CN203432946U

CN203432946U - 用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置

Info

Publication number: CN203432946U
Application number: CN201320488208.3U
Authority: CN
Inventors: 陈丽; 苏明旭; 蔡小舒; 刘金全; 陈孝震
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-08-09

Abstract

本实用新型提供了一种用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置，包括：底座，轨道以及复数个滑块。圆形轨道安装在底座上，将超声波换能器，包括超声发射换能器以及超声接收换能器分别安装在复数个滑块上，移动滑块使得超声波换能器在轨道上的移动，滑块在轨道上的运动所围成的区域为样品池，超声波换能器对样品池进行不同角度的测量，实现多角度的超声波测量。从而获得大量的测量数量，提高图像重建的精度。

Description

用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置

技术领域

本实用新型涉及超声层析成像（Ultrasound Computed Tomography，简称UCT）技术领域，特别涉及一种用于颗粒两相体系中超声层析成像的超声换能器旋转装置。

背景技术

超声层析成像技术是以超声波为信息载体，通过物体外部检测到的数据重建内部信息的技术。它把被测对像分割成一系列薄片（横截面），分别给出每一薄片上的物体图像，再将其叠加起来得到物体内部的整体图像。

超声层析成像技术最早在医学工程上得到广泛的应用，通常可应用于诊断病变的形状、位置、大小、甚至性质等不正常状况。它为医学工程提供了一种安全、设备简单、成本低廉，对生物组织分辨率高的有效检测和诊断工具。

该技术逐步地发展成一种很好的工业检测技术，能够得到有效的管道截面二维参数分布信息和流动管道三维参数分布信息。但工业颗粒两相流动体系的声阻抗差异很大，被重建物体的声衰减系数变化不是缓慢的，因而不能用医学工程中的图像重建方法处理。还存在以下问题：第一、所检测的颗粒两相体系通常具有强非均匀性，超声波在颗粒界面上具有显著的反射、折射、衍射特征，信号传播路径复杂。第二、观测角度较少，且每个观测角度下所获得的测量数据更为有限，使后续的数据处理和图像重建困难很大。在管道周围安装大量发射和接收换能器可以有效增多观测角度，但会受到被测管道、设备、装置的几何形状的限制，同时增加了控制电路的复杂性，还可能使测量信号受控制电路自身噪声的影响。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的缺陷，所要解决的问题是提供一种用于颗粒两相体系超声层析成像的能实现多角度测量的装置，从而获得大量的测量数量，提高图像重建的精度。

为了解决上述技术问题，可以使用以下方案：

本实用新型一种用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置，包括：底座，轨道和复数个滑块，分别为第一滑块和第二滑块，滑块在轨道上移动，并将超声发射换能器与超声接收换能器安装在滑块上实现多角度的测量，超声波换能器分为超声发射换能器与和超声接收换能器，其特征在于，具有：底座呈现扁平状的圆盘，轨道呈中空圆柱形并固定在底座上，每一个滑块的底部有圆弧形的开口槽，开口槽与轨道有相同的曲率，和宽于轨道的宽度，使得轨道穿过滑块，并使滑块契合在轨道上实现自由移动，在滑块的外侧底部设有底部小孔并延伸到与轨道接触的开口槽，用于安装螺栓以固定滑块和轨道，滑块在高出轨道的部分设置了中心圆孔，并贯穿滑块，第一滑块的中心圆孔处安装超声发射换能器，第二滑块的中心圆孔处安装超声接收换能器，滑块的顶端设置顶端小孔，顶端小孔延伸到中心圆孔，用以安装螺栓固定超声波换能器。

进一步，在轨道与底座交界的圆周旁标有0～360°的刻度。

进一步，滑块在轨道上移动所形成的区域为测量区，测量区即为超声波换能器发射及接收超声的测试区域。

附图说明

图1是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置示意图；

图2是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置平面示意图；

图3是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置中的发射换能器某位置及其发射角内对应接收换能器的n个测量位置示意图（n=13）；

图4是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置中使用的声传播的几何声学近似示意图；

图5是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置的测量系统示意图；

图6是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置中的信号矩阵与网格矩阵对应位置示意图；

图7是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置中的图像重建算法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型所涉及的用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置的实施例说明了具体细节。

图1为用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置示意图。

如图1所示是用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置100包括：底座101，轨道102和复数个滑块103，分别为第一滑块和第二滑块，滑块103在轨道上移动，并将超声发射换能器104与超声接收换能器105安装在滑块上实现多角度的测量。超声换能器分为超声发射换能器104与超声接收换能器105。底座101呈现扁平状的圆盘，轨道102呈中空圆柱形并固定在底座101上，每一个滑块103的底部有圆弧形的开口槽301，圆弧形的开口槽301与轨道102有相同的曲率，开口槽301的宽度略宽于轨道102的宽度，使得轨道102穿过滑块103，并使滑块103契合在轨道102上实现自由移动，在滑块103的外侧底部设有顶端小孔302，用于安装螺栓以固定滑块103和轨道102，滑块103在高出轨道102的部分设置了中心圆孔303，并贯穿滑块103，第一滑块的中心圆孔303处安装超声发射换能器104，第二滑块的中心圆孔303处安装超声接收换能器105，滑块103的顶端设置顶端小孔304，顶端小孔延伸到中心圆孔，用以安装螺栓固定超声换能器。通过带动滑块103的移动实现超声发射换能器104与超声接收换能器105的移动从而实现颗粒两相体系超声层析成像的多角度测量。

滑块103在轨道102上移动所围成的区域为测量区106，测量区106即为超声波换能器（包括超声发射换能器104与超声接收换能器105）的发射及接收超声的测试区域。

图2为用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置平面示意图。

如图2所示，在轨道102与底座101交界的圆周旁标有0～360°的刻度。超声波旋转装置100上标有0～360度圆心角的刻度，360度与0度重合，用于精确改变超声波换能器104的位置。为测量方便，可根据所测颗粒的大小和测量精度调整换能器每次移动的步距。

图3为用于颗粒两相体系超声层析成像的发射换能器某位置及其发射角内对应接收换能器的n个测量位置示意图（n=13）。

如图3所示，超声发射换能器104发射的是扇形束超声波，每束超声波有一定的发射角，较小发射角可以增加成像的精度，但同时也减小了有效成像区域，可能造成离中心较远的小颗粒的漏检。综合以上两个因素，本实施例选取具有合适发散角的换能器，超声接收换能器105只需在其发射角对应的测量区间移动。一个具有60度发射角的超声发射换能器104及其对应的超声接收换能器105步距为10度时的13个测量位置如图所示，其中P1代表超声发射换能器104的某个测量位置，Q1～Q13代表对应的超声接收换能器105测量位置。

图4为用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置中使用的声传播的几何声学近似示意图。

如图4所示，当颗粒尺寸远大于声波波长时，在颗粒背面形成明显的声影区，称声传播的几何声学近似，此时可以利用二值逻辑反投影图像重建算法进行数据处理。

图5为用于颗粒两相体系超声层析成像测量系统示意图（实线表示信号的传递过程，虚线表示换能器旋转装置使两个超声波换能器在测量区周围进行多角度测量）。

如图5所示，为了研究气泡两相泡状流的层析成像，搭建了基于超声波换能器旋转装置100的实验平台，并安装了两个滑块。首先将超声发射换能器104安装在第一滑块上，将超声发射换能器104发射端对向测量区106，超声发射换能器104另一端连接到脉冲发射接收仪的发射接口，超声接收换能器105安装在第二滑块上，将超声接收换能器105接收端对向测量区106，超声接收收105另一端连接到脉冲发射接收仪的接收接口。

利用空气泵产生气泡，并将气泡引导到测量区106。根据测量的精度和实验的方便，预先选择有所需发射角的超声发射换能器104和超声接收换能器105，确定它们的移动步距。首先，将发射换能器104位置固定到0度，旋转接收换能器105（在发射换能器发散角内对应的各位置）进行测量、信号处理与保存。然后依次改变发射换能器104位置（0～360度），重复以上测量过程，就得到了不同发射和接收位置下的多角度测量信号。

超声换能器可实现电能与声能的转换，安装在换能器旋转装置100上的超声发射换能器104（将电能转换成声能）在脉冲发射接收仪的激励下产生脉冲声波，经测量区106的样品，即本实施例的气泡，衰减后由接收换能器105接收（将声能转换成电能），经过脉冲发射接收仪接收后，送入信号处理电路进行信号放大和模数转换，最终利用计算机中内嵌的数据处理程序进行图像重建和保存。

根据接收到的信号强弱和二值逻辑反投影图像重建算法反演出最为接近真实情况的测量区物体的图像。

二值逻辑反投影图像重建算法的实现步骤如下：

步骤S1‐101:

分别测量无颗粒时发射传感器位于不同位置时，接收换能器在各角度接收的信号。

步骤S1‐102:

分别测量有颗粒时发射传感器位于不同位置时，接收换能器在各角度接收的信号，与无颗粒时对应位置的信号幅值相除得到有无颗粒时的接收信号幅值比。接收换能器在颗粒几何阴影区时会接收到弱的信号，在几何亮区时会接收到与无颗粒时接近的正常信号，选择合适的阈值，得到一个信号矩阵S(m,n)。其中m为发射换能器测量位置个数，n为每个发射换能器位置对应的接收换能器测量位置个数（在发射换能器发射角内测量次数）。第i个发射位置对应的第j个接收位置的信号：

步骤S1‐103:

将成像截面的外切正方形划分成N×N的网格，然后在计算程序中定义一个网格矩阵M(N，N)，这样网格与矩阵的元素一一对应，且矩阵中元素的数值就可以表示对应网格的状态。

图6为用于颗粒两相体系超声层析成像的信号矩阵与网格矩阵对应位置示意图。

如图6所示，通过二值信号矩阵和网格矩阵，就能确定有效投影区域，即颗粒存在形成的超声信号阴影对应的网格区域在成像截面中的位置，并将所有的有效投影区域保存在不同的网格矩阵中。其中，圆周上的小圆代表一些典型的超声波换能器测量位置。

步骤S1‐104:

图7为用于颗粒两相体系超声层析成像的图像重建算法示意图。

如图7所示，利用矩阵的逻辑与运算，求出所有有效投影区域的公共投影区域，这些公共投影区域就是重建的颗粒图像。其中，P2～P5分别表示超声发射换能器104的几个典型测量点位置、Q14～Q21分别表示超声接收换能器105的几个典型测量点位置。

步骤S1‐105:

通过滤波和图像增强的手段，优化图像重建的结果。

Claims

1.一种用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置，包括：底座，轨道和复数个滑块，分别为第一滑块和第二滑块，所述滑块在轨道上移动，并将超声发射换能器与超声接收换能器安装在滑块上实现多角度的测量，超声波换能器分为超声发射换能器与和超声接收换能器，其特征在于，具有：

底座呈现扁平状的圆盘，轨道呈中空圆柱形并固定在所述底座上，每一个所述滑块的底部有圆弧形的开口槽，所述开口槽与所述轨道有相同的曲率，和宽于所述轨道的宽度，使得所述轨道穿过滑块，并使滑块契合在所述轨道上实现自由移动，在所述滑块的外侧底部设有底部小孔并延伸到与所述轨道接触的开口槽，用于安装螺栓以固定所述滑块和轨道，所述滑块在高出轨道的部分设置了中心圆孔，并贯穿所述滑块，所述第一滑块的中心圆孔处安装超声发射换能器，所述第二滑块的中心圆孔处安装超声接收换能器，所述滑块的顶端设置顶端小孔，所述顶端小孔延伸到所述中心圆孔，用以安装螺栓固定所述超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置，其特征在于：

其中，在所述轨道与底座交界的圆周旁标有0～360°的刻度。

3.根据权利要求1所述的用于颗粒两相体系超声层析成像的超声换能器旋转装置，其特征在于：

其中，所述滑块在轨道上移动所围成的区域为测量区，所述测量区即为所述超声波换能器发射及接收超声的测试区域。