CN109270172B

CN109270172B - 校验超声水浸压电探头的方法及装置

Info

Publication number: CN109270172B
Application number: CN201811068765.3A
Authority: CN
Inventors: 张书增; 李雄兵; 吕铎; 宋永锋
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2038-09-13
Also published as: CN109270172A

Abstract

本发明公开了一种校验超声水浸压电探头的方法及装置，该方法包括：连接脉冲发生器和具有固定阻抗的外接电阻，测量输入的电流信号；分离所述脉冲发生器和所述外接电阻，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出电流信号；获取声传播函数、声辐射阻抗、外接电阻的阻值和脉冲发生器的阻值；将外界电阻、脉冲发生器的阻值和乘以输出电流信号得到第一乘积，将输入的电流信号、声传播函数和声辐射阻抗三者相乘得到第二乘积，将第一乘积除以第二乘积后开根号，得到所述探头的灵敏度。本发明提出的技术方案只需测量电流信号即可测得探头灵敏度，简化了实验流程，并解决常规电路中“阻抗不匹配”的难题。

Description

校验超声水浸压电探头的方法及装置

技术领域

本发明涉及超声水浸压电探头技术领域，尤其涉及一种校验超声水浸压电探头的方法及装置。

背景技术

诸如平面、点聚焦和线聚焦等超声水浸压电探头广泛应用于超声无损检测领域。超声探头在检测过程中起着传播和接收超声波信号，转换声波信号和电信号的作用。探头的灵敏度是描述探头转换声电能力和评价探头带宽的一个重要参数。因此，测量探头灵敏度是评判超声探头一致性、评价检测系统检测能力的一个重要环节。

当前存在多种校验超声探头灵敏度的方法，如利用激光干涉仪测量探头辐射声场的声震动幅值位移，计算探头的灵敏度；或者利用水听器测量超声探头中心轴线上远场的声压，根据声压情况反求探头灵敏度。但是上述两种方法需要昂贵的仪器，而且需要提前对该昂贵仪器进行校验，即探头灵敏度的测量依赖于先前的校验结果。

互易理论仅需要使用超声相关检测装置，无需使用其它昂贵设备，因此该方法已被广泛应用于超声探头灵敏度的测量。典型的互易校验方法需要使用三个相同的超声探头，利用不同探头组合进行三组测量实验，最终得到一个探头的灵敏度。与此相比，自互易校验方法仅需要一个被校验的探头，无需考虑双探头的对正要求，因此该方法在实施过程中更具有优势。

常用的自互易校验方法需要测量流入和流出探头的电流和电压，但研究显示，由于在脉冲反射电路中信号发生器/线缆/探头之间阻抗不匹配的原因，流入和流出探头的电信号之间将相互叠加使得信号失真。该信号的失真将导致探头灵敏度测量结果出现误差，因此实际校验中必须消除该信号失真特性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种校验超声水浸压电探头的方法及装置，其简化了现有的脉冲反射法实验流程，可消除电路阻抗不匹配带来的误差。

为实现上述目的，本发明提供的一种校验超声水浸压电探头的方法，包括：

连接脉冲发生器和具有固定阻抗的外接电阻，测量输入的电流信号；

分离所述脉冲发生器和所述外接电阻，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出电流信号；

获取声传播函数、声辐射阻抗、外接电阻的阻值和脉冲发生器的阻值；

将外界电阻、脉冲发生器的阻值和乘以输出电流信号得到第一乘积，将输入的电流信号、声传播函数和声辐射阻抗三者相乘得到第二乘积，将第一乘积除以第二乘积后开根号，得到所述探头的灵敏度。

优选地，所述获取声传播函数的步骤包括：

获取超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离、探头的有效半径和探头的有效焦距；

通过以下公式来计算声传播函数：

式中，t_a(z,ω)为不同距离下频域下的声传播函数，R₁₂表示水-反射体界面的反射系数，k表示水中波数，z表示为超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离，α_f为衰减系数，a表示探头的有效半径，D_R为瑞利距离，A 和B表示为25组高斯系数；

当探头为平面探头时，存在以下关系：

B_xm＝B_m，B_ym＝B_m，B_xl＝B_l，B_yl＝B_l；

当探头为线聚焦探头时，存在以下关系：

当探头为点聚焦探头时，存在以下关系：

以上关系式中，f _L为探头的有效焦距。

优选地，所述探头的有效半径和探头的有效焦距的获取步骤包括：

在不同检测距离下采集输出电流，并查找所述输出电流的最大幅值，其中，所述检测距离为超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离；

通过快速傅里叶变换得到所述输出电流的频谱特性；

采用所述公式，通过假设不同的半径和焦距计算该检测距离下的声传播函数；

通过对所述频谱特性和所述声传播函数进行卷积，得到该检测距离下探头的频域信号；

利用逆傅里叶变换获得各距离的时域信号，并计算所述时域信号的最大幅值；

将不同距离下的理论预测值和实验测量结果进行最小二乘拟合，并比对两者拟合后的曲线，其中，所述理论预测值为所述时域信号的最大幅值，所述实际测量结果为所述输出电流的最大幅值；

当在预设范围内两者所对应的拟合曲线匹配时，对应假设的半径为所述探头的有效半径，对应假设的焦距为所述探头的有效焦距。

优选地，当探头为聚焦探头时，所述预设范围为拟合后曲线的最大值前后的数值。

优选地，所述声辐射阻抗为水的密度、水中的声速以及探头的有效面积的乘积。

优选地，所述外接电阻的阻值和所述脉冲发生器的阻值相等。

优选地，所述外接电阻的阻值和所述脉冲发生器的阻值均为50Ω。

为实现上述目的，本发明提供的一种校验超声水浸压电探头的装置，包括：

外接电阻接入模块，用于连接脉冲发生器和具有固定阻抗的外接电阻，测量输入的电流信号；

探头接入模块，用于分离所述脉冲发生器和所述外接电阻，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出电流信号；

参数获取模块，用于获取声传播函数、声辐射阻抗、外接电阻的阻值和脉冲发生器的阻值；

探头灵敏度测量模块，用于将外界电阻、脉冲发生器的阻值和乘以输出电流信号得到第一乘积，将输入的电流信号、声传播函数和声辐射阻抗三者相乘得到第二乘积，将第一乘积除以第二乘积后开根号，得到所述探头的灵敏度。

该发明提出了一种简单易行的脉冲反射方法，能够实现对超声水浸平面探头、线聚焦探头和点聚焦探头的有效尺寸参数(即半径和/或焦距)和灵敏度进行校验。该发明详细描述了校验探头时所用实验装置的电路，并提出简化实验过程的方法，解决了传统校验方法中电路阻抗不匹配的问题；研究了一种利用探头尺寸参数预测探头接收脉冲信号幅值的方法，通过对比实验测量结果和理论预测结果，实现探头有效尺寸参数的提取；推导了考虑反射、衍射和衰减条件下灵敏度计算公式，开展了相关实验，验证了本发明提出的方法的有效性。

该方法相比于现有方法的优势在于：1、现有方法仅适用于平面探头，在校验聚焦探头时将出现较大误差，而本发明提出的方法可适用于平面、线聚焦和点聚焦探头；2、相比于传统方法，本发明提出的方法的实验过程更加简单，同时消除了电路阻抗不匹配的难题；3、该发明提出了采用脉冲信号校验探头有效尺寸参数的方法，因此无需其它实验装置；4、该方法能够在不同检测距离上得到灵敏度相同的校验结果，消除了检测距离的限制。

附图说明

图1为基于自互易校验方法的实验装置；

图2为图1所对应的二端口电路图；

图3为校验超声水浸压电探头的方法第一实施例的流程示意图；

图4为25组高斯系数；

图5为不同距离下获得的信号测定的平面探头灵敏度；

图6为不同距离下获得的信号测定的线聚焦探头灵敏度；

图7为不同距离下获得的信号测定的点聚焦探头灵敏度；

图8为校验超声水浸压电探头的方法第三实施例中获取探头的有效半径和有效焦距的流程图；

图9为平面探头所测得的时域信号的归一化幅值和它们的最佳拟合曲线；

图10为线聚焦探头所测得的时域信号的归一化幅值和它们的最佳拟合曲线；

图11为点聚焦探头所测得的时域信号的归一化幅值和它们的最佳拟合曲线；

图12为采用校验有效尺寸参数和标称参数时灵敏度的校验结果对比图；

图13为校验超声水浸压电探头的装置一实施例的模块结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于自互易校验方法的实验装置如图1所示。图中所示的探头同时用于超声信号的发射和接收。脉冲发生器发射超声电脉冲信号驱动超声探头产生超声波，超声波在水中传播并被试块反射后，被该探头接收并转换为电信号。图1所对应的二端口电路网模型如图2所示，以下采用Lopez-Sanchez和 Schmerr的理论简要对探头灵敏度的测量方法进行描述。

在电路的发射端，当探头辐射声波但未接收声波之前，我们采用V_in(ω) 和I_in(ω)表示端口a位置处电压和电流的频域信号；在电路的接收端，我们采用V_out(ω)和I_out(ω)表示端口b位置处接收声压转换而成的电压和电流的频域信号。当探头辐射超声波时，v_T(ω)表示探头表面的声波质点振动速度；当探头接收超声波时，F_B(ω)表示此时位于探头表面的阻抗力。此外，Z_S(ω)和Z_T(ω) 分别表示脉冲发生器和探头的电阻抗。

探头的电阻抗可通过流入探头的电压信号和电流信号进行计算，表示为

探头的灵敏度，S_vI(ω)定义为探头表面质点振动速度和输入电流信号的比值，表示为

由于探头的发射灵敏度和接收灵敏度是一致的，在该电路的接收端，有

S_vI(ω)F_B(ω)＝Z_T(ω)I_out(ω)+V_out(ω) (3)

由此可得探头表面的阻抗力可表示为

式中F_T(ω)为探头表面的发射阻抗力，t_a(ω)为声传播函数，

表示声辐射阻抗，其中ρ表示水的密度，c表示水的声速，A_T为探头的有效面积。

将公式(1)，(2)和(4b)代入公式(3)，可以得到测量探头灵敏度的表达式为

由此可知，采用自互易理论，当测量得到流入和流出探头的电压和电流信号并计算得到声传播函数后，即可测量得到探头的灵敏度。

但是需要指出的是，由于该电路中阻抗不匹配的问题，直接测量得到的电流和电压信号将存在一些误差；同时由于探头的标称尺寸参数和实际参数可能不一致，如果直接采用标称参数将使得计算得到的声传播函数出现误差，进而影响灵敏度的测量。因此，在本发明中我们将解决上述问题。

请参照图3，图3为本发明第一实施例提出的校验超声水浸压电探头的方法。在该实施例中，校验超声水浸压电探头的方法包括：

步骤S100，连接脉冲发生器和具有固定阻抗的外接电阻，测量输入的电流信号；

步骤S200，分离所述脉冲发生器和所述外接电阻，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出电流信号；

步骤S300，获取声传播函数、声辐射阻抗、外接电阻的阻值和脉冲发生器的阻值；

步骤S400，将外界电阻、脉冲发生器的阻值和乘以输出电流信号得到第一乘积，将输入的电流信号、声传播函数和声辐射阻抗三者相乘得到第二乘积，将第一乘积除以第二乘积后开根号，得到所述探头的灵敏度。

本发明中，采用Barnard和Chakrapani的实验方法，根据图2所示的电路推到灵敏度的简化表达式，并通过两步实验方法测量输入和输出探头的电流信号，实现探头灵敏度的测量。

实验过程需要两步：第一步，如图1虚线所示，连接脉冲发生器和具有固定阻抗(Z_L)的外接电阻，测量输入的电流信号；第二步，分离外接电阻和脉冲发生器，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出信号。在线缆较短的条件下，可忽略线缆阻抗影响，因此通过二端口电路图可将公式(5)简化为

由于大部分商用脉冲发生器的阻抗为50Ω，因此外接电阻通常选择为50 Ω，从而最小化内部阻抗不匹配的影响。在实验过程中，我们得到Z_L＝Z_S＝50 Ω，因此利用公式(6b)仅需要测量输入和输出的电流信号即可计算出探头的灵敏度。

在本发明校验超声水浸压电探头的方法的第二实施例中，基于所述第一实施例，所述获取声传播函数的步骤包括：

步骤S310，获取超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离、探头的有效半径和探头的有效焦距；

步骤S320，通过以下公式来计算声传播函数：

式中，t_a(z,ω)为不同距离下频域下的声传播函数，R₁₂表示水-反射体界面的反射系数，k表示水中波数，z表示为超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离，α_f为衰减系数，a表示探头的有效半径，D_R为瑞利距离，A 和B表示为25组高斯系数，25组高斯系数如图4所示；

当探头为平面探头时，存在以下关系：

B_xm＝B_m，B_ym＝B_m，B_xl＝B_l，B_yl＝B_l；

当探头为线聚焦探头时，存在以下关系：

当探头为点聚焦探头时，存在以下关系：

以上关系式中，f _L为探头的有效焦距。

具体地，在图1中，当考虑反射系数、衰减修正系数和衍射修正系数后，在不同距离上频域上的声传播函数可采用多元高斯声束模型表示为公式(7)。当选取不同的相位修正项时，该声传播函数适用于描述平面探头、线聚焦探头和点聚焦探头。

探头灵敏度是探头本身固有属性，当检测系统条件确定时是不变的。由于声传递函数t_a(z,ω)中考虑了有效几何参数和所有距离/频率相关的参数，在不同距离下测量的灵敏度应该是一致的。为了证明该方法的有效性，我们使用在三个不同距离下获得的信号计算了每个探头的灵敏度。对于平探头A，我们使用靠近探头近场距离处的信号；对于线聚焦探头B和点聚焦探头C，我们优先使用靠近焦点区域的信号。

利用不同距离下获得的信号测定的灵敏度见图5至图7。探头的峰值频率、有效带宽以及电声信号转换能力可以从中准确的计算出来。对于每个探头，使用不同距离下测得信号获得的灵敏度曲线在探头的6dB带宽范围内吻合良好，在这个带宽范围内，对于探头A，B和C，最大的偏差分别为0.15，0.09 和0.20dB。这个程度的吻合证明了所提出方法的有效性。

需注意的是，在有效带宽范围之外，例如在探头A和B的低频区域和探头B和C的高频区域，出现了较大偏差。此外，对于聚焦探头，当用距离焦点区域较远的信号测定灵敏度时，偏差会更明显。这些偏差出现的原因可能是在这些频率下的低信噪比。误差可能也存在于校验算法中，由于基于多元高斯模型的声传递函数不会捕获探头边界处的声场物理特性，并且采用了近轴近似，准确性也会特定情况下降低。然而，这些误差不会对整个系统的超声声场预测产生明显的影响。

在测量距离和探头参数已知时，采用公式(7)可实现不同探头频域上声传播函数的计算。但为了准确计算声传播函数，必须首先获得探头的有效尺寸参数。因此，我们采用与检验探头灵敏度相同的实验装置，提出一种校验探头有效尺寸参数的方法，该技术无需其它额外的实验装置。

在本发明校验超声水浸压电探头的方法的第三实施例中，基于所述第二实施例，采用测量得到的输出电流信号校验探头有效尺寸参数的流程图如图8 所示，详细过程如下：

步骤(a)，在不同检测距离下采集输出电流，并查找所述输出电流的最大幅值，其中，所述检测距离为超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离；

步骤(b)，通过快速傅里叶变换得到所述输出电流的频谱特性；

步骤(c)，采用公式(7)，通过假设不同的半径和焦距计算该检测距离下的声传播函数；

步骤(d)，通过对所述频谱特性和所述声传播函数进行卷积，得到该检测距离下探头的频域信号；

步骤(e)，利用逆傅里叶变换获得各距离的时域信号，并计算所述时域信号的最大幅值；

步骤(f)，将不同距离下的理论预测值和实验测量结果进行最小二乘拟合，并比对两者拟合后的曲线，其中，所述理论预测值为所述时域信号的最大幅值，所述实际测量结果为所述输出电流的最大幅值；

当在预设范围内两者所对应的拟合曲线匹配时，对应假设的半径为所述探头的有效半径，对应假设的焦距为所述探头的有效焦距；当两者不吻合则重复步骤(c)至步骤(f)，直到结果吻合，提取出相应的有效半径和有效焦距。

注意在步骤(c)中，焦距通常在信号幅值位置附近选择，而半径在标称半径附近选择。当探头的有效尺寸参数确定后，即可实现声传播函数的有效计算，进一步利用测量得到的输入和输出电流信号，通过公式(6)实现探头灵敏度的计算。因此，利用同一套实验装置，可以实现对不同类型探头有效尺寸参数和灵敏度的校验。

具体地，采用脉冲发生器(5072PR,Panametrics,Waltham,MA)产生短时脉冲驱动超声探头，一种表面光滑的304不锈钢平面试块作为反射体，电流探头(TektronixCT-2,Tektronix,Inc.,Wilsonville,OR)用于测量输入和输出的电流信号，示波器(MDO3024,Tektronix,Inc.,Wilsonville,OR)用来显示和保存所采集的数据。

实验需要在室温条件下进行，已知该条件下水的衰减系数为α₁＝25.3× 10^- ¹⁵f²Np/m，水的声速和密度分别为ρ₁＝1000kg/m³和c₁＝1485m/s，304 不锈钢的声速和密度分别为ρ₂＝7900kg/m³和c₂＝5960m/s。

首先连接脉冲发生器和外接电阻测量输入电流，然后连接脉冲发生器和探头测量探头接收的电流。为了同时校验探头的有效尺寸参数，在不同检测距离下采集输出电流。该方法适用于平面探头、线聚焦探头和点聚焦探头的校验。实验过程中需准确调整探头，保证探头声束方向与反射体表面垂直。

为了验证本发明在校验探头有效尺寸参数和灵敏度的有效性，采用三种不同类型的探头开展实验，分别为平面探头(探头A)，线聚焦探头(探头B)和点聚焦探头(探头C)。所选的三种类型探头的标称尺寸参数如表1所示。下列结果中分别对探头有效尺寸的校验结果，探头灵敏度的测量结果，以及该方法与传统方法对比结果进行讨论。其中，传统方法为采用20周期的正弦波信号驱动超声探头，采集探头接收来自反射体的回波信号，直接通过对比理论预测信号幅值和检测幅值，提取探头的有效半径和焦距。

表1探头标称尺寸参数和校验有效尺寸参数结果

从表1可以看出聚焦探头的有效几何参数接近于传统方法中的结果，从而证明所提出的方法对于校验使用信号的超声探头是有效的。但传统方法的校验方法需要其它专用设备，而本方法可用现有设备完成校验。而且传统方法与本发明提出的方法相比，无法对探头的频谱特性进行校验。

注意，在采用图8的方法测量探头的有效几何参数时，在步骤(f)，对于聚焦探头，使用了最大值前后的测量结果进行最小二乘拟合过程，当预测结果和实验结果匹配时即得到探头的有效焦距和半径；对于平探头，拟合过程可以在很宽的范围内进行，并且仅提取半径。

图9至图11显示出了三个探头所测得的时域信号的归一化幅值和它们的最佳拟合曲线，可以看出，当使用有效的几何参数时，预测和测量非常一致。如图10和12所示，当有效几何参数与标称参数不同时，预测结果与使用标称参数获得的测量结果之间会产生显著差异。

以下具体说明下探头的几何参数对灵敏度的影响。公式(6b)显示几何参数主要通过声传递函数影响灵敏度结果。几何参数的有效值和标称值分别被用来计算声传递函数，灵敏度的测定结果见图12。如前文所说，当使用有效几何参数时，利用不同距离下的信号测定的灵敏度是一致的；然而，当使用标称几何参数时，所测定的灵敏度出现了明显差异，如图12。当利用标称参数计算时，这两个距离下的测量结果差别为1.31dB。

需注意的是，当利用相同距离下的信号、不同的的几何参数测定探头灵敏度时，结果可能是不同的。在峰值频率处，利用z＝75mm处信号得到的两个灵敏度曲线差别为0.77dB，利用z＝85mm处信号两个曲线的差别为-0.34 dB。因此，在测定探头灵敏度之前，获取有效几何参数很有必要。

本发明还提供一种校验超声水浸压电探头的装置，请参照图13，在一实施例中，该校验超声水浸压电探头的装置包括：

外接电阻接入模块100，用于连接脉冲发生器和具有固定阻抗的外接电阻，测量输入的电流信号；

探头接入模块200，用于分离所述脉冲发生器和所述外接电阻，连接脉冲发生器和探头，测量流经探头的输出电流信号；

参数获取模块300，用于获取声传播函数、声辐射阻抗、外接电阻的阻值和脉冲发生器的阻值；

探头灵敏度测量模块400，用于将外界电阻、脉冲发生器的阻值和乘以输出电流信号得到第一乘积，将输入的电流信号、声传播函数和声辐射阻抗三者相乘得到第二乘积，将第一乘积除以第二乘积后开根号，得到所述探头的灵敏度。

图13所示实施例的装置对应地可用于执行图3所示方法实施例中的步骤，其实现原理和技术效果类似，此处不在赘述。

在一实施方式中，参数获取模块300还用于，获取超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离、探头的有效半径和探头的有效焦距；

通过上述公式(7)来计算声传播函数：

当探头为平面探头时，存在以下关系：

B_xm＝B_m，B_ym＝B_m，B_xl＝B_l，B_yl＝B_l；

当探头为线聚焦探头时，存在以下关系：

当探头为点聚焦探头时，存在以下关系：

以上关系式中，f _L为探头的有效焦距。

进一步地，参数获取模块300还用于，在不同检测距离下采集输出电流，并查找所述输出电流的最大幅值，其中，所述检测距离为超声波由探头传至反射体并被反射至探头间的距离；通过快速傅里叶变换得到所述输出电流的频谱特性；采用公式(7)，通过假设不同的半径和焦距计算该检测距离下的声传播函数；通过对所述频谱特性和所述声传播函数进行卷积，得到该检测距离下探头的频域信号；利用逆傅里叶变换获得各距离的时域信号，并计算所述时域信号的最大幅值；将不同距离下的理论预测值和实验测量结果进行最小二乘拟合，并比对两者拟合后的曲线，其中，所述理论预测值为所述时域信号的最大幅值，所述实际测量结果为所述输出电流的最大幅值；当在预设范围内两者所对应的拟合曲线匹配时，对应假设的半径为所述探头的有效半径，对应假设的焦距为所述探头的有效焦距。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第X实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料、方法步骤或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

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。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。