CN111678587B - 一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，包括二维机械运动单元以及控制分析单元，所述的二维机械运动单元包括相互对应设置的换能器组件和反射板组件，所述的换能器组件包括相互连接的换能器和第二高度调节机构，所述的换能器与控制分析单元连接，所述的反射板组件包括依次连接的水平驱动机构、第一高度调节机构、平面调节机构和反射板，所述的水平驱动机构与控制分析单元连接，用于控制反射板沿水平方向移动，所述的平面调节机构用于调节反射板的水平角度，使其与换能器同轴平行设置，与现有技术相比，本发明具有测量快速、准确等优点。

Description

一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法

技术领域

本发明涉及声场测量技术领域，尤其是涉及一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法。

背景技术

自聚焦超声换能器是超声换能器的一个分支，这种换能器可以将超声能量集中到一定的区域，并广泛运用于超声成像、超声医学诊断和超声治疗、空气耦合超声无损检测等技术中。

对于自聚焦超声换能器，焦域与灵敏度的测量是必要的。焦域是指自聚焦超声换能器声压较大的一块区域，当被测物在焦域中时，信号信噪比高，检测效果好。换能器灵敏度是表征换能器电声能量转换效率的物理量，一般定义灵敏度为换能器输出端与输入端的比值。灵敏度越高，换能器能得到的信号越大，检测效果更好。

在现有技术中，ZL201020178019.2设计了一种换能器灵敏度的测量装置，但是设置的微音器采集得到的信号信噪比较低，易受环境噪音影响，测量结果误差较大。ZL201711386553.5设计了一种换能器回波测试的测试装置与方法，但其缺点在于需要手动调节反射部件，检测效率低，精度低。ZL201810805626.8基于脉冲回波法设计了一种换能器灵敏度测量装置，但是需要真空泵等设备，体型较大。

针对现有技术中确定焦域与灵敏度的效率不高，致使耗费大量时间成本及资源成本的问题，亟需研究一种能够快速、精确对自聚焦超声换能器焦域与灵敏度进行测量的装置及方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、精确的自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，包括二维机械运动单元以及控制分析单元，所述的二维机械运动单元包括相互对应设置的换能器组件和反射板组件，所述的换能器组件包括相互连接的换能器和第二高度调节机构，所述的换能器与控制分析单元连接，所述的反射板组件包括依次连接的水平驱动机构、第一高度调节机构、平面调节机构和反射板，所述的水平驱动机构与控制分析单元连接，用于控制反射板沿水平方向移动，所述的平面调节机构用于调节反射板的水平角度，使其与换能器同轴平行设置；

测量时，调节平面调节机构，使反射板与换能器同轴且平行，所述的控制分析单元驱动换能器发射超声波至反射板，接收反射板的反射回波，并对反射回波进行数据处理，所述的水平驱动机构调节反射板与换能器的距离，所述的控制分析单元根据不同反射距离下的反射回波，最终计算得到焦域和灵敏度的值。

进一步地，所述的控制分析单元包括相互连接的计算机、超声收发模块和示波器，所述的计算机与水平驱动机构连接，所述的超声收发模块与换能器连接；

所述的计算机控制水平驱动机构调节反射板的水平位置，并读取当前反射距离，所述的超声收发模块驱动换能器激发超声波，接收并放大反射板的反射回波后传输至示波器，具体地，计算机与超声收发模块连接并发送驱动信号，超声收发模块将驱动信号转化为瞬时脉冲驱动自聚焦超声换能器，所述的示波器进行波形显示并将波形数据传输至计算机，所述的计算机利用接收的数据确定焦域并计算灵敏度，其中计算机对于采集的示波器信号进行保存和后处理，后处理主要包括对信号进行滤波平滑处理，二超声收发模块主要实现功能包括功率放大和电压限幅功能。

进一步优选地，所述的第二高度调节机构包括第二垫高块以及固定设置于第二垫高块上的第二高度调节件，所述的第二高度交接件包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，所述的换能器固定安装于第二高度调节件的上顶板上。

进一步优选地，所述的水平驱动机构包括底板以及相互连接的丝杆和步进电机，所述的底板包括一体成型的水平板以及分别设置于水平板两侧的竖直板，所述的丝杆的两端分别插设于两侧竖直板上，所述的第一高度调节机构安装于丝杆上，所述的步进电机与计算机连接，步进电机由计算机实现控制，计算机通过控制发射脉冲数，控制电机带动丝杆移动距离。

进一步优选地，所述的第一高度调节机构包括设置于丝杆上的第一垫高块和以及固定设置于第一垫高块上的第一高度调节件，所述的第一高度调节件包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，所述的平面调节机构安装于第一高度调节件的上顶板上。

进一步优选地，所述的平面调节机构包括驱动螺钉、调整弹簧、锁定螺母以及通过调整弹簧相互连接的第一固定板和第二固定板，所述的第一固定板通过第一固定台安装于第一高度调节件的上顶板，所述的反射板通过锁定螺母安装于第二固定板上，所述的驱动螺钉安装于第一固定板上，用于控制第二固定板和反射板平面倾斜角度，调整弹簧起平面高度限制功能，调整弹簧、锁定螺母和驱动螺钉均设置四个，四个调整弹簧和锁定螺母分别设置于第二固定板的四角上，四个驱动螺钉沿第一固定板中心对称设置。

一种如所述的自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：水平驱动机构调节反射板至初始位置；

S2：平面调节机构调节反射板与换能器中心线垂直；

S3：控制分析单元驱动换能器激发超声波；

S4：控制分析单元接收反射板的反射回波进行数据处理；

S5：判断反射板是否已到最终位置，若否，则水平驱动机构改变反射板的水平位置，并返回执行步骤S3，若是，则完成扫查，绘制距离-声压分布图并确定焦域，执行步骤S6；

S6：控制分析单元控制水平驱动机构带动反射板返回换能器焦点位置；

S7：控制分析单元计算换能器灵敏度。

进一步地，所述的焦点位置为声压最大位置，所述的确定焦域具体包括：

根据距离-声压分布图，对焦点位置处声压取3db带宽，即焦点位置处声压幅值一半的两点间间距，得到待测换能器的焦域。

进一步地，所述的初始位置设置于换能器盲区之外。

进一步地，所述的步骤S2中，当控制分析单元接收到的反射回波信号最大时，判断反射板与换能器中心线垂直。

进一步地，所述的步骤S7中，计算灵敏度的公式为：

其中，U_e为第一个回波的电压幅值，U_T为测量时换能器的激励电压幅值，n为脉冲回波放大的放大倍数，r为反射板的反射系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过设置高度调节机构和平面调解机构，能够保证换能器与反射板同轴平行，使得反射板平面与换能器的焦平面重合，信号反射效果好，测量结果更精确；

2)本发明只需通过接受反射回波并控制反射板的移动距离，即可完成对换能器焦域以及灵敏度的测量，测量快速，降低时间成本；

3)本发明设置换能器和反射板，并通过水平调节机构调节反射板的距离，通过脉冲回波法实现灵敏度的测量，不受换能器非线性和非互易性等诸多因素的影响，减小测量不确定度，提高测量精确度；

4)本发明中计算机与水平调节机构连接，控制步进电机改变反射板的移动距离，消除整个测量系统的系统误差，提高焦域测量可靠性和精度。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图；

图2为本发明平面调节机构的结构示意图；

图3为本发明测量系统流程示意图；

图4位本发明测量方法流程图；

图5为本发明实施例中示波器显示的换能器接收到的超声信号；

图6为本发明实施例中换能器焦域检测结果。

其中，1、底板，2、第一垫高块，3、第一高度调节件，4、第二高度调节件，5、第二垫高块，6、第三固定板，7、换能器，8、反射板，9、第一固定台，10、丝杆，11、步进电机，12、平面调节机构，121、驱动螺钉，122、调整弹簧，123、锁定螺母，124、第一固定板，125、第二固定板，13、第二固定台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图2所示，本发明提供一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量装置，包括相互连接的二维机械运动单元以及控制分析单元，其中，控制分析单元包括相互连接的计算机、超声收发模块和示波器，二维机械运动单元如图2所示，包括相互对应设置的换能器组件和反射板组件。

如图2所示换能器组件包括第二高度调节机构和换能器7，换能器7安装于第二高度调节机构上，可实现高度调节，并超声收发模块连接，反射板组件包括依次连接的水平驱动机构、第一高度调节机构、平面调节机构12和反射板8，水平驱动机构与计算机连接，用于控制反射板8沿水平方向移动，平面调节机构12用于调节反射板8的水平角度，使其与换能器7同轴平行设置，第一高度调节机构可实现反射板8的高度调节。本实施例中，反射板8采用透明有机玻璃板。

第二高度调节机构包括第二垫高块5以及固定设置于第二垫高块5上的第二高度调节件4，第二高度交接件4包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，换能器7通过第二固定台13和第三固定板6固定安装于第二高度调节件4上，第二固定台13固定安装于第二高度调节件4的上顶板上，第三固定板6安装于第二固定台13的顶部，换能器7上侧面通过螺钉固定安装于第三固定板6上。

水平驱动机构包括底板1以及相互连接的丝杆10和步进电机11，其中，底板1包括一体成型的水平板和分别设置于水平板两侧的竖直板，丝杆10的两端分别插设于两侧竖直板上，步进电机11与计算机连接，由计算机实现控制，丝杆10由步进电机11控制，计算机通过控制发射脉冲数，控制步进电机带动丝杆10旋转，从而改变反射板8与换能器7之间的反射距离，本实施例中步进电机11的步进精度为1.8°。

第一高度调节机构包括第一垫高块2和以及固定设置于第一垫高块2上的第一高度调节件3，平面调节机构12包括驱动螺钉121、调整弹簧122、锁定螺母123以及通过调整弹簧122相互连接的第一固定板124和第二固定板125，第一固定板124通过第一固定台9安装于第一高度调节件3的上顶板，反射板8通过锁定螺母123安装于第二固定板125上，驱动螺钉121安装于第一固定板124上，用于控制第二固定板125和反射板8平面倾斜角度，调整弹簧122起平面高度限制功能，调整弹簧122、锁定螺母123和驱动螺钉121均设置四个，四个调整弹簧122和锁定螺母123分别设置于第二固定板125的四角上，四个驱动螺钉121沿第一固定板124中心对称设置。

第一垫高块2安装于丝杆10上，第一高度调节件3包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，平面调节机构12安装于第一高度调节件3的上顶板上。

本发明装置测量的原理包括：

通过调节平面调节机构12，使反射板8与换能器7同轴且平行，保证反射板与换能器的中心线垂直，即与其焦平面重合；

计算机与超声收发模块连接并发送驱动信号，超声收发模块将驱动信号转化为瞬时脉冲驱动自聚焦超声换能器7激发超声波，超声波经反射板反射后形成反射回波，超声收发模块接收反射回波并放大后传输至示波器进行波形显示，计算机与示波器通过USB接口连接，对示波器的波形信号进行采集、保存和后处理。其中，超声收发模块实现的功能包括功率放大和电压限幅，为现有超声收发模块，对波形信号后处理包括滤波平滑处理；

计算机控制步进电机调节反射板8的水平位置，从而改变反射距离，最终计算机结合所获数据，绘制距离-声压分布图测量换能器的焦域，根据灵敏度公式计算换能器的灵敏度。

如图3所示，本发明还提供一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，包括以下步骤：

S1：水平驱动机构调节反射板8至初始位置，其中初始位置(即反射板距换能器的距离)应在换能器盲区之外；

S2：平面调节机构12调节反射板8与换能器7中心线垂直，即与其焦平面重合，当反射板8反射信号最大时，即可判断反射板8已经与换能器7中心线垂直；

S3：控制分析单元驱动换能器7激发超声波，具体为计算机驱动超声收发模块，对换能器激发并接收的反射回波进行采集处理；

S4：控制分析单元接收反射板8的反射回波进行数据处理；

S5：判断反射板8是否已到最终位置，若否，则水平驱动机构改变反射板8的水平位置，并返回执行步骤S3，若是，则完成扫查，绘制距离-声压分布图并测量焦域，执行步骤S6，其中确定焦域具体包括：根据距离-声压分布图，对声压最大处声压取3db带宽，即焦点位置处声压幅值一半的两点间间距，得到待测换能器的焦域；扫查过程控制的扫描模式为线性扫描，反射板8每次移动距离为等间距，可根据聚焦探头的不同尺寸选择不同的等移动间距，每次反射回波数据与丝杆10移动距离一一对应。

S6：控制分析单元控制水平驱动机构带动反射板8返回换能器7焦点位置(即声压最大位置)；

S7：控制分析单元计算换能器7灵敏度：

计算灵敏度的公式为：

其中，U_e为第一个回波的电压幅值，U_T为测量时换能器的激励电压幅值，n为脉冲回波放大的放大倍数，r为反射板的反射系数。

本实施例中，给出具体测量流程如下：

(1)通过平面调节机构12的驱动螺钉121，调节反射板8与换能器7同轴且平行，本实施例中换能器盲区为2cm，因此调节丝杆，使反射板8距换能器7的初始距离为2cm。

(2)计算机与超声收发模块连接并发送驱动信号，超声收发模块将驱动信号转化为150V瞬时脉冲驱动自聚焦超声换能器7，自聚焦超声换能器7激发超声波并接收反射板8的反射回波，反射回波经超声收发模块接收、放大后传输至示波器进行波形显示，其显示的波形如图4所示，最后计算机采集示波器信号数据，对反射回波最大幅值进行计算、保存。

(3)每次采集完示波器信号后计算机控制步进电机11带动丝杆10向右移动2mm，然后重复进行采集，并在扫查完成后，绘制距离-声压分布图，确定焦域，本实施例中换能器的距离-声压分布图如图5所示，可以得到其焦域为51-150mm，即范围为99mm。

(4)计算机再控制步进电机11带动丝杆10返回被测换能器的焦点位置，本实施例中为86mm处，最后通过灵敏度公式计算换能器7灵敏度，本实施例中，第一个回波的电压幅值U_e为0.49V，测量时换能器的激励电压幅值U_T为150V，回波放大器的放大倍数n为2000倍，反射板的反射系数r为0.85，计算可得灵敏度为-114.3db。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：水平驱动机构调节反射板(8)至初始位置；

S2：平面调节机构(12)调节反射板(8)与换能器(7)中心线垂直；

S3：控制分析单元驱动换能器(7)激发超声波；

S4：控制分析单元接收反射板(8)的反射回波进行数据处理；

S5：判断反射板(8)是否已到最终位置，若否，则水平驱动机构改变反射板(8)的水平位置，并返回执行步骤S3，若是，则完成扫查，绘制距离-声压分布图并确定焦域，执行步骤S6，所述的确定焦域具体包括：根据距离-声压分布图，对声压最大处声压取3db带宽，得到待测换能器的焦域，其中，扫查过程控制的扫描模式为线性扫描，所述的反射板(8)每次移动距离为等间距，且根据聚焦探头的不同尺寸选择不同的等移动间距，每次反射回波数据与丝杆(10)移动距离一一对应；

S6：控制分析单元控制水平驱动机构带动反射板(8)返回换能器(7)焦点位置；

S7：控制分析单元计算换能器(7)灵敏度；

计算灵敏度的公式为：

其中，U_e为第一个回波的电压幅值，U_T为测量时换能器的激励电压幅值，n为脉冲回波放大的放大倍数，r为反射板的反射系数；

实现该方法的装置包括二维机械运动单元以及控制分析单元，所述的二维机械运动单元包括相互对应设置的换能器组件和反射板组件，所述的换能器组件包括相互连接的换能器(7)和第二高度调节机构，所述的换能器(7)与控制分析单元连接，所述的反射板组件包括依次连接的水平驱动机构、第一高度调节机构、平面调节机构(12)和反射板(8)，所述的水平驱动机构与控制分析单元连接，用于控制反射板(8)沿水平方向移动，所述的平面调节机构(12)用于调节反射板(8)的水平角度，使其与换能器(7)同轴平行设置；

测量时，调节平面调节机构(12)，使反射板(8)与换能器(7)同轴且平行，所述的控制分析单元驱动换能器(7)发射超声波至反射板(8)，接收反射板(8)的反射回波，并对反射回波进行数据处理，所述的水平驱动机构调节反射板(8)与换能器(7)的距离，所述的控制分析单元根据不同反射距离下的反射回波，最终计算得到焦域和灵敏度的值。

2.根据权利要求1所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的控制分析单元包括相互连接的计算机、超声收发模块和示波器，所述的计算机与水平驱动机构连接，所述的超声收发模块与换能器(7)连接；

所述的计算机控制水平驱动机构调节反射板(8)的水平位置，并读取当前反射距离，所述的超声收发模块驱动换能器(7)激发超声波，接收反射板(8)的反射回波并传输至示波器，所述的示波器进行波形显示并将波形数据传输至计算机，所述的计算机利用接收的波形数据、反射距离和灵敏度计算公式，计算焦域和灵敏度。

3.根据权利要求1或2所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的第二高度调节机构包括第二垫高块(5)以及固定设置于第二垫高块(5)上的第二高度调节件(4)，所述的第二高度调节件(4)包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，所述的换能器(7)固定安装于第二高度调节件(4)的上顶板上。

4.根据权利要求1或2所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的水平驱动机构包括底板(1)以及相互连接的丝杆(10)和步进电机(11)，所述的底板(1)包括一体成型的水平板以及分别设置于水平板两侧的竖直板，所述的丝杆(10)的两端分别插设于两侧竖直板上，所述的第一高度调节机构安装于丝杆(10)上，所述的步进电机(11)与计算机连接。

5.根据权利要求4所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的第一高度调节机构包括设置于丝杆(10)上的第一垫高块(2)和以及固定设置于第一垫高块(2)上的第一高度调节件(3)，所述的第一高度调节件(3)包括相互连接的上顶板、X型调节杆和下底板，所述的平面调节机构(12)安装于第一高度调节件(3)的上顶板上。

6.根据权利要求5所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的平面调节机构(12)包括驱动螺钉(121)、调整弹簧(122)、锁定螺母(123)以及通过调整弹簧(122)相互连接的第一固定板(124)和第二固定板(125)，所述的第一固定板(124)通过第一固定台(9)安装于第一高度调节件(3)的上顶板，所述的反射板(8)通过锁定螺母(123)安装于第二固定板(125)上，所述的驱动螺钉(121)安装于第一固定板(124)上，用于控制第二固定板(125)和反射板(8)平面倾斜角度。

7.根据权利要求1所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的焦点位置为声压最大位置。

8.根据权利要求1所述的一种自聚焦超声换能器焦域与灵敏度测量方法，其特征在于，所述的初始位置设置于换能器盲区之外，步骤S2中，当控制分析单元接收到的反射回波信号最大时，判断反射板(8)与换能器(7)中心线垂直。

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