檢測物體物理屬性的方法和裝置製造方法
2023-05-24 11:39:36
檢測物體物理屬性的方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明揭示了一種檢測物體物理屬性的方法和裝置，其中方法為：發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體；接收超聲波的反射波；對比超聲波的發射波和反射波的相位變化和幅度變化，由此分析目標物體的物理屬性。所述裝置包括控制器、分析器、超聲波接收器、低頻聲波發生器和超聲波發生器；所述控制器連接超聲波發生器和低頻聲波發生器，並控制超聲波發生器和低頻聲波發生器的發射；所述超聲波接收器連接分析器，並接收超聲波的反射波，將反射波轉化為電信號發送至分析器，分析器對比超聲波的發射波和反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理性屬性。本發明方法簡單，計算量小，結果準確，而裝置，結構簡單，價格便宜。
【專利說明】檢測物體物理屬性的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及到超聲波應用領域，特別是涉及到檢測物體物理屬性的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]超聲波傳輸過程中遇到界面會發生反射和折射，反射波的強弱與界面的密度、硬度等物理屬性密切相關，可以通過一定的方法如都卜勒效應對超聲波的發射波和反射波進行分析，從而得到界面物體的物理屬性。現有技術中，如果聲源與目標物體相對靜止，那麼根據超聲波的反射波很難定量分析目標物體的彈性等物理屬性，而利用都卜勒效應也僅僅限於目標運動速度的分析，很難用於目標物的彈性等物理屬性的定量分析，並且設備價格聞昂。
【發明內容】
[0003]本發明的主要目的為提供一種通過超聲波快速、簡單測量目標物物理屬性的方法和裝置。
[0004]為了實現上述發明目的，本發明實施例中，首先提出一種檢測物體物理屬性的方法，包括步驟:
發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體；
接收超聲波的反射波；
對比超聲波在疊加於低頻波不同相位反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理屬性。
[0005]進一步地，所述發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體的實現方式包括:
通過將超聲波發生器附著在低頻聲波發生器上進行超聲波發射。
[0006]進一步地，所述超聲波的頻率為I兆赫茲到50兆赫茲；所述低頻聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲。
[0007]進一步地，所述複合聲波的發源地至目標物體的距離為:2毫米至200毫米。
[0008]進一步地，所述發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體的步驟包括:
以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波，在測試期間以連續的方式發送固定頻率和幅度的低頻聲波。
[0009]本發明實施例中，還提供一種檢測物體物理屬性的裝置，包括控制器、分析器、超聲波接收器、低頻聲波發生器和超聲波發生器；
所述控制器連接超聲波發生器和低頻聲波發生器，並控制超聲波發生器和低頻聲波發生器的發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的形成複合聲波至目標物體；
所述超聲波接收器連接分析器，並接收超聲波的反射波，將反射波轉化為電信號發送至分析器，分析器對比疊加在低頻聲波不同相位所發出超聲波的反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理性屬性。
[0010]進一步地，所述超聲波發生器附著於低頻聲波發生器，並且發射端朝向相同； 所述超聲波發生器的發射端位於低頻聲波發生器的前方，或者位於低頻聲波發生器的側方。
[0011]進一步地，所述超聲波發射器為壓電薄膜傳感器或壓電陶瓷傳感器。
[0012]進一步地，所述低頻聲波發生器為壓電陶瓷揚聲器。
[0013]進一步地，所述低頻聲波發生器發射聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲；所述超聲波發生器發射超聲波的頻率為I兆赫茲到50兆赫茲。
[0014]進一步地，所述控制器控制超聲波發生器以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波，以連續的方式在測試期間發送固定頻率和幅度的低頻聲波。
[0015]進一步地，所述超聲波發生器至目標物體的距離為2毫米至200毫米。
[0016]本發明的檢測物體物理屬性的方法，通過低頻聲波對目標物體進行擠壓和拉扯，而超聲波在被擠壓和拉扯的目標物體上發生反射後，反射波會因為這種擠壓和拉扯形成相位變化，而且超聲波的發射波幅度也會因為這種擠壓與拉扯產生幅度變化，根據所述的相位變化和幅度變化，就可以非直接接觸地定量的分析目標物體的硬度、彈性等物理屬性，方法簡單，計算量相對於現有算法更簡單，結果更加的準確；而且這種檢測物體物理屬性的裝置結構簡單，價格便宜。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明檢測物體物理屬性的方法的流程框圖；
圖2是本發明檢測物體物理屬性的裝置的結構示意圖；
圖3是本發明檢測物體物理屬性的裝置的壓電薄膜傳感器與壓電陶瓷揚聲器的組合結構示意圖。
[0018]本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
【具體實施方式】
[0019]應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0020]參照圖1，本發明實施例提供一種檢測物體物理屬性的方法，包括步驟:
51、發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體；所述的複合聲波為超聲波和低頻聲波的混合波，低頻聲波在目標物體中傳播的時候，會對目標物體的組織形成擠壓和拉扯，從而使得超聲波在目標物體上的反射波因為這種擠壓與拉扯產生相位和幅度變化。發射固定頻率的超聲波和低頻聲波，低頻聲波擠壓和拉扯目標物體的頻率固定，使超聲波的反射波呈現周期性改變，方便分析超聲波的反射波的相位與幅度變化。在本實施例中，超聲波的發射一般使用超聲波發生器發射，而低頻聲波使用電致伸縮器發射，而在這一具體實施例中，將超聲波發生器附著在電致伸縮器上，得到方向和聲源位置相同的複合聲波，而且可以減小發射超聲波和低頻聲波設備的體積。為了後期定量分析時的簡單，通常超聲波的幅度和低頻聲波的幅度的比值是一個常數；
52、接收超聲波的反射波；
53、對比超聲波在疊加的低頻聲波不同相位反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理屬性。因為超聲波的發射頻率為固定頻率和固定幅度，那麼，根據目標物體在低頻聲波的擠壓和拉扯下形成反射波，反射波的相位會隨低頻聲波產生周期性的變化；反射的超聲波也會由於這種低頻的擠壓與拉扯產生周期性的幅度的變化，那麼根據測量到的相位變化和幅度變化，就可以對目標物體的一些物理屬性進行定量的分析，得到目標物體的硬度、彈性等分析結果。即目標物體由於低頻聲波的影響會出現對超聲波形成低頻正聲壓的反射和低頻負聲壓下的反射以及無聲壓下的反射，三種不同的反射情況根據低頻聲波的頻率重複出現，超聲波的反射波的幅度變化和相位變化與目標物體的物理屬性密切相關，進而通過特定的算法可以得到目標物的物理特性進行量化。比如在分析過程中，可以以低頻聲波零相位時的超聲波的反射波信號作為基準，對低頻聲波的正聲壓波峰時超聲波的反射波的幅度和相位跟低頻聲波的負聲壓波谷時超聲波的反射波的幅度和相位進行比較，可以定量分析目標物的彈性，即超聲波的反射波的幅度變化與目標物體的彈性成正相關，超聲波的反射波和發射波的相位變化與目標物體的彈性成負相關。
[0021]本實施例的檢測物體物理屬性的方法，通過低頻聲波對目標物體進行擠壓和拉扯，而超聲波在被擠壓和拉扯的目標物體上發生反射後，反射波會因此形成相位變化，而且超聲波的發射波幅度也會因此形成幅度變化，根據所述的相位變化和幅度變化，就可以定量的分析目標物體的硬度、彈性等物理屬性，方法簡單，計算量相對於現有算法更簡單，結果更加的準確。
[0022]本發明實施例中，上述超聲波的頻率為I兆赫茲到50兆赫茲；上述低頻聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲；上述複合聲波的發源地至目標物體的距離為:2毫米至200毫米。超聲波的頻率、低頻聲波的頻率和複合聲波的發源地至目標物體的距離可以根據測量不同的目標物而對應的頻率和距離等。
[0023]在一具體實施例中，對人體的肝臟進行檢測，選擇超聲波發生器附著在電致伸縮器(一種低頻聲波發生器)上的形式發射複合聲波，因為肝臟位於人體的內部較深位置，所以選擇可以透射到肝臟位置的頻率的超聲波，應當注意的是，如果頻率過高可能會傳遞不到肝臟，如果頻率太低，大部分全部透射過肝臟，使得反射波太少，所以本實施例中選擇超聲波的頻率為3.5兆赫茲，低頻聲波的頻率為500赫茲，而聲源位於肝臟的距離約為100毫米，超聲波與低頻聲波的幅度比為常數。超聲波發生器發射頻率為3.5兆赫茲的超聲波至肝臟，電致伸縮器震動發射頻率為500赫茲的低頻聲波至肝臟，500赫茲的低頻聲波對肝臟接收到聲波的部位進行有規律的擠壓和拉扯，使頻率為3.5兆赫茲的超聲波在經過肝臟的擠壓和拉扯部位反射，超聲波的反射波與發射波的對比產生相位變化和幅度變化，通過指定的算法進行定量分析肝臟被測位置的硬度，從而判斷肝臟是否存在肝硬化的病變等。
[0024]在另一具體實施例中，對人體頸動脈進行檢測，選擇超聲波發生器附著在電致伸縮器上的形式發射複合聲波，因為頸動脈位於人體的淺表部位，所以選擇可以透射到頸動脈位置的頻率的超聲波即可，所以選擇超聲波的頻率為10.0兆赫茲，低頻聲波的頻率為500赫茲。500赫茲的低頻聲波對頸動脈接收到聲波的部位進行有規律的擠壓和拉扯，使頻率為10.0兆赫茲的超聲波在經過頸動脈的擠壓和拉扯部位反射，經過濾波等處理後，超聲波的反射波由於500赫茲低頻聲波對頸動脈的影響而產生相位變化和幅度變化，通過指定的算法進行定量分析頸動脈被測位置的硬度，從而判斷頸動脈是否存在硬化的病變等，當然，也可以依據校準後的硬度推導出頸動脈表面張力的變化，從而連續測量頸動脈的血壓坐寸O
[0025]本發明在一實施例中，以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波，同時以連續波的方式發送固定頻率和幅度的低頻聲波。發射超聲波的設備可以作為接收超聲波的設備存在，大大簡化了系統本身，也降低了檢測設備的成本。比如在一具體實施例中，發射超聲波和接收超聲波的反射波的設備均為同一個壓電薄膜，而發射低頻聲波的設備為壓電陶瓷片，成本低，性能穩定。如果發射超聲波和接收超聲波的反射波的設備為同一設備時，需要注意發射超聲波和接收超聲波的時間間隔，防止在接收超聲波的反射波的時候超聲波的發射波還在發射而相互影響，影響檢測的結果。
[0026]參照圖2，本發明實施例，還提供一種檢測物體物理屬性的裝置，包括控制器30、分析器40、超聲波接收器50、低頻聲波發生器20和超聲波發生器10 ;所述控制器30連接超聲波發生器10和低頻聲波發生器20，並控制超聲波發生器10和低頻聲波發生器20的發射複合聲波；所述超聲波接收器50連接分析器40，並接收超聲波的反射波，將超聲波的反射波轉化為電信號發送至分析器40，分析器40對比疊加在低頻聲波不同相位所發出超聲波的反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理性屬性，在分析器40中還會進行濾波等處理，將無關的雜波過濾掉。
[0027]在一實施例中，上述控制器30控制超聲波發生器10和低頻聲波發生器20的發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體；低頻聲波在目標物體中傳播的時候，會對目標物體的組織形成擠壓和拉扯，從而使得超聲波在目標物體上的反射波產生相位變化。發射固定幅度的超聲波和低頻聲波，低頻聲波擠壓和拉扯目標物體的施力相同，使目標物的變形存在規律，從而使超聲波的反射波呈現規律變化。在本實施例中，低頻聲波使用電致伸縮器發射，而在一具體實施例中，將超聲波發生器10附著在電致伸縮器上，得到方向和聲源位置相同的複合聲波，而且可以減小發射超聲波和低頻聲波設備的體積。為了後期定量分析時的簡單，通常超聲波的幅度和低頻聲波的幅度的比值是一個常數。所述超聲波接收器50連接分析器40，並接收超聲波的反射波，將反射波轉化為電信號發送至分析器40，分析器40對比超聲波的反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理性屬性，因為超聲波的發射頻率為固定頻率和固定幅度，那麼超聲波的發射波根據目標物體在低頻聲波的擠壓和拉扯下形成反射波，反射波的相位會因為這種擠壓與拉扯產生相位變化；發射波的幅度也會因為這種擠壓與拉扯產生幅度變化，那麼根據測量到的相位變化和幅度變化，就可以對目標物體進行定量的分析，得到目標物體的硬度、彈性等物理屬性。即目標物體由於低頻聲波的影響會出現對超聲波形成低頻正聲壓的反射和低頻負聲壓下的反射以及無聲壓下的反射，三種不同的反射情況根據低頻聲波的頻率重複出現，超聲波的反射波的幅度變化和相位變化與目標物體的物理屬性密切相關，進而通過指定的算法可以得到目標的物理屬性。比如在分析過程中，可以以低頻聲波O相位時的超聲波的反射波信號作為基準，對低頻聲波的正聲壓波峰時超聲波的反射波的幅度和相位跟低頻聲波的負聲壓波谷時超聲波的反射波的幅度和相位進行比較，可以定量分析目標物的彈性，即超聲波的發射波和反射波的幅度差與目標物體的彈性成正相關，超聲波的反射波和發射波的相位差與目標物體的彈性成負相關。
[0028]本發明一實施例中，上述超聲波發生器10附著於低頻聲波發生器20，並且發射端朝向相同；所述超聲波發生器10的發射端位於低頻聲波發生器20的前方，或者位於低頻聲波發生器20的側方。也就是說，沒有障礙物遮擋超聲波發生器10的發射方向，否者會影響超聲波的發射，影響最終的檢測結果。本發明一實施例中，上述超聲波發射器為壓電薄膜傳感器，不同的壓電薄膜傳感器可以產生不同頻段的超聲波；上述低頻聲波發生器20為壓電陶瓷片21，也可以是動圈揚聲器等低頻振動部件。在一具體實施例中，壓電薄膜附著於壓電陶瓷片的震動部件上，通過不同的激勵，就可以得到超聲波和低頻聲波的複合聲波，結構簡單，生產成本低廉，發射聲波的頻率和幅度穩定，可方便地獲取最終檢查的結果。如圖3所示，低頻聲波發生器20為壓電陶瓷揚聲器21，壓電陶瓷揚聲器21安裝在金屬片22上，而超聲波發生器為壓電薄膜傳感器11，壓電薄膜傳感器11覆蓋安裝在壓電陶瓷揚聲器21的外表面上，在使用的時候，同時激勵壓電陶瓷揚聲器21和壓電薄膜傳感器11，得到複合聲波；本實施例中，所述的壓電薄膜傳感器11可以替換為壓電陶瓷傳感器。
[0029]本發明一實施例中，上述低頻聲波發生器20發射聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲；所述超聲波發生器10發射超聲波的頻率為I兆赫茲到50兆赫茲。超聲波的頻率、低頻聲波的頻率和複合聲波的發源地至目標物體的距離可以根據測量不同的目標物而對應的頻率和距離等，通常超聲波發生器至目標物體的距離為2毫米至200毫米。
[0030]在一具體實施例中，對人體的肝臟進行檢測，選擇壓電薄膜11附著與壓電陶瓷片21的震動部件上發射複合聲波，因為肝臟位於人體的內部較深位置，所以選擇可以透射到肝臟位置的頻率的超聲波，應當注意的是，如果頻率過高可能會傳遞不到肝臟，如果頻率太低，大部分全部透射過肝臟，使得反射波太少，所以本實施例中選擇超聲波的頻率為3.5兆赫茲，低頻聲波的頻率為500赫茲，而聲源位於肝臟的距離約為100毫米，一般為緊貼人體皮膚，超聲波與低頻聲波的幅度比為常數。壓電薄膜11發射頻率為3.5兆赫茲的超聲波至肝臟，壓電陶瓷片發射頻率為500赫茲的低頻聲波至肝臟，500赫茲的低頻聲波對肝臟接收到聲波的部位進行有規律的擠壓和拉扯，使頻率為3.5兆赫茲的超聲波在經過肝臟的擠壓和拉扯部位反射，超聲波的反射波與發射波的對比產生相位變化和幅度變化，通過指定的算法進行定量分析肝臟被測位置的硬度，從而判斷肝臟是否存在肝硬化的病變等。
[0031]在另一具體實施例中，對人體頸動脈進行檢測，選擇壓電薄膜附著與壓電陶瓷片的震動部件上發射複合聲波，因為頸動脈位於人體的淺表部位，所以選擇可以透射到頸動脈位置的頻率的超聲波即可，所以選擇超聲波的頻率為10.0兆赫茲，低頻聲波的頻率為500赫茲。500赫茲的低頻聲波對頸動脈接收到聲波的部位進行有規律的擠壓和拉扯，使頻率為10.0兆赫茲的超聲波在經過頸動脈的擠壓和拉扯部位反射，經過濾波等處理後，超聲波的反射波由於500赫茲低頻聲波對頸動脈的影響而產生相位變化和幅度變化，通過指定的算法進行定量分析頸動脈被測位置的硬度，從而判斷頸動脈是否存在硬化的病變等，當然，也可以依據校準後的硬度推導出頸動脈表面張力的變化，從而連續測量頸動脈的血壓坐寸ο
[0032]本發明一實施例中，所述控制器30控制低頻聲波發生器20和超聲波發生器10以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波，發射超聲波的設備可以作為接收超聲波的設備存在，大大簡化了系統本身，即所述超聲波發生器10與超聲波接收器50 —體設計，進一步的節約檢測設備的生產成本。比如在一具體實施例中，發射超聲波和接收超聲波的反射波的設備均為同一個壓電薄膜，而發射低頻聲波的設備為壓電陶瓷片，成本低，性能穩定。如果發射超聲波和接收超聲波的反射波的設備為同一設備時，需要注意控制發射超聲波和接收超聲波的時間間隔，防止在接收超聲波的反射波的時候超聲波的發射波還在發射而相互影響，影響檢測的結果。
[0033]本發明的檢測物體物理屬性的裝置，控制器30控制低頻聲波發生器20發射低頻聲波至目標物體，低頻聲波會對目標物體進行擠壓和拉扯；控制器30控制超聲波發生器10發射的超聲波在被擠壓和拉扯的目標物體上發生反射，反射波會與發射的超聲波形成相位差，而且超聲波的發射波幅度也會減弱與發射波形成幅度差，分析器40根據所述的相位差和幅度差，就可以定性的分析目標物體的硬度、彈性等物理屬性，方法簡單，計算量相對於現有算法更簡單，結果更加的準確。
[0034]以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
【權利要求】
1.一種檢測物體物理屬性的方法，其特徵在於，包括步驟: 發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體； 接收所述超聲波從目標物體上所反射回來的反射波； 對比超聲波在疊加的低頻聲波不同相位反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理屬性。
2.根據權利要求1所述的檢測物體物理屬性的方法，其特徵在於，所述發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體的實現方式包括: 通過將超聲波發生器附著在低頻聲波發生器上進行超聲波發射。
3.根據權利要求1所述的檢測物體物理屬性的方法，其特徵在於，所述超聲波的頻率為1兆赫茲到50兆赫茲；所述低頻聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲。
4.根據權利要求1所述的檢測物體物理屬性的方法，其特徵在於，所述複合聲波的發源地至目標物體的距離為: 2毫米至200毫米。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的檢測物體物理屬性的方法，其特徵在於，所述發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的複合聲波至目標物體的步驟包括: 以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波；同時，在測試期間以連續的方式發送固定頻率和幅度的低頻聲波。
6.一種檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，包括控制器、分析器、超聲波接收器、低頻聲波發生器和超聲波發生器； 所述控制器連接超聲波發生器和低頻聲波發生器，並控制超聲波發生器和低頻聲波發生器的發射固定頻率、固定幅度的超聲波和低頻聲波的形成複合聲波至目標物體； 所述超聲波接收器連接分析器，並接收超聲波的反射波，將反射波轉化為電信號發送至分析器，分析器對比疊加在低頻聲波不同相位所發出超聲波的反射波的相位變化和幅度變化，分析目標物體的物理屬性。
7.根據權利要求6所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述超聲波發生器附著於低頻聲波發生器，並且發射端朝向相同； 所述超聲波發生器的發射端位於低頻聲波發生器的前方，或者位於低頻聲波發生器的側方。
8.根據權利要求6所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述超聲波發射器為壓電薄膜傳感器或壓電陶瓷傳感器。
9.根據權利要求6所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述低頻聲波發生器為壓電陶瓷揚聲器。
10.根據權利要求6所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述低頻聲波發生器發射聲波的頻率為10赫茲到10000赫茲；所述超聲波發生器發射超聲波的頻率為1兆赫茲到50兆赫茲。
11.根據權利要求6-10中任一項所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述控制器控制超聲波發生器以脈衝的形式發射固定頻率、固定幅度的超聲波，以連續的方式在測試期間發送固定頻率和幅度的低頻聲波。
12.根據權利要求11所述的檢測物體物理屬性的裝置，其特徵在於，所述超聲波發生器至目標物體的距離為2毫米至200毫米。
【文檔編號】A61B8/04GK104359972SQ201410609279
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】楊松 申請人:楊松