一种非接触式超声信号检测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触式超声信号检测装置及其方法，包括：信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；信号发生器用于产生超声激励信号，功率放大器用于将激励信号放大，来驱动超声探头，超声探头在水槽中产生超声信号；He‑Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向光都可聚焦在光电探测器的敏感元件上；超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。本方法具有非接触，空间分辨率高，频率响应范围宽，不会丢失相位信息的优点。

A non-contact ultrasonic signal detection device and method thereof

The invention discloses a non-contact ultrasonic signal detection device and a method thereof, including: a signal generator is connected with a power amplifier and an output signal is connected with an ultrasonic probe; a signal generator is used to generate an ultrasonic excitation signal; a power amplifier is used to amplify the excitation signal to drive an ultrasonic probe; and an ultrasonic probe is in water. Ultrasound signal is produced in the groove; He_Ne laser, convex lens group, and water tank are located on the same horizontal line, and the sensitive elements of photoelectric detector are placed at the focus of convex lens, which form a single lens optical imaging system together; the mirror changes the direction of light signal propagation, and its pitch angle can be adjusted to make different propagation. The directional light can be focused on the sensitive element of the photoelectric detector; the ultrasonic probe is fixed on the probe clamp, and the probe clamp has the adjusting ability to ensure that the beam axis can intersect the laser axis vertically. This method has the advantages of non-contact, high spatial resolution, wide frequency response range and no loss of phase information.

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式超声信号检测装置及其方法
本专利技术涉及超声检测领域，尤其涉及一种非接触式超声信号检测装置及其方法。
技术介绍
超声目前广泛应用于医疗、工业无损检测、水下成像等领域。在超声检测与成像领域，检测效果的准确性与超声信号检测的准确性密切相关；在医用超声诊断与治疗领域，由于大剂量超声会对人体造成不利影响，同样需要对超声信号进行精确测量。因此，能够实现超声信号的精确检测显得尤为重要。目前超声信号检测主要依赖以压电陶瓷和光纤为主的超声探头。专利技术人在实现本专利技术的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：1、探头本身具有一定的体积，会对超声声场造成干扰，导致检测结果失真；2、无论是压电陶瓷还是光纤超声探头，其检测原理如下：超声波为机械波，在传播过程中会对周围介质产生作用力，将压电陶瓷或光纤放入声场中，会由于超声作用而产生形变，通过压电效应、以及光在光纤中的传播规律来检测超声信号的变化。但该形变与超声信号的变化并不完全相同，会导致信号失真，超声信号的相位信息丢失严重；3、单一型号的超声探头只能对某一频段内的超声信号具有较好的响应，检测带宽较低；4、传统超声探头的空间分辨率由探头本身体积所决定。
技术实现思路
针对传统超声探头的缺点，本专利技术提出了一种非接触式超声信号检测装置及其方法，用于超声信号的高精度检测，详见下文描述：一种非接触式超声信号检测装置，所述检测装置包括：信号发生器，所述信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；所述信号发生器用于产生超声激励信号，所述功率放大器用于将激励信号放大，来驱动所述超声探头，所述超声探头在水槽中产生超声信号；He-Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器的敏感元件上；超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。其中，所述水槽中盛有蒸馏水，所述水槽的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。一种非接触式超声信号检测方法，所述检测方法包括以下步骤：1)打开He-Ne激光器，调节凸透镜组的距离，将激光调节平行；2)根据超声探头的中心频率，设置信号发生器的激发脉冲信号频率，激发脉冲幅度和脉冲重复频率；调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内；3)打开信号发生器与功率放大器，超声探头产生超声信号；4)将光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点位置，调整反射镜，得到入射光光强；5)调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号。其中，所述调整反射镜，得到一级衍射光光强，进而计算得到超声信号具体为：通过衍射光和入射光的比值得到由超声引起的光的相移量由相移量计算得到超声声压分布函数p(y,t)。其中，所述光的相移量具体为：其中，kl为激光波数，为介质压电常数，L为声光相互作用长度，p(y,t)为超声声压分布函数，y轴为激光传播方向。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术可以实现对超声信号的振幅与相位的精确检测，与传统检测技术相比，不会丢失相位信息；如图3所示，本专利技术与传统检测技术相比，本专利技术能够准确还原超声信号，不会丢失相位信息。2、本专利技术的空间分辨率优于传统检测技术，在本专利技术实施例中，激光光束直径为0.8mm，声光作用长度与超声声束长度相同，宽度与激光光束直径相同，检测结果可以看作与激光直径相同范围内的超声声场；而超声探头直径为20mm，其检测结果可以看作超声探头所包围的面积内的超声声场。3、本专利技术可检测的探头频率范围非常广，可降低检测成本。附图说明图1为一种非接触式超声信号检测装置的结构示意图；图2为单透镜光学成像系统的结构示意图；图3为激励信号、压电探头检测结果和本专利技术实施例检测结果对比图。附图中，各标号所代表的部件列表如下：101：信号发生器；102：功率放大器；103：He-Ne激光器；104：凸透镜组；105：超声探头；106：探头夹具；107：水槽；108：反射镜；109：凸透镜；110：光电探测器。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例的检测原理为：超声在介质中传播时，其声压会导致介质折射率产生变化，可以等效成一个超声光栅，激光通过超声光栅时，就会产生衍射现象。超声与激光之间不会直接发生作用，因此该检测技术为非接触式检测，不会对声场造成干扰。实施例1为了实现超声信号的非接触、高精度检测，本专利技术实施例提供了一种非接触式超声信号检测装置，参见图1和图2，该检测装置包括：信号发生器101、功率放大器102、He-Ne激光器103、凸透镜组104、超声探头105、探头夹具106、水槽107、反射镜108、凸透镜109、光电探测器110。信号发生器101与功率放大器102相连，输出信号接在超声探头105上。信号发生器101用于产生超声激励信号，功率放大器102用于将激励信号放大，来驱动超声探头105，超声探头105在水槽107中产生超声信号。He-Ne激光器103、凸透镜组104、以及水槽107位于同一水平线上，光电探测器110的敏感元件放置在凸透镜109的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统，如图2所示。反射镜108可以改变光信号传播方向，其本身俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器110的敏感元件上。超声探头105固定在探头夹具106上。探头夹具106应具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。在进行超声信号检测时，水槽107中盛有蒸馏水，水槽107的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。综上所述，本专利技术实施例提供了一种非接触式超声信号检测装置，通过该检测装置可以实现对超声信号的振幅与相位的精确检测，与传统检测技术相比，不会丢失相位信息。实施例2一种非接触式超声信号检测方法，该检测方法基于实施例1中的上述超声信号检测装置，详见下文描述：超声波是一种弹性波，在介质中传播时会使介质密度产生周期性疏密变化，对于像水这样的各项同性介质来说，介质折射率与介质密度之间的关系可以用下式表示：其中，n(r,t)为介质中r位置处在t时刻的折射率，ρ(r,t)是相应的密度，χ与介质本身的性质有关，ρ0为没有超声扰动时介质的密度。在拉曼-奈斯衍射条件下，介质密度变化与声压大小直接相关。在这里，引入n0作为没有超声扰动时介质的折射率，引入Δn作为由超声引起的折射率变化，那么介质折射率随声压的变化可以用下式表示：n(r,t)＝n0±Δn·p(r,t)(2)因此超声在介质中可以使介质折射率产生周期性变化，形成超声光栅。当激光通过超声光栅时，激光的振幅和相位受到空间调制而被衍射，这种衍射又被称为声光衍射。声光衍射根据其衍射效果，可以分为两种，一种是在超声频率较低，声光相互作用长度较短时发射，被称为拉曼-奈斯衍射，其特征为激光与声束相互垂直，各级衍射光对称分布；当超声频率较高，声光相互作用长度较长时则会发生布拉格衍射，其特征为当以一定衍射角入射时，会只有一束衍射光，衍射效率可达100％。两种声光衍射可以根据开尔文-库克定律来进行判断：其中，Q为声光衍射判据，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式超声信号检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：信号发生器，所述信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；所述信号发生器用于产生超声激励信号，所述功率放大器用于将激励信号放大，来驱动所述超声探头，所述超声探头在水槽中产生超声信号；He‑Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器的敏感元件上；超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式超声信号检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：信号发生器，所述信号发生器与功率放大器相连，输出信号接在超声探头上；所述信号发生器用于产生超声激励信号，所述功率放大器用于将激励信号放大，来驱动所述超声探头，所述超声探头在水槽中产生超声信号；He-Ne激光器、凸透镜组、以及水槽位于同一水平线上，光电探测器的敏感元件放置在凸透镜的焦点处，二者共同组成一个单透镜光学成像系统；反射镜改变光信号传播方向，其俯仰角度可调整，使不同传播方向的光都可以聚焦在光电探测器的敏感元件上；超声探头固定在探头夹具上，探头夹具具有调节能力，以保证声束轴可以与激光轴垂直相交。2.根据权利要求1所述的一种非接触式超声信号检测装置，其特征在于，所述水槽中盛有蒸馏水，所述水槽的底部放有吸声材料，检测环境温度为20℃。3.一种非接触式超声信号检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：1)打开He-Ne激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾乐成，陈世利，薛彬，张凯，翟京生，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12