一种超声波功率测量系统技术方案

一种超声波功率测量系统，本实用新型专利技术属于测量仪器，解决现有辐射力天平法测量超声波功率对环境要求较高、仪器达到稳定测量状态所需时间较长的问题。本实用新型专利技术包括激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜、CCD摄像机、计算机、激光电源和光学平台，所述激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜和CCD摄像机沿光路依次固定在光学平台上，成像透镜的轴线与激光器1发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机放置在成像透镜的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图像传递给计算机进行处理；所述激光电源为激光器提供电源。本实用新型专利技术大幅度提高测量精度和测量速度，适用于医用超声仪器和工业及实验等超声仪器输出功率的实时在线高精度测量。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于测量仪器，具体涉及一种超声波功率测量系统，适用于对超声换能器器件输出功率的测量。
技术介绍
自20世纪30年代始，超声波因其机械效应、热效应和理化效应在医学领域内可用于人体体内的诊断、治疗，应用日益广泛。与此同时，超声波对人体的损伤则一直是卫生医疗机构和广大社会民众关注的焦点问题之一。有专家指出，超声波密集在某一固定地方，又聚集很长的时间就会有热效应，这种热效应达到一定程度时，可能会对人体组织产生不良的影响，影响细胞内包括染色体的物质；理论上，高强度的超声波可通过它的高温及对组织的腔化作用，对组织产生伤害。国内外均有报道，由于超声诊断设备的声功率输出强度过高，对早期人类胚胎的绒毛细胞及脱膜组织的结构、生化代谢及免疫功能等造成影响，导致胚胎的不良发育。超声波有无害处，完全取决于它的能量输出大小，在低功率时它是有益的(如，微小功率超声波能够促进肌体的血液微循环，对生长发育有积极的作用)，世界卫生组织建议，在保证图像和诊断质量的前提下，应准确测得医用超声输出功率大小，尽量使用较小值；我国相关部门也已认识到声强过量的危害，规定我国的安全剂量值为10W/cm2。因而，精确测量、精密控制超声波的功率在医疗卫生的诊断、治疗中起着举足轻重的作用。我国目前超声功率的测量主要是基于平均功率的测量，毫瓦级超声功率基准(量程1mW～500mW)和瓦级超声功率基准(量程0.2W～20W)是我国重要的超声基准设施。在全国计量系统的量值传递和校准、国际间量值的关键比对中发挥着关键的作用。上述两套基准都是基于辐射力天平法 (Radiation Force Balance Method)的原理进行测量，其是通过反射靶或者接收靶来接收声波的辐射力，经过天平称重后，通过一定的力与功率的换算关系，计算出声波的辐射功率。该方法相对简单可靠，而且对于声场的频率不敏感，所以适用范围很宽。目前国内测量超声功率的设备(超声功率计)基本都是基于辐射力天平法来实现的，略有不同的是对于辐射力的测量方法有所不同，大部分仪器采用测力传感器来测量辐射力。但这种方法对于环境的要求较高，要求仪器周边空气不能够流动，且仪器达到稳定测量状态所需时间较长。随着科学技术的发展、对超声认知的深入和对安全要求的提高，人们所关心的超声场也由以前静态的、单一参数的测量，发展为动态的、多参数测量。因而目前的国家超声功率基准已经不再适应超声声场参数的计量需求，需要在测量原理和测量方法上有所更新、改善和提高。
技术实现思路
本技术提供一种超声波功率测量系统，解决现有辐射力天平法测量超声波功率对环境要求较高、仪器达到稳定测量状态所需时间较长的问题。本技术所提供的一种超声波功率测量系统，包括激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜、CCD摄像机、计算机、激光电源和光学平台，其特征在于：所述激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜和CCD摄像机沿光路依次固定在光学平台上，成像透镜的轴线与激光器1发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机放置在成像透镜的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图案传递给计算机进行处理；所述激光电源为激光器提供电源；测量时，将水槽中充满透明介质，超声换能器放置在水槽的正上方，并与超声波信号源相连；所述激光器产生的平行光，通过扩束镜放大后再被衰减片衰减到CCD摄像机能够承受的强度，衰减后的平行光照射到水槽中，超 声换能器产生超声波，在水槽的透明介质中声光相互作用产生的衍射图像通过成像透镜在CCD摄像机的芯片上成像。所述的超声波功率测量系统，其特征在于：对待测的不同频率的超声波采用不同焦距的成像透镜，超声波频率越低，成像透镜的焦距越大，成像透镜焦距越大，CCD摄像机所接收到的衍射图案的各级衍射条纹之间的距离也越大。调节超声波信号源输出信号的频率就可以调节对应超声波的频率，超声波频率升高时，衍射条纹之间的距离也随之增大，同时超声换能器输出的功率也相应的发生变化。所述计算机对衍射图像进行处理，包括下述步骤：(1)衍射图像灰度化：将相机输出的彩色图像转换为灰度图像，灰度图像各像素的灰度值Y：Y＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，式中，R、G、B为彩色图像中对应像素的红、绿、蓝色色度；(2)中值滤波：将灰度图像中每个像素作为中心像素，其八邻域内的各个像素的灰度值用中心像素的灰度值替换，得到中值滤波图像；(3)形成二值图像：采用最大类间方差法计算出中值滤波图像的阈值，然后将中值滤波图像各像素的灰度值与该阈值比较，大于该阈值的像素的灰度值均设置为255或0，反之，小于该阈值的像素的灰度值均设置为0或255，形成二值图像；(4)边缘检测：提取二值化图像中各灰度值为255或0的图像块的图像轮廓；然后采用重心法求出二值图像的中心点，该中心点所在图像轮廓即为0 级衍射图像轮廓，然后从0级衍射图像轮廓垂直向上搜索，所遇到的第一个图像轮廓即为+1级衍射图像轮廓，从0级衍射图像轮廓垂直向下搜索，所遇到的第一个轮廓即为-1级衍射图像轮廓；依次类推，得到其余衍射级数的图像轮廓；(5)求衍射图案的灰度值：首先计算衍射图案的总灰度值，为0级衍射图像轮廓的水平边界与衍射图案垂直边界所划定的矩形框内的灰度值之和；其次，分别对0级衍射图像轮廓、±1级衍射图像轮廓、…各级衍射图像轮廓内像素的灰度值进行求和，得到各级衍射图案的灰度值；(6)计算相对光强：其中0级衍射图案的相对光强R0为0级衍射图案的灰度值与总灰度值之比，±1级衍射图案的相对光强R1为±1级衍射图案的灰度值之和与总灰度值之比，其余衍射图案的相对光强以此类推；(7)计算相移v：相对光强值Rm＝J2m(v)，其中Jm(v)是第一类m阶贝塞尔函数，m＝0、1、2、…、8；当衍射图像中只有0级与±1级衍射图案时，对于相对光强值R0通过查询0阶贝塞尔函数平方曲线可以得到多个相移值，同理对于相对光强值R1通过查询一阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这两组相移值中找出最接近的两个相移值，求其平均值v01，作为相移v；当衍射图像中出现更高级衍射图案时，对于相对光强值R2通过查询二阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这多个相移值中，找到最接近v01的值v2对v01与v2求平均得到v012，作为相移v；其余依次类推；(8)计算得到超声波功率值P： P = ρc 3 λ 2 v 2 32 π ( n - 1 ) 2 e 2 α x ; ]]>式中，ρ、n分别为水槽4中透明介质的密度、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波功率测量系统，包括激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)、CCD摄像机(7)、计算机(8)、激光电源(10)和光学平台(11)，其特征在于：所述激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)和CCD摄像机(7)沿光路依次固定在光学平台(11)上，成像透镜(6)的轴线与激光器(1)发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机(7)放置在成像透镜(6)的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图案传递给计算机(8)进行处理；所述激光电源(10)为激光器(1)提供电源；测量时，将水槽(4)中充满透明介质，超声换能器(5)放置在水槽(4)的正上方，并与超声波信号源(9)相连；所述激光器(1)产生的平行光，通过扩束镜(2)放大后再被衰减片(3)衰减到CCD摄像机(7)能够承受的强度，衰减后的平行光照射到水槽(4)中，超声换能器(5)产生超声波，在水槽(4)的透明介质中声光相互作用产生的衍射图像通过成像透镜(6)在CCD摄像机(7)的芯片上成像。

【技术特征摘要】
1.一种超声波功率测量系统，包括激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)、CCD摄像机(7)、计算机(8)、激光电源(10)和光学平台(11)，其特征在于：所述激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)和CCD摄像机(7)沿光路依次固定在光学平台(11)上，成像透镜(6)的轴线与激光器(1)发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机(7)放置在成像透镜(6)的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图案传递给计算机(8)进行处理；所述激光电源(10)为激光器(1)提供电源；测量时，将水槽(4)中充满透明介质，超...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炎明，朱福龙，何黎平，段科，潘永军，陶加全，蔺欣欣，
申请(专利权)人：湖北省计量测试技术研究院，华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42