CN112673361A - 表征韧性膜、表面和表面下的性质的装置和方法 - Google Patents

Abstract

超声信号处理器使用激励发生器在将一系列超声脉冲施加至膜或表面的同时导致膜或表面的位移。检查发射信号与接收信号之间的相位差，以确定膜或表面响应于所施加的激励的运动。对膜或表面的相位响应的检查提供一种手段来确定膜或表面后的流体类型是非流体、血清液或脓液中的哪一种。

Description

表征韧性膜、表面和表面下的性质的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于表征(characterization)韧性膜、表面或表面下材料性质的任一种的设备。具体地，本发明涉及通过使用低频激励(如声激励)刺激表面或膜并利用较高频率的激励(如超声波)测量位移行为，对韧性膜、表面或表面下区域进行非接触式表征。

背景技术

传统上，韧性表面或膜的测量是通过施加外力来理解表面或膜对施加的力的反应来进行的。对于具有弹性表面或膜行为的情况，示例性表征可以描述为在一个短距离的运动范围的弹簧常数，而在一个方向上发生位移，然后在相反方向上发生非线性位移的情况下，对于有损系统，也可能会观察到滞后效应。膜与附近的液体或凝胶之间的关系涉及多种感兴趣的条件。在一种情况下，膜的韧性主导了测量，而膜附近的材料(如空气、流体或凝胶)的影响对测量没有影响，因为膜的特性主导了测量。在另一种情况下，膜为表面刺激提供了界面和挑战表面，并且使用该膜来测量膜附近的液体或凝胶的特性，而该膜不会改变所测量的特性，因为该膜非常紧密地耦合到表面和下方的流体，使得可以通过表面或膜对下方的流体进行位移而不会改变要测量的特性。在食品工业中，使用机械(搅拌桨)或其他方式广泛地进行了此类表征，以测量各种液体或半固体食品(如具有固化或培养时间的食品)的硬度或其他机械性能。例如，在食品科学的现有技术中，期望通过酸奶的机械特性来了解其何时已经达到特定的培养水平，而细菌的生长间隔可以根据先前的批次和所使用的固定间隔来确定。类似地，水果或蔬菜的成熟度可以通过其表面柔软度、弹性或其他机械性质来确定，这可以通过施加足以产生可测量的挠度或可以在水果或蔬菜的整个表面上引起表面波或剪切波的较小力，并测量响应于该表面力的微小的表面或表面下挠度来执行。

因此，期望使用应用于要表征的食品的表面的非接触式测量方法来测量食品的机械性能。

在医学领域，可能期望测量皮肤表面、可移动膜或器官表面的弹性。在一个示例中，可以通过使用接触或光学方法来测量眼球，以确定在施加空气团(air puff)时的挠度。在现有技术中，可以将眼睛的光学反射率特性测量为挠度与施加力的关系。但是，眼睛的光学界面和各种下方结构可能具有带有运动限制的分辨率，这是光学测量系统具有光学透明结构特性的结果，其中预期的目标(如角膜)和周围结构(如眼晶状体和玻璃体液)具有相似的光学特性，因此很难彼此分辨。期望使用遥感和远程询问，例如通过空气，来测量眼睛或其他器官的表面的弹性。

超声测量通常使用液体介质作为耦合流体来执行，以使超声能量作为行进的声波从换能器通过流体传播，从而产生来自目标界面的反射超声能量，该目标界面根据耦合流体与目标之间的传输阻抗不匹配而具有不同的声波折射率。由于传统上需要在换能器与目标之间有耦合流体，因此无法将超声用于非接触位移测量来分辨毫米(mm)和亚毫米范围级的距离。

期望有一种通过对位移进行遥感并结合施加表面刺激物来对表面进行非接触式表面表征的方法。进一步期望使用空气作为刺激和测量的介质，而不由刺激物或测量装置直接接触表面或膜。

发明目的

本发明的第一目的是一种装置和方法，其用于生成脉冲式机械刺激以供施加至表面或膜，该机械刺激与通过检查所反射的超声信号进行的对表面或膜的刺激响应的超声测量相结合；以及表征所反射的响应来确定表面或膜的机械性质。

本发明的第二目的是通过检查从表面、表面下或膜反射的超声信号来测量表面、表面下或膜的韧性和弹性。

本发明的第三目的是一种装置和方法，其用于向食品施加力，该力生成具有时间响应的表面或膜挠度，包括剪切波或表面波，该表面或膜挠度的特征在于从表面或膜反射的超声信号中的相位或振幅变化。

本发明的第四目的通过施加非接触位移力来表征实质上均质的流体的弹性或粘度，以及通过测量从施加于流体表面的发射超声反射的超声的相位或振幅来表征对非接触位移力的响应。

本发明的第五目的是一种用于测量动物或人类器官的弹性的装置和方法，由此向器官如人眼施加空气团以执行眼压测定并测量器官的响应，其中与连续波(CW)超声询问或一系列脉冲超声询问中施加的超声能量的相位相比，在从空气团作用下放松的响应时间内器官的空气团响应导致所反射的超声能量的特征性相位变化。

发明内容

本发明可以采用超声换能器，如电容式微机械超声换能器(cMUT)，其提供具有薄隔膜的隔膜结构，该薄隔膜提供与用于通过空气传播来自隔膜位移的超声能量的气态介质的良好阻抗匹配。因此，cMUT适合于通过空气进行耦合，并且适合于在诸如基材上的平面二维六角形堆积阵列中复制，以用于生成具有期望的空间特性和横向范围的平面波。在一个示例性实施方式中，任选在膜的原表面上的材料的特征可以在于诸如通过空气团来施加脉冲式挑战位移力，其中超声换能器测量所述膜或表面的动态位移特性。在一个示例中，所述膜透明地为要表征的材料提供物理屏障，因此不会显著改变超声换能器观察到的材料性质。所述超声换能器通过诸如空气的介质向要表征的表面或膜发射和接收超声能量，当相对低频的激励源耦合到所述表面或膜时，所述超声换能器在一定间隔内工作。在超声发射器以CW形式或脉冲形式将声波超声能量传递到所述表面或膜的同时，所述低频激励源造成在一定间隔内所述表面或膜的细微运动。从所述表面或膜反射的超声波的接收器将所述表面或膜的位移测量为与发射频率相比所接收信号中的相位变化，从而指示所述表面或膜的时间位移。如通过响应于耦合到所述表面或膜的气动激励的反射超声的相移测量的对所述表面或膜的时间位移的分析，结合与所述时间位移的比较或者与对所述表面或膜的激励刺激与来自所述表面或膜的超声响应之间的响应延迟和振幅相关的模板或度量，可用于确定所述表面或膜的机械特性。所测量的机械特性可以包括韧性、弹性或硬度。以这种方式，可以确定在所述表面或膜下方的流体的所述机械性质的非接触式测量。

本公开内容的方面提供了一种非接触式表征系统。非接触式表征系统可以包括激励发生器，其生成导向要表征的远程物体的非接触位移力。非接触式表征系统可以包括将超声能量导向远程物体的超声换能器；耦合至所述超声换能器的发射波形发生器。非接触式表征系统可以包括耦合至所述超声换能器并接收从远程物体反射的超声能量的接收信号处理器，所述接收信号处理器将所接收的超声信号的振幅或相位与由所述发射波形发生器形成的发射信号相比较，所述接收信号处理器由此形成对响应于所述非接触位移力的远程物体位移的估计。

所述激励发生器可以形成导向远程物体的空气团。所述空气团可以含有非氧化气体。所述非氧化气体可以是氮气、氩气、CO2、氦气的至少一种。所述超声换能器可以是电容式微机械超声换能器(cMUT)。所述发射信号发生器可以是在所述超声换能器发射频率的基波频率或谐波频率下工作的连续波(CW)或脉冲信号发生器。所述接收信号处理器可以执行所述接收信号的基带解调，并根据一系列相位估计形成位移估计，每个相位估计均根据所述接收信号与所述发射信号相比的相位位移确定。所述一系列相位估计可以形成弹性量度。

本公开内容的另一方面提供了一种用于对弹性表面进行非接触式测量的方法。可以提供非接触力事件。所述激励发生器可以向要表征的表面或与所述表面相邻的材料体积提供非接触力。可以针对每个施加的激励发生器非接触力事件形成一系列位移测量。超声能量可以从换能器导向要表征的表面或相邻的材料体积。所述换能器可以从要表征的表面或体积接收反射的超声能量。可以将所发射的超声能量的相位与所接收的超声能量进行比较以形成位移估计。可以使用多次所述位移测量来估计弹性或粘度。

所述激励发生器的非接触力可以是从喷嘴释放的空气团，其被导向要表征的材料上的表面或材料表面。所述空气团可以是惰性气体，包括氮气、氩气、CO2或氦气的至少一种。

所述换能器可以是cMUT或压电换能器的至少一种。引导的超声能量可以是发射换能器上的连续波(CW)超声能量。将所发射的超声能量的相位与所接收的超声能量进行比较可以形成相位位移，所述相位位移可以转换成要测量材料的非接触式位移。对弹性或粘度的估计可以通过将一系列测量的相位位移与一系列模板测量(a template series ofmeasurements)相比较来执行。对弹性或粘度的估计可以通过与所述激励源的上升时间或下降时间相比，检查位移的上升时间或下降时间来执行。

所述激励可以是阶跃或脉冲压力。对弹性或粘度的估计可以通过检查衰荡特性(ringdown characteristic)来执行。所述衰荡特性可以是指数衰减时间或衰减周期(ringcycle)间隔或频率的至少一种。所述激励可以作为表面波、剪切波或表面波和剪切波的组合传播至要表征的表面或体积。

所述要表征的表面或体积可以包括在流体上方的膜。所述要表征的表面或体积可以包括具有弹性或粘度的流体。所述要表征的表面或体积可以包括动物或人类。

本公开内容的另一方面可以提供一种非接触式材料表征系统。所述非接触式材料表征系统可以包括激励发生器。所述激励发生器可以被配置为生成非接触位移力，所述非接触位移力被导向弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积。所述非接触式材料表征系统可以包括超声换能器。所述超声换能器可以被配置为将发射信号导向所述表面或所述体积。所述超声换能器可以被配置为从所述表面或所述体积接收反射的多普勒超声信号。所述非接触式材料表征系统可以包括与所述超声换能器耦合的处理器。所述处理器可以被配置为确定所述表面或所述体积响应于所述非接触位移力的位移和所反射的多普勒超声信号。

所述处理器可以被配置为通过将所反射的多普勒超声信号的振幅或相位的至少一种与所述发射信号的振幅或相位的至少一种进行比较来确定所述位移。由所述激励发生器生成的所述非接触位移力包括空气团。所述激励发生器可以被配置为生成频率为至少20Hz的非接触位移力。由所述激励发生器生成的所述非接触位移力包括脉冲激励。所述超声换能器可以包括电容式微机械超声换能器(cMUT)或压电换能器。

所述非接触式材料表征系统可以包括与所述超声换能器耦合的波形发生器。所述波形发生器可以包括连续波(CW)或脉冲信号发生器。所述波形发生器可以以所述发射信号的频率的基波或谐波工作。

所述处理器可以被配置为通过执行所反射的多普勒信号的相位与所发射信号的相位的一系列比较来确定所述位移。所述处理器被进一步配置为执行所反射的多普勒信号的基带解调。所述处理器可以被配置为基于所述系列相位估计来确定所述弹性表面或体积的弹性或粘度的至少一种。所述处理器可以被配置为基于所确定的位移来确定所述弹性表面或体积的弹性或粘度的至少一种。

本公开内容的另一方面提供了一种用于对弹性表面进行测量的方法。非接触位移力可以被提供至所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积(步骤(a))。超声能量可以从换能器传输至所述表面或与所述弹性表面相邻的体积(步骤(b))。反射的多普勒超声信号可以在所述换能器处被接收(步骤(c))。可以将所发射的超声能量的振幅或相位的至少一种与所反射的多普勒超声信号的振幅或相位的至少一种进行比较，以形成位移测量(步骤(d))。可以响应于所述非接触位移力从所述位移测量计算弹性或粘度。

将所述非接触力提供给所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积可包括将空气团导向所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积。所述非接触位移力可以包括脉冲激励。所述换能器可以包括电容式微机械超声换能器(cMUT)或压电换能器。传输所述超声能量可以包括传输连续波(CW)超声能量。

所述方法可以包括重复步骤(a)至(d)以执行一系列位移测量，以及将所述一系列位移测量与已知材料的一系列模板位移测量进行比较。计算所述弹性或粘度可以包括将所述位移测量的上升时间或下降时间与所述非接触位移力的上升时间或下降时间进行比较。

提供所述非接触力可以包括提供阶跃或脉冲压力。计算所述弹性或粘度可以包括分析所反射的多普勒超声信号的衰荡特性。所述衰荡特性可以包括指数衰减时间、衰减周期间隔或衰减周期频率的至少一种。

所述非接触位移力可以作为表面波或剪切波的至少一种传播至所述表面或所述体积。所述表面或所述体积可以包括在流体上方的膜。所述弹性表面可以包括动物或人类的组织。所述弹性表面可以包括固体或半固体的食品。所述非接触位移力可以以至少20Hz的频率提供。

附图说明

本发明的新颖特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述以及附图，将获取对本发明的特征和优点的更好的理解。在这些附图中：

图1是用于估计表面或膜的特性的信号处理器系统的框图。

图2是类似图1的框图，其中信号处理器直接对接收到的超声回波进行操作。

图3示出了图1的系统的波形。

图4A示出了施加到可变形表面或膜的正弦激励以及具有相位延迟和振幅水平的反射响应信号的图。

图4B示出了施加到可变形表面或膜上的阶跃激励以及具有相位延迟和振幅水平的对阶跃激励的响应的图。

图4C-1示出了产生大于+/-180°的相移的正弦表面或膜位移的图。

图4C-2示出了具有从图4C-1的大相移卷叠的相位的采集数据。

图4C-3示出了来自图4C-2的展开相位估计的图。

图5示出了CW信号处理器，用于响应激励发生器连续询问膜或表面或膜。

图6示出了图5的CW系统的波形。

图7A是正弦激励源和相关的膜或表面或膜位移响应的图。

图7B是阶跃激励源和相关的膜或表面或膜位移响应的图。

具体实施方式

图1示出了用于非接触式的空气耦合表面、表面下或膜表征系统的示例实施方式的信号处理器。表面150可以是具有弹性特性的膜或可压缩表面。通过来自超声换能器160的超声束128询问表面150，超声换能器160任选地安装在所施加的非接触力(例如通过软管122输送到喷嘴124的气态团，如空气团)的源附近，或者通过用于向膜或表面提供非接触压力刺激以便可以观察到膜或表面对非接触力的响应的其他方式来询问表面150。喷嘴124可以耦合到内部容积，该内部容积允许将来自表面激励发生器120的动态压力通过软管122耦合到表面150，在此处空气压力导致表面150的位移。该位移还可以由压力差导致，使得膜或表面的一侧暂时大于或小于另一侧，并且在压差之后表征的表面或膜响应处于稳定状态。激励发生器120可以生成耦合到表面150的静态或动态压力变化。如上所述，激励发生器120可以产生用于表面位移的任何合适的静态或动态压力调制，包括低于20Hz的次音频，20Hz至20KHz的音频，或20KHz以上的超音频。由激励发生器生成的压力激励的性质可以是脉冲阶跃或三角形(脉冲)生成、正弦压力激励、方波激励或这些的任意组合，并且该激励可以是门控脉冲串或连续的。可以在有或没有静态正或负压力偏压的情况下提供压力激励。压力喷嘴124还具有相邻的超声换能器160，超声换能器160具有耦合到发射接收开关118的电引线162和164。超声换能器160生成被导向表面150的中心区域的超声束128。控制器148产生各种通过信号处理器100分配的控制信号。系统参考时钟110可以从时间上稳定的时钟源获得，并且参考时钟110也可以用于接收信号的解调。系统参考时钟110耦合到发射波形发生器112，发射波形发生器112生成在换能器160的中心频率处或附近的脉冲列，发射换能器接口114在耦合到发射/接收开关118之前执行电压电平移位和任何所需的放大，其通过引线162和164将波形从发射接口114耦合到超声换能器160。超声换能器160生成束128中的超声能量并将其导向表面150。从表面150反射的能量通过引线162和164从换能器160耦合回到发射/接收开关118，在此将其导向接收前置放大器116，后者放大信号电平并使用频率滤波功能去除信号的带外频率分量，从而分离信号，并且任选地通过来自控制器148的增益控制输入来提供自动增益控制。接收前置放大器116的输出被施加到正交混频器140和142，其中时钟发生器110的正交时钟以超声发射频率生成正交输出，该正交输出包括I(同相)基带通道和Q(正交或90度分离的)基带通道，它们耦合到相同的低通滤波器136和138，低通滤波器136和138具有各自的模数转换器132和134，模数转换器132和134的输出存储在数据缓冲区144中，每个I和Q通道一个数据缓冲区。还可以随时间提供多门样本，以便如果目标移出特定门的范围，则系统可以自适应地使用与后续深度相关的样本。例如，对于2MHz的换能器中心频率，0.33mm/μs c/f的超声传播速度＝170ns，在2MHz处的8个周期的脉冲串将是4μs，ct/2＝2μs的1/3＝600u。如果将窥镜调整1mm，则信号将离开TM显示为峰值信号的位置，如果TM移动0.5mm(仅是所期望的扰动范围的2倍)可以移至样本体积的边缘。应当包括多个相邻的样本体积，以利用相邻信号样本的I&Q使用各种样本的最大反射振幅。设置施加于前置放大器116的增益控制，以将I和Q信号置于A/D转换器132和134的最佳转换器范围内。当以这种方式将接收信号与参考时钟混合时，每个发射脉冲都会生成根据在特定深度的距离选通样本的单个相位值，并且在一系列发射事件中，该相位差的序列被相位和振幅分析器146用于估计表面150的时间位移。在本发明的一个实施方式中，在发射间隔期间耦合到换能器的发射时钟是从系统时钟110衍生的，系统时钟110基本上在换能器的中心频率上。在相位和振幅分析器146主要检查返回信号的相位的示例实施方式中，系统时钟以发射速率在接收间隔期间向正交混频器140和142提供同步时钟，以将接收信号相位与系统时钟(以原始发射频率)进行比较，从而在发射脉冲与反射脉冲之间生成相位差。基于声波的波长和测得的相位值，可以在接收信号的一个或多个周期内比较该相位值，以建立该特定接收间隔的平均相位值，然后将来自每个接收间隔的每个相位值进行组合，以提供连续的一系列离散的表面150位移估计。在另一个示例实施方式中，相位和/或振幅分析器146可以对接收到的信号的振幅进行操作，可以对接收到的信号的振幅进行分析以提供关于从数据(例如从信噪比度量)得到的相位估计的质量的信息，或者可以分析信号的振幅以提供诸如db/MHz-cm衰减的度量，或者基于响应于激励发生器提供的瞬时压力扰动从表面反射的超声能量，振幅分布图可以提供弹性度量，该弹性度量指示弹性或其他表面特性。通常，弹性度量是来自提供给振幅和相位分析器146的数据的任何相位或振幅衍生的度量，该度量提供表面弹性的测量，其中迁移率优先与表面150的弹性相关。生成激励122的控制器148还读取激励发生器120活动期间的相位和振幅分析器146的输出，以及任选的反射信号的振幅，以得出表面150对通过耦合头124提供的气动激励的时间响应。如前所述，气动激励可以是任何次音频、音频或超音频频率或脉冲。

图2示出了图1的信号处理器的替代实施方式，其中信号处理器对来自换能器的RF信号进行直接采样，而不是对RF信号的基带使用正交混合。系统时钟210生成发射时钟，该发射时钟耦合到发射波形发生器112。发射波形发生器112、发射换能器接口114、发射接收开关118、接收前置放大器116、表面激励源120和换能器160的操作如之前针对图1所述。与之前一样，接收前置放大器116可以是增益可控的，其增益由控制器248确定以将RF信号置于最佳A/D转换器232范围内。接收前置放大器116的输出被导向带通滤波器236，用于减小施加到ADC 232的噪声带宽，ADC 232以比所施加的信号至少快两倍的奈奎斯特(Nyquist)速率采样。对于1.5MHz的换能器160的情况，奈奎斯特采样率是至少3MHz加上与换能器160的带宽相关的裙部衰减，这在信号采样领域中被称为奈奎斯特采样准则。ADC 232的单通道输出被施加到数据缓冲区244，并且信号分析器246检查缓冲的信号中的相移以确定RF信号的相变，从而辨别表面的运动。用于形成相位测量的相位测量序列可以是一系列测量，这些测量经过反时加权以增加最近获取的测量的效果，或者可以在相位样本窗口内均匀加权。将加权系数应用于窗口内的测量流可以提供良好的噪声抑制特性，并且可以选择加权来偏向激励源带宽中的信号，以过滤并减少超出激励源带宽的噪声影响。

图3示出了图1的超声处理器的示例操作。在脉冲RF模式下，发射/接收事件在一系列重复的询问间隔340期间以一系列相位值的形式提供对表面位置的估计，每个询问间隔提供单个相位值。系统时钟波形302连续操作，并由图1的系统时钟发生器110提供。事件间隔340的持续时间由从换能器160到表面130再返回到图1的换能器160的飞行时间确定。超声波在空气中的传播速度为330m/s(0.33mm/μs)。因此，对于1.5MHz的传感器，该行进波在空气中的所得波长为0.22mm。这样，每个方向上10mm的超声信号的总飞行时间为60μs，因此在这种情况下，持续时间340可能不少于60μs。发射脉冲在反射后作为接收信号返回的该飞行时间间隔在图3中显示为间隔343。飞行时间为脉冲重复频率(PRF)提供了上限，对应于发射间隔与接收间隔之和。对于此示例，中心频率为1.5MHz的换能器在空气中行进的波长为220u。表面的位移将导致从换能器到表面的路径缩短，并且从表面回到换能器的反射信号将以相移返回。因此，相位和振幅分析器观察到与基准相位偏移相比，发射时钟与接收信号之间的180度相位偏移的情况将对应于表面的55μm位移。用于传输较长脉冲列的传输间隔342提供了接收信号相位的改善的信噪比，并且还将飞行返回时间延长了传输脉冲流的持续时间342，但是以降低的轴向分辨率为代价，这对于离散运动目标(例如表面)的情况可能是期望的。对于1.5MHz的10个周期的流，发射间隔342为6.6μs，并且为了来自先前发射脉冲串的反射信号不干扰新的发射脉冲串，最大间隔340为66.6μs，这意味着脉冲重复频率(PRF)为15KHz或更小。在一种限制的情况下，即表面距离30μs的单程飞行时间，并且大部分信号能量反射都在表面(后面有流体)的空气/流体界面处并从表面以外的结构反射的信号能量最小时，最短的重复周期时间是30μs(最大发射脉冲串长度)+30μs(外出飞行时间)+30μs(返回飞行时间)。在这种理想情况下，换能器在重复周期的t＝0处开始发射。在t＝30μs时，发射能量的第一个周期到达表面，与此同时，换能器正在完成发射最后一个发射脉冲串。在t＝60μs时，第一个反射周期到达换能器并且最后一个周期的脉冲串从表面反射，而在t＝90μs时，最后一个周期的脉冲串已到达换能器。在实际的超声系统中，PRF将低得多，以解决所需的多径反射能量衰减，该衰减将与表面反射混合。在CW系统中，使用单独的发射和接收换能器，并且当要测量的表面的信号能量主导返回的多普勒信号能量时，可以忽略多径考虑。根据反射信号能量的性质，在某些情况下系统可能最好以CW模式操作，而在另一些情况下最好以脉冲模式操作。对于脉冲模式，可以使用几种参数更改来改善SNR，包括使用较短或较长的发射RF能量脉冲串(图3的307)，这些脉冲串匹配对激励具有相干响应的隔膜或流体的空间范围，例如，通过沿同一方向移动，因为当返回声能的样本体积沿相同方向移动时，将提供具有更好SNR的更强反射信号。可替代地，可以使用具有与在相同方向上移动的隔膜或流体区域匹配的空间范围的短发射脉冲串307，并且可以连续地分别对反射信号的每个区域进行距离选通或采样以区分一个区域的运动或位移与另一区域的运动或位移，从而分别处理每个反射区域。这在膜或表面移入一个采样区域的范围而移出另一采样区域的范围(例如，由图3的波形311/313表示的空间范围)时也可以提供优势。或者，可以提供许多周期的发射能量来提高每次测量的相位精度，特别是在存在清晰的表面反射边界并且大部分信号能量从表面反射的情况下。决定PRF的合并的发射间隔和接收间隔可以在50μs至1ms或更大的重复周期范围内。例如，由于可能发生多径反射，因此可能最好减小最大PRF，以减小来自发射事件的、比当前间隔340更早的超声反射的影响。对于0.33mm/μs的超声波传播速度，当从换能器到表面的间隔为15mm时，往返超声路径需要约90μs，而如果从换能器到表面的间隔距离为20mm，则往返路径需要约120μs。例如，对于20mm的间隔距离，在1.5MHz处15个周期的发射脉冲串长度将增加10μs，并为多径反射增加20μs的建立时间将导致间隔340为150μs，对应的PRF为约6.67KHz。换能器波形306示出了发射波形307，其包括在发射间隔342期间的偏置和振幅校正，以及来自表面的减小的振幅接收信号309。所接收的信号309还包括来自系统时钟的相位变化形式的表面位移的影响，必须从可能存在的任何静态相位值中减去该相位变化。在低通滤波之后，混频器I和Q输出分别显示为波形308和310。每个66μs周期提供一个相位估计值，可以使用I和Q输出在极坐标中考虑该值。其实现方式可以是通过使用距离选通来选择与包含来自表面的反射的区域相对应的飞行时间间隔，以从发射事件中获得指示特定样本的表面的瞬时相位的每个样本。针对I和Q波形308和310，将RX间隔344中的每个获取值平均化或在与表面反射响应相对应的时间区域上进行时间滤波，以得到分别表示为311和313的平均相位估计。一系列这样的相位估计被保存，这些估计中的每一个跨越Rx间隔344的范围，并且该范围对应于来自特定深度的反射。跨越多个数据采集Rx间隔344，将IQ的样本级联以构建描述表面或表面下运动的时间系列，因为随着时间的相位变化归因于距换能器的距离的变化。收集一系列的这些采样值，并将其与表面激励波形进行比较，用于形成对特定激励波形的表面的表征。

图4A示出了施加到表面的示例正弦激励，例如使用音圈隔膜施加的正弦波形321，其使移动的体积足以将膜或表面的局部区域的压力调制100daPa(十帕)p-p。次音频(<20Hz)可能需要密封激励表面周围的局部区域，而音频(20Hz-20kHz)和超音频(>20kHz)可以作为声波充分传播而无需密封表面区域。正弦压力激励321导致表面位移的调制，如相位图332所示，因为表面位置的调制对应于返回信号的相位变化。波形332的每个离散圆代表采样点，例如I 311和Q 313的平均值的极性转换。在本发明的一个示例实施方式中，施加一系列正弦调制激励321频率，每个频率具有不同的时段322，并且响应的延迟330和峰值相位振幅被组合使用以估计弹性的韧性，或其他表面或本体流体性质。由于1.5MHz发射脉冲的每个360度相位变化都对应于λ/2＝0.11mm，因此，如图332所示，总的+/-180度相位变化将对应于表面的0.11mm峰到峰位移。如图332所示，通过施加具有各种周期时间322的一系列音频和次音频音并测量相位响应330，可以估计表面后的流体的特性，例如粘度或弹性。例如，与流体的改变的密度或粘度相关的示例性弹性度量测量可以是表面或膜响应时间的相关变化。以这种方式，可以使用一系列激励321并测量一系列表面响应332来做出表面的频域响应。

图4C-1、图4C-2和图4C-3系列显示了当接收信号相位超过λ/2(180°，对应于λ/4表面位移)时重构表面位移的效果。图4C-1示出了具有超过λ/2(180°)的与位移相关的相位偏移的接收信号430。由于大于180°的相位偏移卷叠到-180°，因此图4C-2的一系列样本卷叠并产生所示的一系列样本，其中包含具有各个段432、434、436、438和440的样本。如果使用的高采样率超过了奈奎斯特采样率，则可以如图4C-3所示“展开”样本，以提供原始相位信息。这些技术在多普勒信号重建的现有技术中是众所周知的。

图4A显示了可以在一系列这样的激励中提供的正弦激励，用于根据一系列测量生成表面位移的相位-频率响应图，图4B显示了等效于图4A的时域阶跃响应，其中将50daPa峰值的表面阶跃压力激励362施加到表面或膜上，这生成来自表面的返回信号的相位响应372。类似地，可以基于时间延迟374和相位响应图372的振幅响应(显示为180度)来表征表面响应，对应于0.11/2mm的位移。在图4C-1、图4C-2、图4C-3的系列中描述的相位展开技术可以类似地应用于图4B的波形372的样本，以重构超过+/-180°的相移。

图2的信号处理以与针对图3所述类似的方式操作，不同之处在于直接对由换能器观察到的反射306进行采样并将其与参考时钟进行比较，以确定与表面运动相关的相位变化，例如，通过在接收信号平均时间内将参考时钟与接收信号相乘，并在接收信号的持续时间内对该值进行积分，以估算一个接收间隔的相位值。以类似的方式，这将导致由激励源321与表面相互作用而产生响应波形332，如图4A所述，或者由激励源362与表面相互作用产生响应波形372。在表征表面界面的本发明的一个示例实施方式中，可操作相位分析器146或信号分析器246以检测I或Q通道的最大振幅或由IQ生成的最大矢量大小，并将具有该较大信号响应的区域关联为要表征的表面，随后对该区域进行采样以形成相位偏移的估计，可以据此估计位移。

图5示出了用于CW操作的本发明的另一实施方式。图5的信号处理器的操作方式与图1相同，并且具有与图1相同的框图描述，不同之处在于发射接口114通过导线502/504直接耦合到发射换能器524并生成发射束526，它在表面上与接收转换器530的接收束轮廓528相重合，后者使用导线506/508将接收信号传输到接收放大器116，在此进行信号处理，如先前针对图1所述，然而，图5的系统连续地工作，其中发射器连续地发射，并且接收器基带信号被连续地接收。该操作对于检测超过图3中描述的脉冲发射配置的信号带宽是有利的。因为CW发射信号导致接收混频器140和142处的直立DC偏移，所以期望在发射元件524与接收元件530之间提供电子隔离。对于CW处理的情况，低通滤波器570和572可以设置为发射时钟速率一半的奈奎斯特速率(Ftx/2)，或者可以将其设置为在测量过程中预期的最高响应频率，不要超过Ftx/2。使低通滤波器570和572的带宽与信号带宽相匹配的优点是减少了带外噪声频率贡献带来的多余噪声。

图1、图2和图5的系统可能需要在膜的声化表面上将超声收发器的辐射图案(图1和图2的128，图5的526)可视化，使得被表征的声透射区域可以容易地在视觉上鉴别。可以添加光学照明系统(例如准直的LED、激光或其他光束源)以指示系统正在检查的区域和特性，例如通过添加与图1的辐射图案128和图5的辐射图案526会聚或共线的光源。

图6示出了图5的基带CW系统的波形图。系统时钟110、发射波形发生器112和发射换能器接口114生成图6的DC偏置的换能器CW信号波形602，该波形被施加到图5的发射换能器524，并且图5的接收换能器530生成图6的接收信号608。cMUT换能器可能需要DC偏置，而压电换能器则不需要DC偏置。I和Q通道低通滤波器136和138的输出分别显示为波形614和616。先前描述的相位展开技术也可以应用于这些波形，其中检测到的相位跨过+/-180°边界并卷叠到相反的边界。

图7A和图7B示出了激励702的CW输出714，并且由于图5的CW系统不受图2和图3所示的脉冲多普勒系统的基带奈奎斯特采样限制，所以不存在图4A和图4B的采样点332和372，前提是以足够高的速率对混频器输出进行采样以满足混频器输出处的相位变化的奈奎斯特准则。

图1和图2的130和图5A的524和530的换能器类型可以是电容性微机械超声换能器(cMUT)或例如由压电材料PZT形成的压电换能器。

信号处理器的示例实施方式已经示出了图1和图2的脉冲多普勒系统以及图5的CW多普勒系统的实施方式。如图2所示，可以使用直接RF采样来实践这些系统中的每一个，其中可操作带通滤波器将系统的噪声带宽降低到

通常表示为纳伏/根赫兹(nanovolts per root hertz)，其中

K是玻尔兹曼常数1.38*10^-23；

T是系统温度，假定为300°K；

B是采样信号的带宽(是图2的带通滤波器236的带宽，或者是图1和图5的低通滤波器136/138的带宽)；

而R是生成约翰逊噪声的电阻，通常为50欧姆。

在理想的系统中，约翰逊噪声由图1的换能器160和前置放大器120生成，并且该噪声受到频率限制，以减少其对系统测量的影响。50欧姆系统的本底噪声为

通常来说，与图2的带通滤波器236相比，对诸如图1的低通滤波器136和138的基带信号执行窄带滤波更容易。例如，用于1.5MHz系统的一阶带通滤波器236可能具有1MHz的3db带宽，而所需的信号含量低于1KHz，这很难合并到带通滤波器236中，却轻松地合并到低通滤波器136中。因此，用于1KHz基带系统的样本本底噪声为28nV rms，而具有相同信号能量的1MHz带宽直接采样系统将高出30倍，即900nV rms。系统的噪声因子(通常由接收链中的前几个元素决定)是单独管理的，因为它将通过噪声因子来缩放本底噪声，因此6dB的噪声因子将是上述rms本底噪声值的两倍左右。

本发明可以以许多不同方式实践。在一个实施方式中，相位和振幅分析器产生弹性度量，该弹性度量是对来自表面的超声反射的相位测量序列以及由表面激励源造成的表面位移的表征。从表面的响应得出的弹性度量可以提供对几种不同现象的指示。弹性度量可以指示与膜相邻的表面是具有气态边界(在这种情况下反射是来自膜本身)还是流体边界(在这种情况下反射既是来自膜又来自与膜相邻的流体)。对于表征膜流体边界后面的流体的情况，弹性度量可以指示流体的程度或特性，或者可以提供一种手段来测量具有或没有响应滞后的弹性流体的特性，该滞后会导致流体在位移响应中具有偏移或“记忆”，从而一个方向上的响应行为与相反方向上的响应行为相似，但这仅在行进了特定的位移距离之后才发生。对于滞后响应，可能有必要在与系统滞后相关的特定测得位移之后表征响应的线性行为。可以根据表面或膜对表面激励的特征响应和反射的超声表征来确定流体弹性度量。

为了清楚理解本发明，以框图形式示出了系统的组件。应当理解，本发明的物理组件可以位于任何地方，包括邻近要测量的表面或与该表面有的任何距离。为了清楚并示出本发明的一个示例，示出了元件相对于要测量的表面或膜的特定布置。

激励发生器可以是由操作员操纵以向膜或表面施加力的气囊，产生交替压力、阶跃压力或空气团的空气位移发生器。激励发生器的输出可以密封到表面的周围区域或不密封，并使用诸如大气或其他合适气体之类的气体团。

表面挠度的估计可以从速度、加速度或与随时间的挠度相关联的任何其他度量的测量估计中得出。在本发明的一个示例中，激励是具有上升沿、下降沿或脉冲激励的阶跃或脉冲响应，其包括大于系统的预期响应频率的分解频率成分，并且对弹性或粘度的估计是通过检查衰荡特性来执行。在本发明的另一示例中，衰荡特性包括指数衰减时间或衰减周期间隔或频率中的至少一个，诸如将响应分解成衰荡特性，例如：

φ(t)＝e^-t/τcos(2π∫t)

其中：

φ(t)是一系列测量的捕获相位；

τ是指数衰减系数；

f是衰减周期频率；并且

t是时间。

在非接触式弹性测量的一个示例中，激励发生器是通过喷嘴导向膜表面的空气团，该膜具有待表征的下方液体。液体可以是半固体食品，例如酸奶、奶酪或其他发酵食品，并且弹性测量可以提供对发酵完成或其他时间依赖性过程的测量。

在本发明的另一个示例中，激励发生器是耦合到正在发酵或固化的半固体食品(例如使用细菌或其他时间依赖性过程的食品)的表面的空气团，并且超声换能器周期性地从超声发射事件中接收反射信号，在该过程中，将在空气团激励后的食品松弛期间接收的振幅或相位与原始发射信号进行比较，以表征食品的时间依赖性位移特性，从而响应于激励，基于松弛时间变化得出弹性或其他物理特性。

在本发明的另一个示例中，激励发生器将脉冲压力施加到诸如蔬菜或水果的食品的表面，施加到食品的超声能量被反射并表征以测量水果或蔬菜的时间依赖性的表面响应，由此在表面松弛时间内使用反射的相位或振幅响应来确定可能与水果或蔬菜的成熟度相关的弹性或其他物理性质。在本发明的一个示例中，可以将食品放置在保持器中，并且用诸如空气的气体团激励表面，该表面的挠度响应用于估计成熟度或其他性质。在本发明的另一示例中，激励可以是气体，该气体以超音速和/或掠射角传送到食品的表面，或者可以将一种或多种食品放置在具有可变压力的腔室中以测量低频表面对压力的响应，例如挠度与压力的关系。在本发明的另一方面，可以将激励施加到一个表面，并且可以在同一物品的不同表面上测量响应，例如对行进穿过被表征的物品的传播的表面波或剪切波的测量。

在本发明的另一个示例中，在将超声能量施加到眼睛的间隔期间，激励发生器将脉冲压力施加到诸如眼睛的动物或人体器官，在施加非接触性激励期间或在去除非接触性激励后反射的超声的相位变化指示弹性，该弹性可能与用于测量或诊断青光眼的眼内压有关。

在本发明的另一个示例中，激励可以是空气团，包含氮气(N2)或其他非反应性气体(例如氩气、二氧化碳(CO2)、氦气(He))或防止要表征的表面膜氧化的惰性气体。对于这些可选气体，声波速度与空气速度相比将具有不同的值。

在本发明的另一示例中，超声换能器由多个膜表面形成，所述多个膜表面各自由发射电压波形静电激励以引起膜表面形成并发射声波，例如电容微机械超声传感器(CMUT)。施加的电压波形还可包括用于将膜表面定位在期望的运动范围内的直流(DC)分量，而施加的电压波形的交流(AC)分量可提供膜的运动以生成超声能量。

在本发明的另一示例中，超声换能器可以是陶瓷压电换能器，其基于施加的电压改变机械形状。

本发明的各个方面可以如下所述实践：

一种信号处理器，用于检测表面后方的空气或流体并进一步估计所存在的流体的弹性量度，所述信号处理器包括：

超声换能器，用于将超声能量耦合至表面；

激励发生器，其产生耦合至要测量的表面的次音频、音频或超音频激励，以引起表面中的可测量的挠度；

发射器，其在发射间隔期间耦合至所述超声换能器；

接收器，其在所述发射间隔之后的接收间隔期间耦合至所述超声换能器；

相位和/或振幅分析器，其将所述发射间隔的发射信号的相位与所述接收间隔期间的接收信号的相位和/或振幅进行比较，以估计表面挠度；

信号处理器，其通过将所述表面挠度与所述激励发生器的输出进行比较，从所述相位和振幅分析器得出量度；

所述弹性量度指示所述接收信号，作为包含反射的表面的发射，是来自空气还是流体，以及任选地通过所述表面挠度特性来表征流体。

一种信号处理器，其中所述激励发生器产生正弦、脉冲、稳态或周期性的次音频、音频或超音频激励中的至少一种。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅分析器以来自所述换能器的自然中心频率对从所述换能器接收的声能进行操作。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅分析器以基带频谱对从所述换能器接收的声能进行操作，所述基带频谱是通过将所述接收信号与载波频率混合而形成的，所述载波频率实质上是所述发射器的中心频率。

一种信号处理器，其中在所述发射间隔期间，所述发射器生成发射波形，所述发射波形包括在所述换能器的中心频率处的激励电压信号。

一种信号处理器，其中所述发送间隔与所述接收间隔之和大于50微秒且小于1毫秒。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅分析器确定相对于发送时钟的加权或未加权平均相位。

一种信号处理器，其中度量是从在所述接收信号间隔期间从所述换能器接收的信号与在所述接收间隔期间可操作的发送时钟之间的时间相位变化得出的。

一种信号处理器，其中度量是从混频器输出基带信号与所述激励发生器的输出之间的相位关系得出的。

一种信号处理器，其中度量是从所述接收信号和激励发生器输出中的时间相位变化得出的。

一种信号处理器，其中所述超声换能器生成发射信号能量的周期性脉冲串。

一种信号处理器，其中所述超声换能器生成连续的发射信号能量。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅分析器对接收到的信号进行操作，以识别来自膜或表面的第一反射区域，然后将所识别的区域后方的流体表征为空气或液体。

一种信号处理器，其中当在所识别的区域后方的流体是液体时，使用与可测量的挠度相关的相位和振幅响应来确定表面弹性或流体粘度。

一种用于表征来自表面或膜的时间响应的信号处理器，所述信号处理器包括：

激励发生器，其产生次音频、音频或超音频激励以供施加至表面或膜，以引起位移；

换能器，用于向要表征的表面发送声波并从所述表面接收反射；

视觉指示器，其允许将声波从所述换能器导向所述表面上的感兴趣区域；

超声发射器，其在发射间隔期间工作并将门控频率脉冲串耦合至所述换能器；

超声接收器，其在接收间隔期间工作并耦合至所述换能器；

相位和振幅探测器，其将发射时钟的相位与来自所述超声接收器的接收信号进行比较并生成相位输出；

响应分析器，其将所述相位输出与所述激励发生器的输出进行比较，所述响应分析器通过将所述相位输出与所述激励发生器的输出进行比较来确定与要表征的表面相邻的流体的粘度。

一种信号处理器，其中所述换能器是电容微机械超声换能器(cMUT)或压电换能器中的至少一种。

一种信号处理器，其中所述激励发生器是音圈致动器或移动隔膜中的至少一种。

一种信号处理器，其中视觉指导是以下的至少之一：激光二极管、发光二极管或光学指示器，其照亮与来自所述超声换能器的光束轮廓相对应的区域。

一种信号处理器，其中所述超声波发射器的重复速率小于15KHz。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅检测器是基带混频器，其在低通滤波器之后生成输出。

一种信号处理器，其中所述相位和振幅检测器以所述换能器的中心频率进行操作。

一种信号处理器，其中当所述激励发生器操作时，所述响应分析器在多个样本点上比较所述相位输出和激励发生器输出。

一种信号处理器，其中所述接收间隔和所述发送间隔是并发间隔。

一种信号处理器，其中所述接收间隔和所述发送间隔是互斥间隔。

尽管本文中已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下现将想到多种变化、改变和替代。应当理解，本文中所述的本发明的实施方式的各种可替选方案可用于实施本发明。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同方案。

Claims (47)

1.一种非接触式表征系统，包括：

激励发生器，所述激励发生器生成非接触位移力，所述非接触位移力被导向要表征的远程物体；

超声换能器，所述超声换能器将超声能量导向远程物体；

发射波形发生器，所述发射波形发生器耦合至所述超声换能器；

接收信号处理器，所述接收信号处理器耦合至所述超声换能器并接收从远程物体反射的超声能量，所述接收信号处理器将所接收的超声信号振幅或相位与由所述发射波形发生器形成的发射信号相比较，所述接收信号处理器由此形成对响应于所述非接触位移力的远程物体位移的估计。

2.如权利要求1所述的非接触式表征系统，其中所述激励发生器形成导向远程物体的空气团。

3.如权利要求2所述的非接触式表征系统，其中所述空气团含有非氧化气体。

4.如权利要求3所述的非接触式表征系统，其中所述非氧化气体是氮气、氩气、CO2、氦气中的至少一种。

5.如权利要求1所述的非接触式表征系统，其中所述超声换能器是电容式微机械超声换能器(cMUT)。

6.如权利要求1所述的非接触式表征系统，其中所述发射信号发生器是在所述超声换能器发射频率的基波频率或谐波频率下工作的连续波(CW)或脉冲信号发生器。

7.如权利要求1所述的非接触式表征系统，其中所述接收信号处理器执行所接收信号的基带解调，并根据一系列相位估计形成位移估计，每个所述相位估计均根据所述接收信号与所述发射信号相比的相位位移确定。

8.如权利要求7所述的非接触式表征系统，其中所述一系列相位估计形成弹性量度。

9.一种用于对弹性表面进行非接触式测量的方法，所述测量方法包括：

非接触力事件，激励发生器由此向要表征的表面或与所述表面相邻的材料体积提供非接触力；

针对每个施加的激励发生器非接触力事件，形成一系列位移测量，每个位移测量包括：

将超声能量从换能器导向要表征的表面或相邻的材料体积；

所述换能器从所述要表征的表面或体积接收反射的超声能量；

将所发射的超声能量的相位与所接收的超声能量进行比较以形成位移估计；

由此使用多个所述位移测量来估计弹性或粘度。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述激励发生器非接触力是从喷嘴释放的空气团，其被导向要表征的材料上的表面或该材料的表面。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述空气团是惰性气体，包括氮气、氩气、CO2或氦气中的至少一种。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述换能器是cMUT或压电换能器中的至少一种。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述导向的超声能量是发射换能器上的连续波(CW)超声能量。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述将所发射的超声能量的相位与所接收的超声能量进行比较形成一相位位移，所述相位位移被转换成要测量的材料的非接触式位移。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述对弹性或粘度的估计是通过将一系列测量的相位位移与一系列模板测量相比较来执行的。

16.如权利要求9所述的方法，其中所述对弹性或粘度的估计是通过与所述激励源的上升时间或下降时间相比，检查位移的上升时间或下降时间来执行的。

17.如权利要求9所述的方法，其中所述激励是阶跃或脉冲压力，并且所述对弹性或粘度的估计是通过检查衰荡特性来执行的。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述衰荡特性是指数衰减时间或衰减周期间隔或频率中的至少一种。

19.如权利要求9所述的方法，其中所述激励作为表面波、剪切波或表面波和剪切波的组合传播至要表征的所述表面或所述体积。

20.如权利要求9所述的方法，其中要表征的所述表面或所述体积包括在流体上方的膜。

21.如权利要求9所述的方法，其中要表征的所述表面或所述体积包括具有弹性或粘度的流体。

22.如权利要求9所述的方法，其中要表征的所述表面或所述体积包括动物或人类。

23.一种非接触式材料表征系统，包括：

激励发生器，其中所述激励发生器被配置为生成非接触位移力，所述非接触位移力被导向弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积；

超声换能器，其中所述超声换能器被配置为将发射信号导向所述表面或所述体积，其中所述超声换能器被配置为从所述表面或所述体积接收反射的多普勒超声信号；以及

与所述超声换能器耦合的处理器，其中所述处理器被配置为确定所述表面或所述体积响应于所述非接触位移力的位移和所述反射的多普勒超声信号。

24.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中所述处理器被配置为通过将所述反射的多普勒超声信号的振幅或相位的至少一种与所述发射信号的振幅或相位的至少一种进行比较来确定所述位移。

25.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中由所述激励发生器生成的所述非接触位移力包括空气团。

26.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中所述激励发生器被配置为生成频率为至少20Hz的非接触位移力。

27.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中由所述激励发生器生成的所述非接触位移力包括脉冲激励。

28.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中所述超声换能器包括电容式微机械超声换能器(cMUT)或压电换能器。

29.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，还包括与所述超声换能器耦合的波形发生器，其中所述波形发生器包括连续波(CW)或脉冲信号发生器，并且其中所述波形发生器以所述发射信号的频率的基波或谐波工作。

30.如权利要求24所述的非接触式材料表征系统，其中所述处理器被配置为通过执行所反射的多普勒信号的相位与所发射信号的相位的一系列比较来确定所述位移。

31.如权利要求30所述的非接触式材料表征系统，其中所述处理器被进一步配置为执行所反射的多普勒信号的基带解调。

32.如权利要求30所述的非接触式材料表征系统，其中所述处理器被配置为基于所述系列相位估计来确定所述弹性表面或体积的弹性或粘度中的至少一种。

33.如权利要求23所述的非接触式材料表征系统，其中所述处理器被配置为基于所述确定的位移来确定所述弹性表面或体积的弹性或粘度中的至少一种。

34.一种用于对弹性表面进行测量的方法，所述方法包括：

(a)向所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积提供非接触位移力；

(b)将超声能量从换能器传输至所述表面或与所述弹性表面相邻的体积；

(c)在所述换能器处接收反射的多普勒超声信号；

(d)将所发射的超声能量的振幅或相位的至少一种与所反射的多普勒超声信号的振幅或相位的至少一种进行比较，以形成位移测量；以及

(e)响应于所述非接触位移力从所述位移测量计算弹性或粘度。

35.如权利要求34所述的方法，其中将所述非接触力提供给所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积包括将空气团导向所述弹性表面或与所述弹性表面相邻的材料体积。

36.如权利要求34所述的方法，其中所述非接触位移力包括脉冲激励。

37.如权利要求34所述的方法，其中所述换能器包括电容式微机械超声换能器(cMUT)或压电换能器。

38.如权利要求34所述的方法，其中传输所述超声能量包括传输连续波(CW)超声能量。

39.如权利要求34所述的方法，还包括重复步骤(a)至(d)以执行一系列位移测量，以及将所述一系列位移测量与一系列已知材料的模板位移测量进行比较。

40.如权利要求34所述的方法，其中(e)计算所述弹性或粘度包括将所述位移测量的上升时间或下降时间与所述非接触位移力的上升时间或下降时间进行比较。

41.如权利要求34所述的方法，其中(a)提供所述非接触力包括提供阶跃或脉冲压力，并且其中(e)计算所述弹性或粘度包括分析所反射的多普勒超声信号的衰荡特性。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述衰荡特性包括指数衰减时间、衰减周期间隔或衰减频率中的至少一种。

43.如权利要求34所述的方法，其中所述非接触位移力作为表面波或剪切波中的至少一种传播至所述表面或所述体积。

44.如权利要求34所述的方法，其中所述表面或所述体积包括在流体上方的膜。

45.如权利要求34所述的方法，其中所述弹性表面包括动物或人类的组织。

46.如权利要求34所述的方法，其中所述弹性表面包括固体或半固体的食品。

47.如权利要求34所述的方法，其中所述非接触位移力以至少20Hz的频率提供。

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