看出波形中包括波形主瓣、回波部分、环境噪声；图4反应的重复该采集路径，在该位置点3次采集到的数据经过均值处理后的声场数据，对比图3，主波、回波部分差异较小，存在偶然的数据采集误差；图5为图4中剔除环境噪声数据后的波形；进一步利用，前述回波的特性剔除原始数据中的回波分量得到如图6所示的有效波形数据部分。

进一步地，对所述剔除偶然采集误差、环境噪声以及回波部分的声场数据，利用寻找极值法，可以获取数据采集路径上每一位置点的声场数据峰峰值；利用瞬时积分法，可以计算该采集位置上声强值；利用空间积分方法，对某一空间位置点位置领域波形积分，可以得到该位置点邻域声强均值，对所述的声强均值进行归一化方法处理，得到该次采集声场的梯度分布数据与分布图。通过本实施例提供的数据处理器对原始声场数据进行处理后，输出结果可更实用、更直观地展现超声探头的声场分布。

综上所述，本发明提供的超声探头特性测量装置采用高性能运动控制器以及伺服电机，组成了一套半闭环控制的移动平台，相比现有的测量装置有如下优势：使用高性能运动控制器以及伺服电机，提高装置移动的精度；利用该高性能控制器的多轴联动插补功能，可实现三个一维线性（X、Y、Z）、三个二维平面（XY、XZ、YZ）以及三维空间扫描，多种扫描方式能更有效地展现超声探头形成的超声声场，可以更好地测量和标定超声探头，从而更真实反映超声探头在空间位置中的声场分布。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声探头特性测量装置，其特征在于，包括一水槽箱体、设置在所述水槽箱体上的用于控制水听器在水槽箱体内三维方向移动的三轴移动机构，设置在所述水槽箱体上的用于夹持超声探头的夹具，与所述三轴移动机构电连接的自动控制器，以及与所述水听器电连接的数据采集器；所述三轴移动机构包括设置在X轴的横向导轨、设置在Y轴的纵向导轨以及设置在Z轴的竖直导轨，所述水听器设置在所述竖直导轨上，所述横向导轨、纵向导轨以及竖直导轨上分别设置有第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机，在所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的驱动下，所述水听器在水槽箱体内三维方向移动以完成对超声探头的特性测量。

2.根据权利要求1所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述横向导轨设置在所述水槽箱体上，所述纵向导轨设置在所述横向导轨上，所述竖直导轨设置在所述纵向导轨上，所述横向导轨上设置有与所述第一伺服电机刚性连接的第一滚珠丝杠，所述纵向导轨上设置有与所述第二伺服电机刚性连接的第二滚珠丝杠，所述纵向导轨上设置有与所述第三伺服电机刚性连接的第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠上设置有相对所述水槽箱体在竖直方向可移动的工作杆，所述工作杆末端设置有水听器；所述竖直导轨在第二伺服电机的驱动下可相对水槽箱体在纵向方向移动，所述纵向导轨在第一伺服电机的驱动下可相对水槽箱体在横向方向移动。

3.根据权利要求2所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述横向导轨两端设置有第一光电限位开关，所述纵向导轨两端设置有第二光电限位开关，所述竖直导轨两端设置有第三光电限位开关。

4.根据权利要求2所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机的定位精度均为0.01mm/步。

5.根据权利要求1所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述夹具包括设置在所述水槽箱体上的横梁，以及通过转接块与所述横梁连接的探头夹持杆，所述探头夹持杆末端设置有所述超声探头。

6.根据权利要求5所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述横梁通过螺栓可拆卸地设置在所述水槽箱体上，所述探头夹持杆通过转接块与所述横梁连接，所述探头夹持杆相对水槽箱体可在纵向和竖直方向上移动，实现所述超声探头在水槽箱体内的空间三维方向移动。

7.根据权利要求1所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，还包括与所述三轴移动机构电连接的手轮控制器，所述手轮控制器用于控制水听器在水槽箱体内三维方向移动。

8.根据权利要求1所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，还包括与所述数据采集器电连接的数据处理器，所述数据处理器用于对数据采集器采集的数据进行处理，以获得超声探头的特性测量数据。

9.根据权利要求8所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述数据处理器用于对数据采集器采集的数据进行处理的方式包括异常点剔除处理、噪声剔除处理、剔除回波数据保留真实波形处理、峰峰值提取处理、瞬时声强积分处理和空间平均声强积分处理中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的超声探头特性测量装置，其特征在于，所述水听器为压电陶瓷水听器、磁致伸缩水听器、针式水听器或薄膜水听器中的一种。