一種提高水聽器線性度的方法及裝置製造方法
2023-09-21 22:18:20 1
一種提高水聽器線性度的方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高水聽器線性度的方法及裝置，所述裝置包括水聽器、可變增益放大器、數據採集器、計算裝置以及可編程控制器；本發明的方法是將水聽器的輸出信號通過可變增益放大器放大，經數據採集器換算成聲壓值輸入計算裝置，計算裝置根據接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率，並向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變。本發明能夠以很小的頻率間隔控制放大器的放大係數，使放大器輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度變化很小，從而提高水聽器線性度。
【專利說明】一種提高水聽器線性度的方法及裝置
[0001]【技術領域】
本發明涉及一種超聲設備檢測用高頻超聲水聽器，用於測量超聲頻率大於500KHZ的超聲信號，屬於醫用超聲·檢測設備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]眾所周知，醫用超聲是超聲學在醫療中的應用，根據其工作原理及特性，主要的應用分為兩大類:
一、醫用診斷超聲，即用診斷超聲主要是以低能量形式應用於醫學領域，以探查和提取人體信息為目的，一般不會在人體組織內產生不可逆轉的生物變化。由於醫療診斷超聲設備是以探查和提取人體信息為目的，因此為了提高圖像的清晰度，更精確、更清晰的反映組織的情況，現在超聲診斷設備的聲功率越來越大，有的甚至已經到了對人體組織產生生物變化的程度，尤其是對胎兒的影響尤為重大，過大的超聲的效應可能造成胎兒的畸形。診斷超聲的圖像清晰和生物效應成了一對矛盾的主體，既要保證安全，又要達到圖像清晰和生物效應成了一對矛盾的主體，既要保證安全，又要達到圖像的清晰為臨床診斷提供依據，為了保障安全使用超聲診斷設備，行業內提出了診斷超聲的安全閾值的問題。為此必須對醫用診斷設備的聲參數進行評價，確保臨床應用中的安全性。
[0003]二、醫用治療·超聲，治療超聲主要是高能量的形式作用於人體，使人體組織發生某種有利於疾病治療或是身體康復的變化。根據所用超聲強度的不同，治療超聲又可分為理療超聲、熱療超聲和高強度聚焦超聲(HIFU)，特別是HIFU進入體內的能量巨大，可以瞬間使組織發生不可逆的生物變化。同樣為了保障人體用械安全，治療超聲設備也必須工作在安全閾值範圍內。
[0004]這些安全閥值的測量必須依靠水聽器來實現，目前國外市場上的高頻超聲水聽器生產企業有美國ONDA公司、丹麥B&K公司和英國精密聲學公司，其採用半導體集成電路生產的真空鍍膜工藝，水聽器的靈敏度在40M頻率範圍內基本在一條直線兩側微小變化，不會出現反向拐點，通常用每50KHz頻率間隔進行校準，數據輸入測量系統，計算機根據不同頻率調用相關數據，換算成聲壓值，可以滿足實際測量的需要，基本原理如圖1所示。國內也有類似產品的製造商，如中科院聲學所、無錫海鷹公司、上海交通大學和中船715所，但靈敏度曲線和國外產品無法相提並論，國內用戶每年採購大量國外水聽器。
[0005]國外傳統的水聽器採用陶瓷和PVDF製造，將接收敏感面做的很小，壓電材料的接收靈敏度很小，在500KHz到40MHz的範圍內得到較好的頻率響應，在小信號的條件下，這種方法可以通過水聽器輸出端加通用放大器，將輸出信號放大，再被數據採集器採集，讀出相應的電壓值，通過校準的靈敏度係數換算成聲壓值。隨著治療超聲技術的迅猛發展，零點毫米的尺寸壓電材料，其機械應力無法承受高強度的超聲衝擊力，把水聽器幾何尺寸做大，其機械應力雖然提高，但是水聽器的頻率響應就出現比較大的非線性，從技術上講，對水聽器拐點處校準很困難並且校準費用巨大，大多數用戶無法承受，這將給日常使用帶來很多困難。[0006]
【發明內容】
本發明所要解決的技術問題是提高現有水聽器的線性度，通過專用定製晶片技術實現水聽器的輸出頻響在設定的範圍內。
[0007]本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案:
一種提高水聽器線性度的方法，包括以下步驟:
步驟(1)，將水聽器固定在測試場中，採用信號源向水聽器發射頻率連續變化、恆定聲壓的掃頻測試信號；
步驟(2)，水聽器接收該掃頻測試信號，在水聽器的輸出端設置一個可變增益放大器，水聽器的輸出信號經可變增益放大器放大後，經過數據採集器轉換成聲壓信號輸入至一計算裝置；
步驟(3)，該計算裝置將所述聲壓信號採集、運算和存儲，得到水聽器的頻響曲線，根據頻響曲線計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，所述放大頻響曲線和所述水聽器的頻響曲線以水平軸對稱；
步驟(4)，計算裝置將所述可變增益放大器的放大頻響曲線數據輸送給可編程控制器，該可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率並向可變增益放大器輸出控制信號，以50KHz頻率間隔控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變，從而實現水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線。
[0008]本發明還提出一種提高水聽器線性度的裝置，包括水聽器、可變增益放大器、數據採集器、計算裝置以及可編程控制器；其中，所述可變增益放大器用於將水聽器的輸出信號放大，所述數據採集器用於採集可變增益放大器放大後信號的電壓值，並通過校準的靈敏度係數將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，所述計算裝置根據接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大 器的放大頻響曲線；所述可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率，並向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變。
[0009]作為進一步的優化方案，本發明的一種提高水聽器線性度的裝置中，所述可變增益放大器包括前置放大器、可控衰減器、後置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、後置放大器，所述後置放大器的輸出端連接數據採集器；所述可編程控制器輸出控制信號至可控衰減器來控制可變增益放大器的放大係數。
[0010]本發明採用上述技術方案與現有技術相比的有益效果是:
1、可以解決目前國際上無法做到的高強度水聽器頻響曲線變化無拐點的技術問題。
[0011]2、可以讓國內的水聽器頻響指標達到國外的先進水平，替代進口。
[0012]3、可以節約大量的成本，國外的水聽器採購價是13萬左右，而國內的水聽器只有2000元，首次通過增加可變增益放大器2萬元，用戶可節約10萬元成本，可變增益放大器後續可以重複使用，對新購水聽器通過軟體編程予以配套即可。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是現有技術中測量普通水聽器頻響曲線的信號流向示意圖。
[0014]圖2是本發明通過可編程控制器向可變增益放大器輸出控制信號的流向示意圖。[0015]圖3是本發明提出的帶可變增益放大器的水聽器工作信號流向示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
[0017]為了達到本發明的技術目的，要求水聽器輸出端輸出幅度基本穩定，由於大多數國產水聽器輸出隨頻率變化較大，特別是在幅值從上升向下降變化或從下降向上升變化的拐點處，信號的幅值變化率就非常大，數據在拐點校準時的誤差就變大，在整個頻帶內無法滿足使用要求，只有採用計算機技術逐點補償來達到輸出穩定的目的，使輸出信號趨於平緩，不出現急劇拐點，系統通常由硬體和軟體兩部分組成，通過硬體和軟體兩部分的有機組合可以實現較複雜的功能。可變增益放大器就是有軟硬體結合的電子系統，即增益可由計算機編程實現。
[0018]參見圖2、圖3，本發明提出一種提高水聽器線性度的裝置，包括水聽器、可變增益放大器、數據採集器、計算裝置以及可編程控制器；其中水聽器輸出端連接可變增益放大器的輸入端，所述可變增益放大器的輸出端連接數據採集器，所述數據採集器與計算裝置連接，所述計算裝置與可編程控制器連接；可變增益放大器包括前置放大器、可控衰減器、後置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、後置放大器，所述後置放大器的輸出端連接數據採集器，可編程控制器的輸出端連接可控衰減器。
[0019]在實際工作時，將現有的水聽器固定在測試場中，信號源向水聽器發射頻率連續變化恆定聲壓掃頻測試信號，用水聽器接收信號，可變增益放大器將水聽器的輸出信號放大，數據採集器採集可變增益放大器放大後信號的電壓值，並通過校準的靈敏度係數將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，計 算裝置根據接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，假定輸出為一直線，則可變增益放大器與水聽器的頻響曲線應和前述直線對稱，通過補償原理進而計算出可變增益放大器的放大頻響曲線，該放大器頻響曲線和水聽器的頻響曲線以水平軸對稱；可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率，並向可變增益放大器輸出控制信號至可控衰減器，以很小的頻率間隔來控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變或變化幅度很小，從而實現水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線，提高其線性度。水聽器和可變增益放大器連接起來的理想結果是輸出一條直線。
[0020]通過前述方法測量和編程，實現水聽器的頻響曲線達到要求，通過這樣的方法，達到國外膜式水聽器的頻響曲線要求，方便用戶使用。
【權利要求】
1.一種提高水聽器線性度的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟(1)，將水聽器固定在測試場中，採用信號源向水聽器發射頻率連續變化、恆定聲壓的掃頻測試信號； 步驟(2)，水聽器接收該掃頻測試信號，在水聽器的輸出端設置一個可變增益放大器，水聽器的輸出信號經可變增益放大器放大後，經過數據採集器轉換成聲壓信號輸入至一計算裝置； 步驟(3)，該計算裝置將所述聲壓信號採集、運算和存儲，得到水聽器的頻響曲線，根據頻響曲線計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線，所述放大頻響曲線和所述水聽器的頻響曲線以水平軸對稱； 步驟(4)，計算裝置將所述可變增益放大器的放大頻響曲線數據輸送給可編程控制器，該可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率並向可變增益放大器輸出控制信號，以50KHz頻率間隔控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變，從而實現水聽器輸出的頻響曲線基本成一直線。
2.一種提高水聽器線性度的裝置，其特徵在於:包括水聽器、可變增益放大器、數據採集器、計算裝置以及可編程控制器；其中，所述可變增益放大器用於將水聽器的輸出信號放大，所述數據採集器用於採集可變增益放大器放大後信號的電壓值，並通過校準的靈敏度係數將電壓值換算成聲壓值輸入計算裝置，所述計算裝置根據接收的聲壓值得到水聽器的頻響曲線，進而計算出所述可變增益放大器的放大頻響曲線；所述可編程控制器監測該放大頻響曲線信號頻率，並向可變增益放大器輸出控制信號控制可變增益放大器的放大係數，使可變增益放大器輸出端的輸出信號在規定的頻率範圍內輸出幅度基本不變。
3.根據權利要求2所述的一種提高水聽器線性度的裝置，其特徵在於:所述可變增益放大器包括前置放 大器、可控衰減器、後置放大器；其中所述前置放大器的輸入端連接水聽器的輸出端，所述前置放大器的輸出端依次連接可控衰減器、後置放大器，所述後置放大器的輸出端連接數據採集器；所述可編程控制器輸出控制信號至可控衰減器來控制可變增益放大器的放大係數。
【文檔編號】A61N7/00GK103431875SQ201310417964
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】於一, 胡雷, 李友寧 申請人:於一