CN217238375U - 便携式超声成像仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种便携式超声成像仪，包括外壳、树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、电源、激光测距仪、照明灯。本实用新型采用树莓派+FPGA的形式，充分发挥各自的优势，协同工作，系统处理速度快；便携式超声成像仪采集和接收超声信号，基于声学信号进行故障位置检测，解决了传统手段检测效率低、易受电磁干扰、成本较高的缺点；本实用新型设计了便携式外壳，将所有硬件设备集成安装在该外壳内，并使用触控显示屏作为人机交互工具，操作简单、便于携带；本实用新型能够实时精准的对气体输送管道泄漏、高铁受电弓故障、特高压放电等工业故障的故障位置进行定位，可有效避免安全事故的发生。

Description

便携式超声成像仪

技术领域

本实用新型涉及一种超声成像仪，特别涉及一种便携式超声成像仪。

背景技术

在电力、高速铁路、天然气等工业环境中，确保设备的正常工作极其重要，工业环境中的设备发生故障时往往会造成巨大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。

对于气体输送管道泄漏、高铁受电弓故障、特高压放电等工业故障，传统的检测方法有人工涂抹、局部放电仪检测、气体示踪等方法，但这些方法存在检测效率低、易受电磁干扰、成本较高的问题，而这些故障在发生时通常会伴有超声信号的产生，设备由于非正常工作而产生的噪声蕴含着丰富的信息，这些噪声信息可用于对设备工作状态的监测。

近年来，传声器阵列被广泛应用于噪声源的定位，通过采集噪声信息，对噪声源进行定位分析，从而确定设备发生故障的位置。

目前已有的声源定位系统大多是以PC机作为数据运算处理中心的，将传声器阵列采集到的声学信号传输至PC端进行运算，这种方式导致声源定位系统过于庞大，具有操作复杂、不便携带的缺点；其次，目前的声源定位系统大多数采用大型声学采集卡作为声学采集设备，价格昂贵。

因此，研究一种能够用于对气体输送管道泄漏、高铁受电弓故障、特高压放电等工业故障的故障位置进行精准定位的便携式超声成像仪具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种便携式超声成像仪，该装置通过设计便携式壳体集成树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、激光测距仪、照明灯、电源，具有体积小、质量轻、容易携带的优点，可以对发射出声学信号的故障源进行实时精准的定位。

本实用新型的技术方案如下：

所述一种便携式超声成像仪，包括外壳、树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、电源、激光测距仪、照明灯；

所述外壳由前板、壳体、手柄组成，用于集成树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、电源、激光测距仪、照明灯；所述外壳具有防尘、防沙、防水功能；

所述前板固定安装有触控显示屏；所述壳体内部安装有树莓派、FPGA开发板以及电源；所述壳体背面固定安装有集成式超声传声器阵列；所述手柄使用燕尾槽配合方式固定安装于所述壳体侧面；所述激光测距仪固定安装在壳体背面；所述照明灯固定安装在壳体的上侧面；所述壳体上开设有散热孔用于壳体内部的散热；

所述树莓派为便携式超声成像仪的控制与运算中心，采用基于ARM架构的中央处理器；

所述FPGA开发板与所述树莓派具有电信号连接，与所述树莓派进行信息交互，包括数据传输与控制信号的交互；

所述集成式超声传感器阵列包括超声传声器、摄像头；

所述超声传声器用于接收当前环境下的声信号，所述超声传声器与所述FPGA开发板具有电信号连接，所述FPGA开发板向所述超声传声器传递控制信号，所述超声传声器将采集到的超声信号传输给所述FPGA开发板；而所述树莓派从所述FPGA开发板中获得所述超声传声器采集到的超声信号；

所述摄像头用于采集当前环境下的图像数据；所述摄像头与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述摄像头传递控制信号，所述摄像头将采集到的图像数据传输给所述树莓派；

所述照明灯为所述摄像头拍摄照片时提供照明功能，与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述照明灯传递控制信号；

所述激光测距仪与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述激光测距仪传递控制信号，所述激光测距仪将测得的距离信息传输到所述树莓派；

所述触控显示屏与所述树莓派具有电信号连接，接收来自所述树莓派的处理结果，向操作人员展示当前环境下超声源的分布信息；所述触控显示屏能够接受操作人员的指令，并根据指令向所述树莓派传输控制信号；

所述电源用于给整个装置供电，通过电信号连接直接向所述树莓派、FPGA开发板供电；所述集成式传感器阵列、激光测距仪、照明灯、触控显示屏通过与所述树莓派、FPGA开发板的电信号连接间接获得供电。

进一步的，集成式超声传感器阵列具有一个PCB板，超声传声器通过焊接的方式集成在PCB板上，PCB板的中心开设有孔用来安装摄像头；集成式超声传感器阵列以螺纹连接的方式安装在壳体背面。

进一步的，所述触控显示屏通过螺纹连接的方式固定在前板上，前板通过螺纹连接的方式安装在壳体上，手柄通过燕尾槽的方式与壳体连接，并使用卡扣进行固定。

进一步的，所述树莓派和所述FPGA开发板上均开设有孔用于固定，均使用螺纹连接的方式固定在壳体内部；电源被安装在壳体内部的卡槽中，并使用卡扣进行固定。

进一步的，所述超声传声器采用电容式传声器或MEMS传声器。

进一步的，所述超声传声器按照单臂螺旋形状分布。

进一步的，所述超声传声器与所述FPGA开发板通过杜邦线连接；所述树莓派与所述FPGA开发板的连接方式为网线连接，数据传输方式为千兆以太网传输；所述摄像头与所述树莓派使用USB串口连接；所述照明灯与所述树莓派使用USB串口连接；所述激光测距仪与所述树莓派通过杜邦线连接；所述触控显示屏与所述树莓派之间使用USB串口和HDMI连接线进行连接。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用树莓派+FPGA的形式，充分发挥各自的优势，协同工作，系统处理速度快；

2、便携式超声成像仪采集和接收超声信号，基于声学信号进行故障位置检测，解决了传统手段检测效率低、易受电磁干扰、成本较高的缺点；

3、设计了便携式外壳，将所有硬件设备集成安装在该外壳内，并使用触控显示屏作为人机交互工具，操作简单、便于携带；

4、能够实时精准的对气体输送管道泄漏、高铁受电弓故障、特高压放电等工业故障的故障位置进行定位，可有效避免安全事故的发生。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型的整体结构前部示意图；

图2为本实用新型的整体结构后部示意图；

图3为本实用新型的内部示意图；

图4为本实用新型主要硬件的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3、图4所示，本实用新型提供一种便携式超声成像仪，包括树莓派1、FPGA开发板2、集成式超声传感器阵列3、触控显示屏4、电源5、激光测距仪6、照明灯7、外壳；外壳由壳体9、前板10和手柄11组成；集成式超声传感器阵列3包括超声传声器12和摄像头13。

如图1所示，触控显示屏4通过螺纹连接的方式固定在外壳的前板10上，前板10再通过螺纹连接的方式安装在壳体9上，手柄11通过燕尾槽的方式与壳体9连接，并使用卡扣进行固定。

如图2所示，集成式超声传感器阵列3包括超声传声器12和摄像头13，在一个具体实施例中，集成式超声传感器阵列3具有一个PCB板，超声传声器12通过焊接的方式集成在PCB板上，PCB板的中心开设有孔用来安装摄像头13，连接方式为螺纹连接。集成式超声传感器阵列3以螺纹连接的方式安装在外壳的壳体9背面；激光测距仪6以螺纹连接的方式固定在外壳的壳体9背面；照明灯7以螺纹连接的方式固定在外壳的壳体9的上侧面。

如图3所示，树莓派1、FPGA开发板2上均开设有孔用于固定，均使用螺纹连接的方式固定在外壳的壳体9内部；电源5被安装在外壳的壳体9内部的卡槽中，并使用卡扣14进行固定。

所述超声传声器12可以是电容式传声器或MEMS传声器，在一个具体实施例中，选用PDM输出的数字式MEMS超声传声器，该传声器集成度高，输出为PDM数字信号，不需要AD转换模块，接口电路简单，大大降低了硬件的需求。

所述超声传声器12可以以多种形状分布，在一个具体实施例中，超声传声器12按照单臂螺旋形状分布，呈单臂螺旋形分布的超声传声器在超声频段具有较好的指向性。

所述超声传声器12与FPGA开发板2具有电信号连接，所述FPGA开发板2可以控制所述超声传声器12采集当前环境下的超声信号，所述超声传声器12能够将采集到的超声信号传输给FPGA开发板2。在一个具体实施例中，所述超声传声器12与所述FPGA开发板2通过杜邦线连接。

所述FPGA开发板2与所述树莓派1具有电信号连接，可以与所述树莓派1进行信息交互，包括数据传输与控制信号的交互。所述树莓派1能够控制所述FPGA开发板2，接收来自所述FPGA开发板2所采集到的超声信号并进行运算。所述树莓派1与所述FPGA开发板2之间的数据传输方式可以是串行、并行等多种方式，在一个具体实施例中，所述树莓派1与所述FPGA开发板2的连接方式为网线连接，数据传输方式为千兆以太网传输。

所述摄像头13用于采集当前环境下的图像数据。所述摄像头13与所述树莓派1具有电信号连接，所属树莓派1可以控制所述摄像头13的采集，所述摄像头13可以将采集到的图像数据传输到所述树莓派1。在一个具体实施例中，所述摄像头13与树莓派1使用USB串口连接。

所述照明灯7与所述树莓派1具有电信号连接，为所述摄像头13拍摄照片时提供照明功能，所述树莓派1可以控制所述照明灯7的开关。在一个具体实施例中，所述照明灯7与所述树莓派1使用USB串口连接。

所述激光测距仪6与所述树莓派1具有电信号连接，可以将测得的距离信息传输到所述树莓派1，所述树莓派1可以控制所述激光测距仪6的工作状态。在一个具体实施例中，所述激光测距仪6与所述树莓派1的连接方式为杜邦线连接。

所述触控显示屏4与所述树莓派1具有电信号连接，可以接收来自所述树莓派1的处理结果，向操作人员展示当前环境下超声源的分布信息。操作人员可以通过所述触控显示屏4向所属树莓派1传输控制信号对便携式超声成像仪进行控制。在一个具体实施例中，所述触控显示屏4与所述树莓派1之间使用USB串口和HDMI连接线进行连接。

所述电源5用于给整个装置供电，通过电信号连接直接向所述树莓派1、FPGA开发板2进行供电。在一个具体实施例中，所述电源5使用输出为12V的锂电池，通过电源转换模块将输出电压转换为5V，通过供电线分别向所述树莓派1、FPGA开发板2进行供电。

所述集成式传感器阵列3、激光测距仪6、照明灯7、触控显示屏4通过与所述树莓派1、FPGA开发板2的电信号连接可以间接获得供电，不需要独立的电源。

如图4所示，为树莓派1、FPGA开发板2、集成式超声传感器阵列3、触控显示屏4、电源5、激光测距仪6、照明灯7的连接示意图。

所述树莓派1为本实用新型的控制中心，通过与FPGA开发板2、集成式超声传感器阵列3、触控显示屏4、电源5、激光测距仪6、照明灯7之间的电信号连接，可以控制本实用新型的工作过程。

所述树莓派1从所述FPGA开发板2中获得所述超声传声器12采集到的超声信号，可以对超声信号进行实时频谱分析算法和定位算法的运算，这两种算法是目前常用的公知算法。

本实用新型实现的过程为：工作人员通过手柄11手持便携式超声成像仪对当前环境进行检测，所述树莓派1通过电信号连接获得所述摄像头13的图像信息、所述激光测距仪6的距离信息进行频谱分析和定位运算，进而通过所述触控显示屏4进行运算结果的实时显示，供操作人员查看。可以实时的展示当前环境下的超声源的分布情况，便于实时精准地定位当前环境下气体输送管道泄漏、高铁受电弓故障、特高压放电等工业故障的故障位置，并进行直观的展示。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种便携式超声成像仪，其特征在于：包括外壳、树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、电源、激光测距仪、照明灯；

所述外壳由前板、壳体、手柄组成，用于集成树莓派、FPGA开发板、集成式超声传感器阵列、触控显示屏、电源、激光测距仪、照明灯；所述外壳具有防尘、防沙、防水功能；

所述前板上安装有触控显示屏；所述壳体内部安装有树莓派、FPGA开发板以及电源；所述壳体背面固定安装有集成式超声传声器阵列；所述手柄使用燕尾槽配合方式固定安装于所述壳体侧面；所述激光测距仪固定安装在壳体背面；所述照明灯固定安装在壳体的上侧面；所述壳体上开设有散热孔用于壳体内部的散热；

所述树莓派为便携式超声成像仪的控制与运算中心，采用基于ARM架构的中央处理器；

所述FPGA开发板与所述树莓派具有电信号连接，与所述树莓派进行信息交互，包括数据传输与控制信号的交互；

所述集成式超声传感器阵列包括超声传声器、摄像头；

所述超声传声器用于接收当前环境下的声信号，所述超声传声器与所述FPGA开发板具有电信号连接，所述FPGA开发板向所述超声传声器传递控制信号，所述超声传声器将采集到的超声信号传输给所述FPGA开发板；而所述树莓派从所述FPGA开发板中获得所述超声传声器采集到的超声信号；

所述摄像头用于采集当前环境下的图像数据；所述摄像头与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述摄像头传递控制信号，所述摄像头将采集到的图像数据传输给所述树莓派；

所述照明灯为所述摄像头拍摄照片时提供照明功能，与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述照明灯传递控制信号；

所述激光测距仪与所述树莓派具有电信号连接，所述树莓派向所述激光测距仪传递控制信号，所述激光测距仪将测得的距离信息传输到所述树莓派；

所述触控显示屏与所述树莓派具有电信号连接，接收来自所述树莓派的处理结果，向操作人员展示当前环境下超声源的分布信息；所述触控显示屏能够接受操作人员的指令，并根据指令向所述树莓派传输控制信号；

所述电源用于给整个装置供电，通过电信号连接直接向所述树莓派、FPGA开发板供电；所述集成式超声传感器阵列、激光测距仪、照明灯、触控显示屏通过与所述树莓派、FPGA开发板的电信号连接间接获得供电。

2.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述集成式超声传感器阵列具有一个PCB板，超声传声器通过焊接的方式集成在PCB板上，PCB板的中心开设有孔用来安装摄像头；集成式超声传感器阵列以螺纹连接的方式安装在壳体背面。

3.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述触控显示屏通过螺纹连接的方式固定在前板上，前板通过螺纹连接的方式安装在壳体上，手柄通过燕尾槽的方式与壳体连接，并使用卡扣进行固定。

4.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述树莓派和所述FPGA开发板上均开设有孔用于固定，均使用螺纹连接的方式固定在壳体内部；电源被安装在壳体内部的卡槽中，并使用卡扣进行固定。

5.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述超声传声器采用电容式传声器或MEMS传声器。

6.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述超声传声器按照单臂螺旋形状分布。

7.根据权利要求1所述一种便携式超声成像仪，其特征在于：所述超声传声器与所述FPGA开发板通过杜邦线连接；所述树莓派与所述FPGA开发板的连接方式为网线连接，数据传输方式为千兆以太网传输；所述摄像头与所述树莓派使用USB串口连接；所述照明灯与所述树莓派使用USB串口连接；所述激光测距仪与所述树莓派通过杜邦线连接；所述触控显示屏与所述树莓派之间使用USB串口和HDMI连接线进行连接。

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