超声测量（精选7篇）
超声测量 篇1
1 研究背景
骨骼肌的硬度,作为可以同时在主动收缩和被动拉伸情况下被测量的肌肉属性,已经被证明对于肌肉的工作效率起着非常重要的作用[1]。肌肉硬度会在某些生理动作,如自主收缩,或某些病理条件,如痉挛,抽搐和水肿等情况下发生变化。因此,量化的肌肉硬度测量有助于增进对骨骼肌的功能的了解。目前,已经有多种方法被用于肌肉硬度测量。
触诊是一种被广泛用于临床检测组织硬度变化的方法。模仿触诊而开发的定量硬度测量设备很早就已出现[2]。例如,软组织超声触诊系统(Tissue Ultrasound Palpation System,TUPS),包括一个由超声换能器和精密压力传感器串联而成的手持探头,被测组织的硬度由压力与形变线性关系的斜率以及相应的数学模型确定[3]。虽然这类设备在实用中表现出不错的可靠性,但并不适用于较深的肌肉组织。
一些基于超声的方法也被用于测量组织硬度,比如超声弹性成像(Elastography),通过施加一个缓慢和小幅度的压缩过程,得到表示组织应变的二维图像[4]。这种方法对于检测正常组织内的小块病变十分有效,但它并不是一个定量的测量方法。对于弥漫性病变引起的组织硬度变化,需要直接测量组织的弹性系数,比如杨氏弹性模量或者剪切弹性模量,以确定病变的程度。
理论上,对于各向同性的胡克弹性材料,剪切模量μ是与剪切波速c相关的:
其中,ρ是弹性材料的密度。因此,测量某个频率的剪切波波速可以计算出相应的剪切模量。而剪切波速可以由沿着传播方向的两点间的距离除以传播时间,或者由二维应变图像中波长来计算[5]。
Sonoelastography方法使用低频的机械振动来产生剪切波,并利用多普勒原理对组织的应变成像。这一方法被用于测量股四头肌的硬度,并且证明了肌肉剪切模量与主动收缩水平具有正相关性[6]。然而,Sonoelastography需要很长的数据采集时间,容易导致肌肉疲劳。因此,它并不适合高收缩水平下的肌肉硬度测量。
与之相反,瞬时弹性成像法(Transient Elastography)的测量几乎可以实时完成。它是将一个一维超声波换能器串联在振动头上,所以其波速测量方向是与振动方向一致的,也就是垂直于组织表面的[7]。这一方法曾被用来测量肱二头肌和腓肠肌的肌肉硬度,并且证明了在垂直于肌纤维的方向上,肌肉硬度也与其收缩水平正相关。目前,瞬时弹性成像法已经被扩展到二维平面上,被称为超音波剪切成像法(Supersonic Shear Imaging)[8]。它在测量硬度的同时,还可以利用频散曲线估测组织的粘度。但是,这种技术需要超声成像设备具有很高的帧频(最高达10000帧/s),这在现有的商用超声成像设备上很难实现。同时,由于成像范围以及帧频的限制,它在测量超过100k Pa的硬度时会饱和,所以依然不足以测量高收缩水平下的肌肉硬度。
另一种被称为剪切波离散度超声测量计(Shear-wave Dispersion Ultrasound Vibrometry,SDUV)的技术则被用来测量垂直于振动方向上的组织硬度[9]。它使用一道聚焦超声波束在一定深度的组织内产生剪切波,同时使用另一道探测波束,在临近位置探测剪切波的传播情况。剪切波速由两道超声波束的距离除以剪切波传播的时间得出。该技术已经在离体测量中得到验证,但在使用普通超声设备同时产生聚焦波束和探测波束的尝试中并不成功,原因是聚焦波束受到辐射能量的限制,无法在较深的组织中产生足够幅度的剪切波。
磁共振弹性成像技术(Magnetic Resonance Elastography,MRE)是一种基于相位对比的磁共振成像技术,可以探测组织中微小幅度的剪切波传播[5]。相对于超声,MRE在穿透深度上没有任何限制,而且可以提供高分辨率的图像。但是,除了成本较高外,MRE完成一次数据采集也需要较长的时间(大约1~3min),这极大地限制了其在测量高收缩水平下肌肉硬度中的应用。
如上所述,此前的研究已经初步验证了肌肉硬度与收缩水平之间的正相关关系。但是,在这些研究中大都使用固定的的重量负荷来表示肌肉的收缩水平,比如悬挂1~10kg的重物。事实上,不同的人肌肉力量是不同的,从个人的相对肌肉收缩水平角度研究,可以使不同人的肌肉硬度情况更容易比较。一个比较常用的表示肌肉相对收缩水平的方法是使用最大自主收缩力矩的百分比(%MVC)。这一方法曾被与MRE技术一起使用,但是只能在低于20%MVC的水平上得到可靠的结果。在较高的%MVC水平上,由于较长的采集时间造成了肌肉的疲劳,应变图像的信噪比(S/N)大大降低。而使用基于超声的方法时,测量范围也没有超过40%MVC。为了克服现有方法在测量高收缩水平下肌肉硬度的局限性,本研究使用了一种新开发的基于超声回波测量剪切波速的方法,以健康男女青年为实验对象,测量了的其股中间肌的剪切模量,并确定了从0%MVC到100%MVC,11个不同的等长收缩水平与肌肉剪切模量之间的关系。
2 方法
2.1 实验对象
10名健康的年轻男性受试者和10名健康的年轻女性受试者自愿参加了本次研究。他们被要求保证大腿肌肉和膝关节最近没有受过伤。所有受试者都签署了由大学伦理委员会批准的“参加实验同意书”。
2.2 实验设备
膝关节伸肌等长收缩下的扭矩由HUMAC NORM康复训练系统(Computer Sports Medicine,Inc.,USA)测量。一个由函数信号发生器控制的电磁振动器minishaker type 4810(Brüel&Kjær,Denmark)被用来产生剪切波。振动器在大腿表面以低频率的正弦波方式(频率100Hz,10个周期为一个序列)振动。它的最大力量为10N,最大峰值位移为6mm。这意味着它产生的振动对人体是非常安全的。
剪切波探测系统是基于一台可编程的商用超声成像设备Sonix RP(Ultrasonix Medical Corp.,Canada)开发的,使用5~14MHz线阵列探头。我们通过对探头上某个位置的超声换能器单独编程,实现了一个特殊的的扫描序列。首先,连续采集包含256条扫描线的普通B型超声图像(宽度38mm,深度根据需要设定,本次实验中为65mm),用来辅助探头定位,直到图像上股直肌,股中间肌和股骨可以被很容易地分辨出来。然后,只有两条预先选定的扫描线被保留,它们之间的距离为15mm。这样做的目的是为了尽可能的提高帧频,以提高测量时间延迟的分辨率。最终在65mm的深度,帧频可以被提高到大约4.6k Hz。同时,较大的剪切波传输距离,也使可测波速的范围大大增加,可以满足高收缩水平下测量肌肉剪切模量的需要。超声回波信号的采样频率为40MHz。振动器和超声采集设备由外部触发信号同步。数据存储在Sonix RP的硬盘上,之后再转到计算机上作进一步分析。
2.3 实验步骤
受试者坐在HUMAC NORM康复系统的坐椅上,右脚踝部用束带与扭矩测量机械臂固定,并将机械臂的旋转轴位置调整到与膝关节的旋转轴位置一致。膝关节角度为90°(关节完全伸展时为0°)。如图1所示,超声探头和振动器被放置在从膝盖关节向上约2/3大腿长度的肌腹上。通过调整支架高度,使接触位置上的压力保持适中,避免肌肉由于受压变形而造成剪切模量明显改变。在测试过程中,100%MVC时的扭矩数值被首先确定,即保持等长收缩5s的情况下能达到的最大扭矩值。接下来,测量5次放松情况下的肌肉硬度,同时也给受试者大约5min的休息时间,避免肌肉疲劳的出现。最后,受试者被要求在不同的水平下保持等长收缩大约4s,从10%~100%MVC,共10个级别,每个级别测量3次,2次测量间有大约1min休息时间。
2.4 数据处理
MATLAB(The Mathworks,USA)被用来对采集的超声数据做进一步处理。使用一种改进的互相关方法,从超声回波射频信号中可以得到剪切波在各个不同深度的组织中引起的应变波形。为了提高应变波形的空间分辨率,我们对互相关结果中最大值附近的三个点进行了抛物线拟合,再对拟合曲线进行插值并选择插值后的最大值位置作为最终结果,使空间分辨率达到了0.2μm的水平。同样的技术也被用来提高时间分辨率,使其对应的虚拟帧频达到460k Hz的水平,进一步增加了测量精度。在这项研究中,股直肌下面股中间肌靠近筋膜的部分被选为感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)。在ROI深度上,采自两个位置的波形之间的时间延迟均值被用来计算剪切波速。再使用公式(1),计算出沿肌纤维方向的肌肉剪切模量,公式中的肌肉密度值被估算为1000 kg/m3。对测得的剪切模量数值,我们计算了其与肌肉相对收缩水平(%MVC)之间的相关系数Pr,并通过回归分析确定了它们之间的近似代数表达式,计算了确定系数R2。我们还使用multi-way ANOVA方法分析了性别因素和%MVC因素对结果的影响。所有统计分析都使用SPSS(SPSS Inc.,USA)软件完成。统计显著性的置信水平被设为0.05。
3 结果
如图2所示,沿肌纤维方向,股中间肌的剪切模量与其相对等长收缩水平(%MVC)是正相关的(相关系数:男性组,Pr=0.977;女性组,Pr=0.974)。通过回归分析可知,它们之间的关系接近二次多项式关系(确定性系数:男性组,R2=0.999;女性组,R2=0.9985)。但从图上看,标准差在大于60%MVC的收缩水平后有变大的趋势。从multi-way ANOVA的分析结果看,性别×%MVC这两个因素的交互作用对结果没有显著影响(P=0.91)。性别和%MVC分别作为主要因素对结果都具有显著影响(性别影响:P=0.011;%MVC影响:P<0.001)。由估测边际均值可知,在相同的相对收缩水平下,男性组的肌肉硬度大于女性组。同时,随着%MVC水平的增高,肌肉硬度显著增加。这一结果与从图2得出的直观结果是一致的。
4 讨论
除了使用机械振动器,还可以使用聚焦超声来产生剪切波。其优点是振源可以比较精确地定位于某一特定的深度,剪切波将从这一点传播到周围组织,不易受界面反射的影响。其缺点是受辐射能量的限制,产生的振动幅度比较小,在较深的组织中难以被探测到。机械振动法可以产生更大的振幅,频率也可以精确地控制。因此,组织中的应变波形可以容易地被跟踪和过滤以去除噪声。然而,剪切波从皮肤表面传播到内部组织的过程中,可能发生折射和反射等现象,特别是当骨骼和肌肉呈现比较复杂的几何形状时[10]。这将改变应变波形,增大时间延迟测量结果的误差。
新的测量方法要求剪切波在被测肌肉中的传播模式为较规整的平面波。根据文献,在不同位置使用不同形状的振动头激励肌肉时,剪切波的传播模式是不同的。平面波模式出现在用短棒状的振动头直接激励大尺寸肌肉的肌腹时,因为此时肌纤维是平行排列并且被同时激励[11]。股中间肌具有较大的尺寸,平坦的形状,肌纤维几乎沿同一轴线平行排列,研究方向上的折射和反射现象可大大减少。在研究中,我们发现,相比股直肌,在股中间肌的深度观察到的平面波形态更加均匀规整,这可能与剪切波在股直肌深度受到从皮肤和筋膜两个界面反射回波的影响有关。所以最终我们选择了股中间肌作为研究目标。
在我们的结果中,收缩水平超过60%MVC之后,两组受试者剪切模量的标准差都有增大的趋势。这可能是由于,在高收缩水平下,随着剪切波速的增大,所测时间延迟缩短,时间分辨率受到帧频的限制,对结果的影响相应增加。但也有可能是由于肌肉为了保持高水平的等长收缩,其活跃程度本身的变化区间增加所致。我们还需要进行进一步的研究,来确定这一偏差增长的趋势是由肌肉的固有属性引起的,还是由测量系统的局限性造成的。
综上所述,我们的研究结果表明,股中间肌沿肌纤维方向上的剪切弹性模量与其相对等长收缩水平(%MVC)是正相关的。此外,男性的肌肉硬度在同样的%MVC收缩水平上大于女性。这些结果有助于增进我们对肌肉功能和属性的进一步了解,同时新的测量方法也提供了用于力量训练或者临床情况下肌肉评估的又一工具。我们进一步的目标是在肌肉收缩过程中实时提供肌肉的弹性值,从而得到弹性声肌图(sonomyography)[12,13,14]。
摘要：现有的各种研究肌肉硬度的方法有其各自的优点和局限性。在过去的此类研究中,很少使用肌肉最大自主收缩(Maximum Voluntary Contraction,MVC)扭矩的百分比来表达相对收缩水平,而且缺少高收缩水平(40%MVC以上)下测量肌肉硬度的手段。本文采用了一种基于振动-超声法测量剪切波波速,继而计算肌肉剪切模量的新方法,解决了高收缩水平下肌肉硬度的测量问题。我们以右腿股中间肌为目标,测量了从0%～100%MVC共11个不同等长收缩水平下的肌肉剪切模量。两组年轻的健康男性和女性受试者(各10名)自愿参加了本次研究。研究结果表明,股中间肌沿肌纤维方向的剪切模量,与肌肉的相对收缩水平正相关,它们之间的拟合结果接近二次多项式关系。在相同的相对收缩水平下,男性的肌肉硬度大于女性。
关键词：骨骼肌,软组织硬度,剪切模量,等长收缩,超声,声肌图
超声波液位测量系统设计 篇2
目前, 超声波技术发展迅速, 不断渗透到各个领域, 如在军事、医疗、测绘等方面都有广泛的应用。液位的测量和控制也是日常生活中一个重要的领域, 液位的测量方法有很多。例如:差压法测量液位, 电容法测量液位, 温度补偿超声波法测量液位等等。但采用这些方法会因恶劣的环境和液体密度的变化给测量带来较大的误差, 因某些液体具有腐蚀性而腐蚀测量装置。针对上述问题, 本设计提出了基于浮子的参比法, 由SPCE061A凌阳单片机, LM1812超声波专用集成芯片相结合的方法, 解决上述问题。本系统可靠性高, 适用性强, 精度高。
2参比法液位测量原理
参比法其原理是利用超声波换能器发出的超声波脉冲, 通过气介质传播, 在密度变化较大的界面处形成反射回波传到换能器并将其接收。若测出超声波从发射到接收的时间, 就可以精确地计算出被测液体的液位。其原理如图1, 当超声波发射后接收超声波的传感器就会依次接收到两束回波信号, 一束回波是在校准环处产生的, 测量的时间为To。另一束回波是在浮子处产生的, 测量的时间为T。浮子随被测液体的液位变化而变化, 超声波在浮子以上的气介质中传播。由于在相同的环境中工作, 超声波到校准环和到浮子顶面的速度相等由此可得:
上式中:Vo是超声波到校准环的速度。V是超声波到浮子顶面的速度。可以推出:
故被测量液体的液位:
H=Ho-h-d
上式中:H是被测量液体的液位;Ho是超声波传感器到容器底部的距离;h是超声波传感器到浮子顶部的距离, 通过测量的时间计算其值;ho是超声波传感器到校准环的距离, 可根据最高液面调整校准环的高度;d是浮子顶面到液面的距离。由此可见, 测量时与超声波的速度无关, 不存在因温度, 湿度, 气压影响超声波的速度给系统带来的误差。
该系统要实现其功能和减少系统误差, 装置必须满足以下要求:其一, 测量管的底部与被测液体连通, 便于被测液体进入测量管;其二, 浮子的密度必须小于被测液体的密度, 且浮子具备抗腐蚀性;其三, 校准环和浮子应选有利于超声波反射的材料;其四, 测量管采用抗腐蚀性强的不锈钢材料。
1.超声波传感器2.校准环3.测量管4.浮子5.测量管与被测液体的连通口6.被测液体
3硬件原理电路
本系统的简要硬件电路如图2, 发射和接收硬件电路采用LM1812超声波专用集成芯片, LM1812是一种既能发送又能接收超声波的芯片, 采用这块集成可以简化硬件电路, 提高系统的可靠性。芯片内部包括:脉冲调制C类振荡器, 高增益接收器, 脉冲调制检测器, 噪音抑制器。
当8脚为高电平时, LM1812处于发射模式, 第1管脚外接C1, L1决定电路的发射或接收的工作频率, L1C1振荡槽路被切换为振荡模式, 振荡信号经驱动放大后, 从13管脚及6管脚输出。
当8管脚为低电平时, LM1812处于接收模式。超声波传感器接收到返回的超声波信号经电容耦合由4管脚输入, 再经内部两级放大, 放大后的信号和从1管脚的谐振回路取出的信号一起送到检测器, 同时有噪声也被检测, 可以通过17管脚外接的电路进行滤波。当1管脚上的电压变得小到不能触发检测时, 积分器经延时复位。当处在发射模式时, 第二级放大器会自动断开。
图2中虚线Ι部分为简要单片机接口电路图, 超声波发射和接收状态控制端由单片机控制, 接收脉冲的检测输出端接到单片机的外部中断口。数据显示部分采用LCD显示, 耗电小, 连线简单, 显示数据量大。
4系统软件设计流程图
图3为系统软件流程图。本系统需要测量的两个变量就是To和T。SPCE061A凌阳单片机提供两个定时/计数器TimerA和Timer B, 分别用来测量校准环处返回的超声波信号所用的时间To, 浮子处返回的超声波信号所用的时间T。把测量的时间经数据处理, 计算出被测量液体的液位H。再调用LCD显示子程序。
5结束语
本设计不仅具有连续测量液位的功能, 而且利用该超声波测量法避免了外界环境对超声波声速的影响而产生的误差。另外采用超声波专用集成芯片LM1812, 使其电路简单等特点。该系统既适合于密封容器的液位测量, 对敞口的容器也适合。当被测液体具有腐蚀性时, 可以避免超声波传感器腐蚀性液体直接接触, 本系统测量精度高, 适用范围广。
摘要：本设计是由SPCE061A凌阳单片机, LM1812超声波专用集成芯片组成的高精度液位测量系统。针对自校准装置[1]提出了一些新的改进, 即基于浮子的参比法。避免了超声波速度受温度, 湿度, 压强等环境因素给测量带来的影响;克服了某些液体因具有腐蚀性给测量带来的不便;提高了液位测量的精确度。
关键词：单片机,参比法,超声波,LM1812
参考文献
[1]蒋跃元, 王文然, 李德重等.自校准超声波液位测量的研究[J].机械工业自动化.1996, 18 (2) :39-42
[2]田景文, 王学海, 崔立宝.超声波油罐液位测量仪[J].现代电子技术.2000, 第7期:62-64
[3]方佩敏.超声波专用集成电路LM1812的原理与应用.电子世界.1993年
[4]孙传友, 孙晓斌编著.感测技术基础.北京:电子工业出版社.2006年
浅谈超声波时差测量技术 篇3
物位测量仪表是测量液态和粉粒状材料的液面和装载高度的工业自动化仪表。物位测量仪表的种类很多，常用的有直读式液位计、差压式物位仪表、浮力式液位计、电容式物位仪表、超声波物位计、微波物位计和核辐射物位仪表。此外，还有电触点式、翻板式和机械叶轮探测式等物位测量仪表。超声波物位计与微波物位计使用性广，安装方便，精确度高，在现在工业中得到了越来越广泛的应用。
1 超声波时差测量技术
在超声波检测技术中，不管哪种超声波仪器，都必须把电能转换成超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。将超声波换能器置于被测液体上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。
物位的计算：L=E-D
L=物位F=量程
E=净距离D=测量距离
T=时间C=速度
BD=盲区SD=全距离
发射器发送超声波，经介质表面反射后，接收器接受反射波，由发射器与反射物(介质表面)之间的距离可计算出物位高度：
由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到介质表面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了物位的数据。
要精确计算出物位首先要了解超声波特性，确定声波在某种介质中的传播速度C。
人耳所能听到的声波在20～20000Hz之间，频率超过20000Hz人耳所不能听到的声波称为超声波。超声波是机械波的一种，它的特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，最明显的特性就是方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。
要测物位，声波在气体中的传播速度是关键。声音的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度。
声音在气体中的传播速度：
p=静态压力ρ=介质密度
=热容比T=温度
C0=0°C时声速
超声波是有衰减的，它的频率愈低，随着距离的衰减愈小，但是反射效率也小。因此，应根据测量范围、物位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波传感器。借助不同的发射频率，可以测量的测量范围从4米到70米。
2 超声波物位测量的优点
超声波物位测量有着诸多的优点，非接触式测量，寿命长;不受介质特性的影响它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的情况下测量物位，不受表面泡沫的影响。此外，在高温或吹风时也可检测物位，特别是可以检测高粘度液体和粉状体的物位。
3 安装要求
换能器发射超声波脉冲时，都有一定的发射开角。从换能器下缘到被测介质表面之间，由发射的超声波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，因此安装时应尽可能避开罐内设施，如：人梯、限位开关、加热设备、支架等。另外须注意超声波波束不得与加料料流相交。
安装仪表时还要注意：由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波物位计的型号有关。安装时最高料位不得进入测量盲区;仪表距罐壁必须保持一定的距离;安装换能器时应使换能器发出的声波垂直于被测物体，使换能器能接收到较多的物体反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体与换能器之间不能存在任何物体，以免使声波被遮拦物反射给换能器，造成实测距离为换能器与遮拦物之间的距离。
4 其他应用
微波脉冲测量仪、激光物位测量等，其工作原理与超声波相同。只是探头发射的为微波或者红外线。
由于微波及红外线的速度接近光速，从照射到接收的时间很短，所以利用取样电路扩大成毫微秒数量级，便于信号处理，进行时间的测量。利用微机进行数据处理，变为数字显示物位值的模拟输出信号。这种传感器可应用于钢铁工业连续铸造装置的砂型铁水液位高度测量。还可以应用与狭窄开口容器及高温、高精度的液面测量。
摘要：超声波物位计是一种非接触式的物位传感器, 应用领域十分广泛。其工作时向液面或粉体表面发射一束超声波, 被其反射后, 传感器接收此反射波。设声速一定, 根据声波往返的时间就可以计算出传感器到液面 (粉体表面) 的距离, 即测量出液面 (粉体表面) 位置。
超声测量 篇4
1 超声流量计的工作原理
超声波流量测定原理是多样的, 本文中所涉及的超声波流量计采用的是超声波传输时间差法。超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 利用这一特点可求出流体的速度, 再根据管道流体的截面积便可知道流体的流量。在流量短接的两端各安装一个超声波传感器, 它们既可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。
设顺流方向的传播时间为t1, 逆流方向的传播时间为t2, 流体静止时的超声波传播速度为c, 流体流动速度为v, 则
一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 因此超声波传播时间差为:由于c>>v从上式便可得到流体的流速为:
超声流量计的设计只采用了两个简单的超声波传感器, 不同于涡轮流量计测量过程中叶片产生磨损的情况, 当流体流经两个传感器之间时, 均是流畅地通过, 不会对传感器造成堵塞、沾污和磨损等伤害。从原理上看超声波具有方向性好穿透能力强, 在流体中的传播速度远远大于流体本身的流速, 这就使得超声波不受流体粘度密度等物性的影响可以畅通地发射和接收。
具备了先进的测量原理, 还应经受得住实践的考验。本文接下来通过不同流量计之间和同种流量计之间的对比分析来研究流量计的性能。
2 超声流量计性能的对比和分析
在仪器使用过程中, 由于操作不合理、仪器自然老化等原因使得仪器稳定性出现相应的变化, 使用一定时间后都需要对其进行流量标定。下面就从流量标定方面对目前测试一大队在用的九方制造五参数组合测井仪和仪器厂制造五参数组合测井仪、西安思坦同位素五参数组合测井仪的稳定性和相关系数对比分析。
2.1 三种仪器进行流量标定分析
任意取九方制造五参数组合测井仪、仪器厂制造五参数组合测井仪和西安思坦同位素五参数组合测井仪各一支, 进行室内流量标定。根据实际流量和计数之间的对应关系, 拟合回归出一条直线, 即流量与计数的关系曲线, 通过它可以确定出斜率和截距进而得到一直线方程, 然后再将每个流量下对应的计数代入方程, 求出线性方程的理论流量, 和实际流量比较计算, 求得相对误差和平均相对误差。
从表1相对误差和平均相对误差的计算结果明确显示出九方仪器在稳定性方面比其他两种仪器更稳定更有优势, 应用到实际测得的流量更加准确。实验中可以看出随着流量的增加, 各仪器的相对误差都有不同程度的降低, 这说明高流量情况下测得的数据相比低流量下测得的数据更加准确更加可信。
2.2 影响仪器稳定性因素分析
由于超声波也是声波, 声速与温度有关, 随着仪器在井下的深入, 超声波穿行的环境温度也在不断的升高, 这就会造成测量的差异, 下面就这一因素进行探讨。
任意取一支九方制造注入剖面五参数组合测井仪, 放入可控温度的水箱内, 分别设定温度为15℃、25℃、30℃、40℃、50℃。在这几个不同温度的静水环境下进行室内流量标定, 通过计数地稳定性对比温度对测量结果的影响。测量结果见表2, 我们可以看出:在各个温度下流量计的读数基本稳定, 说明此流量计性能良好。同时还观察到随着温度的升高, 流量计的读数呈降低趋势, 到40至50℃时, 读数基本稳定在2100~2200之间。考虑到注入剖面组合测井仪是用于注入井, 井内温度应该不会很高, 加之在室内测试时长时间的高温有可能对仪器内部电路或是传感器结构造成破坏, 因此没有再继续升高温度测试。
在实验过程中我们发现超声流量计存在一个固定的或宽或窄的稳定工作电流区间, 当供电电流稍微高于或低于此电流区间时, 尽管仪器其它短接仍然正常工作, 但超声流量短接的显示计数会出现很大的毫无规律的波动, 当电流重新恢复到此电流区间时, 流量短接又可以正常工作。对于每支仪器的超声流量计短接来说, 它们的稳定工作电流区间是各不相同的。只要在实际测井过程中多注意观察就可以确定各仪器超声流量短接的稳定工作电流, 这对现场操作具有一定的指导意义。
3 结论
3.1 通过对三种不同注入剖面五参数组合测井仪进行流量标定分析, 得出在相关性方面三种仪器相差无几, 但在稳定性方面九方制造仪器更具有优势更加稳定。
3.2 随着流量的增加各仪器的相对误差都有不同程度的降低。
3.3 同种仪器在六个不同温度静水条件下对比其流量计数, 结果显示随着温度的升高流量计数呈下降趋势, 到达一定温度计数趋于平缓稳定在一定数值范围内。
3.4 在实验过程中发现每支流量短节都有其各自的稳定工作电流区间, 超出此区间流量计数将会极度不稳定。
摘要：本文就大庆油田测试一大队注入剖面流量测量中常用的超声波流量计, 从超声波的影响因素和仪器使用过程中操作的不当对超声流量计的测量精度做一简单的探讨。
关键词：注入剖面,超声流量计,精度分析
参考文献
产前超声测量的规范化问题探讨 篇5
关键词：产前超声,规范化问题,探讨
1产前超声检查的规范化问题
产前超声检查,要有明确的检查流程,注意检查的顺序,对于每一个胎儿都要做到检查的全面,无论检查哪个部位都要清楚欲检查的内容与切面。超声检查时,第一部是要确定胎头与脊柱的部位,以便使检查者明确胎儿的头端、足端以及左右两侧所处的位置。检查的顺序大致可分为以下几步:
1.1胎儿头部。包括颅骨的观察、颅内结构的观察、颜面部的观察。颅骨的观察,重点是形态、颅骨厚度、骨化程度、有无缺损等;颅内结构的观察,需进行横切面、矢状切面及冠状切面的扫查,观察内容包括大脑实质回声、脑中线是否居中、侧脑室、第三脑室与颅后窝有无扩张,还有脉络丛、丘脑、小脑大小及形态、小脑蚓部是否连续等;颜面部的观察,需经矢状面、冠状面及横断面扫查,重点观察眼、耳、鼻唇等结构。
1.2胎儿颈部。可通过矢状面、冠状面及横断面扫查,观察有无肿块等,妊娠11~13+6周时,重点观察颈项透明层厚度。
1.3胎儿胸部。包括胎儿肺部的观察及心脏的观察。心脏检查较为复杂,可经过多各切面观察,包括四腔心切面、流出道切面、三血管切面、三血管气管切面、主动脉弓及导管弓长轴切面等,同时注意二维超声与彩色多普勒超声检查的结合。
1.4胎儿腹部。胎儿腹部需要的内容较多,包括肝脏、肝内血管、胆囊、胃泡、肠道、双侧肾脏、肾上腺、膀胱等,还要观察腹壁、膈肌、生殖器等,可通过不同切面逐项检查。
1.5胎儿脊柱。可通过矢状切面、冠状切面及横切面检查,需要连续观察,逐段检查。
1.6胎儿四肢。应检查双侧上肢及其内的肱骨及尺、桡骨和下肢及其内股骨、胫、腓骨,以及手足,这些检查均应包括长轴切面和短轴切面。
1.7羊水、胎盘、脐带。羊水检查主要是测量羊水量与观察其透声情况。胎盘检查的内容包括附着的部位、下缘的位置、大小、形态、厚度、内部回声、前后面有无异常回声等。脐带的检查包括长度、径线、螺旋状况、脐带内血管数目,以及有无脐带缠绕、打结等,中晚期妊娠需要测量S/D值、搏动指数、阻力指数等指标[1]。
2胎儿超声测量的标准化问题
2.1双顶径测量:经胎儿颞部垂直于大脑镰的横切面,颅骨环呈椭圆形,左右对称,脑中线居中,不连贯,颅内结构从前至后依次为透明隔腔、对称的两侧丘脑、丘脑之间可见到第三脑室。标准测量方法,测量近场颅骨外缘至远场颅骨内缘的距离。测量线垂直于脑中线。
2.2头围测量:测量头围的切面,就是测量双顶径的切面,其标志包括脑中线位于颅骨正中、两侧丘脑对称以及其间显示第三脑室。沿颅骨周边描记或者使用超声设备中的椭圆模式测量。
2.3小脑横径测量:从双顶径平面将探头向后倾斜显示小脑。小脑蚓部应该位于小脑半球中间。小脑横径是指小脑左右最大径线。
2.4腹围测量:以下标志点用于准确界定腹围:(1)声束垂直于脊柱长轴90度的横切面,且位于3点或9点位置,当脊柱在12点位置时,则不能显示左右肝门静脉汇合处;(2)胃泡在胎儿左侧腹部;(3)腹部两侧肋骨对称;(4)图像可见左右肝门静脉的汇合处,腹部呈圆形,而不是椭圆形。测量胎儿腹部外围长度。
2.5股骨长测量:股骨长是用于评估孕龄的主要长骨测量指标。将探头垂直于股骨的长轴放置,显示股骨最大长径。测量股骨干长度,不包括股骨颈及远端骨骺。
2.6羊水测量:测量羊水最大前后径、羊水指数。羊水最大前后径测量,选择最大羊水区测量,测量前后径,羊水区内无胎儿肢体或附属物。羊水指数测量,以孕妇腹中线和脐水平线为标志,将子宫分为4个象限,测量每个象限羊水最大前后径,并将所测得数值相加,即羊水指数。
3超声测量误差的发生与控制
产前超声检查时,超声切面的标准与否,关系到胎儿正常结构及病变的显示,非标准切面,直接影响着测量,不准确的测量数据,则会导致诊断的错误。因此,产前超声检查要讲求检查规范、切面标准、测量精确。在超声诊断工作中,要尽量减少或避免所有人为的测量误差,同时,还要抓住超声检查与测量的最佳时机,了解不同孕期超声测量的误差,才能做到测量数据接近实际数值,以及保证诊断的正确性胎儿双顶径、头围测量,是在胎儿头部丘脑水平的横切面上,除了具备基本的标志点外,还要注意以下几点,包括颅骨环的椭圆形结构,其长径需呈水平放置,脑中线与水平线平行、与声束垂直。这些也都是标准切面不可缺少的要素。测量适宜时间在妊娠12周至足月,但是,较为精确可靠的测量时间在妊娠20~28周,胎儿双顶径测量总的误差在0.2~0.3 cm,在不同的孕周又有不同程度的误差,妊娠12~20周时,预测孕龄误差为5~7天;妊娠21~28周时,预测孕龄误差在11 d左右;晚孕单次测量预测孕龄误差在2~4周。
胎儿头颅有相当大的伸展性,可以受到许多因素的影响,例如臀先露、羊水过少或较大的子宫平滑肌瘤压迫,均可以影响胎头形态,从而影响到双顶径测量的准确性。
胎儿头围测量适宜时间同双顶径测量,在不同孕周的误差亦各不相同,妊娠12~17周时,预测孕龄误差在1.3周左右;妊娠24~30周时,预测孕龄误差在2.3周左右;妊娠36~40周时,预测孕龄误差在3.4周左右。
在妊娠中晚期头围是参与孕龄评估的主要指标之一。特别是当胎头形状发生改变,用双顶径评估孕龄有较大误差时,头围是一个非常重要的评估参数。与双顶径相比,头围与头形关系不大。
胎儿小脑横径测量,选择的切面是在小脑横切面,标准切面上可以清晰显示小脑两半球横切面,如果切面不标准,则会出现小脑两侧半球的大小、形态不对称情况,此时测量数值则与实际小脑半球数据有差距。
胎儿腹围测量,不作为常规项目。但是,可用于胎头畸形、母体糖尿病等情况,或妊娠36周以后,胎头测量可信度下降时。如果切面图像显示心脏的一部分,说明切面位置过高;如果显示出胎儿双侧肾脏,说明切面位置过低;如果切面图像不是一个圆形,说明切面不是垂直于胎儿躯干长轴。这些不标准的切面,所测量的腹围数据与实际腹围数据就存在着误差,这是在超声测量腹围应该注意的问题。胎儿有呼吸样运动时,影响腹围的测量,所以应该在呼吸样运动间歇期进行,以避免测量的误差[2]。股骨长测量的适宜时间为妊娠14~22周,最佳时间是妊娠18周左右,超声检查应抓住测量的最佳时机。胎儿股骨长测量孕龄的误差在6.7天左右。
应用胎儿多参数计数法[3]估测孕龄,不但可相互抵消或平衡各参数间的误差,提高孕龄估测的准确性,而且还能同时评定胎儿身体各部的生长发育状况,客观而精确,从而有助于减少或避免产前超声诊断中错误的发生。
参考文献
[1]涂长玉.产科超声测量与诊断[M].济南:山东科学技术出版社,2014.
[2]杜起军,崔立刚,主编.超声正常值测量备忘录[M].北京:人民军医出版社,2014.
超声测量 篇6
1 资料与方法
1.1 一般资料
选择2009年3~11月在我科分娩的产妇231例。入选条件:胎龄经核对后均≥37周,分为正常产,平均孕周39.1周;异常产,包括妊娠高血压综合征、妊娠合并糖尿病等妊娠合并症及并发症的孕妇,平均孕周为38.6周;孕妇年龄21~42岁,平均29.1岁;超声测量在分娩前0~7 d进行;超声检查胎儿无畸形;排除新生儿畸形。
1.2 方法
方法一:采用百胜DU-6型彩色多普勒超声仪,超声探头为3.5 MHz的凸阵探头。超声测量胎儿的BPD、HC、AC及FL,测量均采用目前国内外通用的测量方法,均测量3次取其均值。超声仪设有产科软件,测出上述4个参数后屏幕直接显示出胎儿体重及生长曲线。追踪记录新生儿出生体重。所有测量均在分娩前0~7 d进行。B超操作者由2位年资不同的专业医师完成。
方法二:临床医师给孕妇进行产科检查,通过常规测量孕妇宫高、AC、根据羊水量及孕妇腹壁厚度估计胎儿体重,根据公式计算估计体重=宫高×腹围+200 g[4]。
新生儿体重的测量:使用电子新生儿体重计(误差<10 g),在出生后5 min内实施。
1.3 统计学方法
采用SPSS 13.0软件包进行统计学分析,计算超声及公式预测胎儿体重符合率,并应用χ2检验比较不同操作者的诊断符合率间的区别。
2 结果
2.1 总体预测结果
231例产妇的胎儿进行预测,孕周37~41周,超声预测体重1 343~4 254 g,平均(3 232±453)g;实际体重1 200~4 400 g,平均(3 306±499)g;估计体重2 592~4 628 g,平均(3 660±389)g。出生体重与超声体重,估计体重的相关系数r值见表1,|r|越接近1,相关程度越大,故超声体重与出生体重更加符合。
2.2 两种方法预测正常产、巨大儿及异常产的超声预测符合率
具体结果见表2。
2.3 甲、乙两位操作者的诊断符合率比较
甲、乙两位操作者的总体诊断符合率为83.1%。两者比较,差异无统计学意义(χ2=0.824 2,P>0.05)。具体结果见表3。
3 讨论
近年来随着胎儿体重的不断增加,准确预测胎儿体重对于正确选择分娩方式至关重要,对减少母婴并发症及优生优育更加重要。胎儿是否能够顺利通过产道,骨盆偏小时能否经阴道试产等都需要一个相对准确的胎儿体重估测。目前许多文献提供了预测体重的公式,有单项指标,也有多项指标。多项指标公式预测胎儿体重,弥补了单项指标的不足,但计算繁琐复杂,不利于临床应用。而根据宫高、腹围、孕妇腹壁厚度等估计胎儿体重又受到临床经验的限制,需要有经验的医师进行检查。本研究选取与胎儿生长发育密切相关的参数BPD、HC、AC、FL,结果表明,超声预测胎儿体重符合率分别为88.1%、81.0%、64.7%,准确性较高。甲乙2位操作者的诊断符合率分别为85.3%、80.9%,两者诊断符合率间无差异,说明年资不同的医师应用超声预测胎儿体重均较准确。
本研究包括妊娠高血压综合征、妊娠合并糖尿病等妊娠合并症及并发症的孕妇,这不同于以往许多文献报道都除外这些病例。笔者认为,准确预测胎儿体重特别是有妊娠合并症及并发症的胎儿体重,临床指导意义更为重大。本研究结果表明,异常产符合率达64.7%,说明多参数超声测量指标预测妊娠合并症及并发症者的胎儿体重准确性也较高。临床医师在估算正常出生胎儿体重时较为准确,符合率为71.6%,但对于妊娠合并症及并发症的孕妇腹中胎儿体重估算准确性较低,为23.5%,这可能与医师的临床经验有关。本文对巨大儿的诊断符合率为81.0%,有4例超声预测体重时未提示,但实际出生体重大于4 kg,无过高估计者,符合率也较高,这就为减少产道损伤、产后出血、母婴产伤、手术风险增加和住院时间延长等提供重要的参考价值。
国内外大量文献报道,近年对于胎儿体重的超声预测热点多集中在单参数胎儿肝脏的大小、皮下软组织、股骨皮下软组织的厚度、腹围等,且研究表明与体重具有更好的相关性。以上测量方法虽然更为准确,但技术要求较高,对于从事超声工作年限较短的医师难度较大,可能导致更大的误差发生,而本文选用4个较易测量的径线则没有这方面的限制。在B超诊断仪自带的产科软件下自动算出超声体重简单、准确性高,且胎儿的各项生物学指标并不是独立存在的,它们之间具有相互作用和相互制约的关系,每一项指标都与体重有一定的相关性,只是密切程度不同。
超声预测胎儿体重的意义就在于弥补临床估计的不足,特别是对肥胖孕妇和瘦小孕妇及可疑巨大儿等临床估计困难的情况时有应用价值,同时对难产的处理起到协诊作用。随着B超仪器的不断改进和计算机技术的不断发展,超声预测胎儿体重将会越来越准确,对产科医师也会起到越来越重要的作用。
摘要：目的:评价B超测量胎儿双顶径、头围、股骨、腹围预测胎儿体重的准确性,并与临床常用公式估计胎儿体重作比较。方法:选择临产前0～7d、单胎、足月产妇231例,B超测量上述径线预测胎儿体重(方法一),同时测量孕妇宫高、腹围,根据公式计算胎儿体重(方法二),与出生后实际体重比较,并比较不同操作者诊断符合率间的差别。结果:231例产妇的足月胎儿进行预测,出生体重与两种方法的相关系数r值分别为0.914、0.336(均P<0.01),｜r｜越接近1,相关程度越大,超声体重与出生体重更加符合。方法一和方法二预测正常产、巨大儿及异常产的符合率分别为88.1%、81.0%、64.7%;71.6%、47.6%、23.5%。甲、乙2位操作者的诊断符合率分别为85.3%、80.9%,差异无统计学意义(P>0.05)。结论:超声测量胎儿双顶径、头围、股骨、腹围用于预测胎儿体重是一种简单、准确、易于掌握的方法。
关键词：胎儿体重,超声,双顶径,头围,股骨,腹围,符合率
参考文献
[1]时春艳,张萧萧,金燕志,等.超声测量胎儿腹围预测新生儿出生体重的研究[J].中华妇产科杂志,2005,40(11):732.
[2]曹海根,王金锐.实用腹部超声诊断学[M].北京:人民卫生出版社,1998:733-736.
[3]谢红宁.妇产科超声诊断学[M].北京:人民卫生出版社,2005:53-60.
[4]乐杰.妇产科学[M].7版.北京:人民卫生出版社,2008:54.
[5]常才,默哈默德,庄依亮,等.胎儿体重与肝脏大小的关系[J].中华妇产科杂志,1997,32(1):37-38.
[6]刘兰芬,董华,周宁,等.超声测量胎儿股骨皮下组织厚度预测胎儿体重的相关性探讨[J].中国超声医学杂志,1999,15(5):388-389.
[7]焦英华,邵延龄.肱骨软组织厚度和腹围与巨大胎儿体重关系的探讨[J].中国超声医学杂志,1999,15(4):305-307.
超声测量 篇7
关键词：光纤激光器,水听器,偏振外差法,双频超声测量
0 引言
近些年来,双频超声已经在临床医学和有效成分提取领域得到了广泛的应用。文献[1]指出双频超声诊断在肝占位病变组织定征分析特别是在肝血管瘤与肝细胞癌和肝转移癌的鉴别中具有重要的价值。文献[2]指出可以利用双频复合超声的空化效应来提取天然药物中的有效成分。并且研究结果表明,相对于单频超声信号来说,双频超声信号更加适合在上述领域的应用。传统的用于检测液体环境中超声信号的装置大多是基于PZT水声传感器,但是目前大部分商用的PZT超声测量装置会受带宽较窄的限制。为了解决带宽受限的难题,一种常用的方法是采用传感器阵列,但是这仍然会面临体积大,不容易制造的问题。并且PZT水听器还极易受电磁干扰的影响。
目前,光纤激光传感器受到了广泛的关注。相对于传统的传感器来说,其具有免电磁干扰,精度高,体积小,长期稳定性,以及复用能力强等优点[3]。关柏鸥等提出了一种采用偏振外差法的基于分布布拉格反射式(DBR)结构的光纤超声水听器[4]。当超声信号施加到水听器上时,会引起光纤双折射的变化。通过测量拍频信号上下边带的频率和幅值,可以获得超声信号的频率和幅值的相关信息。与传统的压电水听器相比,该水听器不仅可以探测更高的频率,还具有更高的空间分辨率[5]。
本文提出了一种基于DBR光纤激光传感器用于液体环境中的双频超声测量系统。首先理论分析了双频超声信号与DBR偏振拍频信号之间的关系,然后进行相关实验。将双频超声信号施加到DBR光纤激光水听器上,通过调整超声探头相对于光纤偏振轴的辐射方向和超声驱动电压来改变调频指数,分别验证了超声信号可能出现的四种情况,获得了与理论分析一致的结果,从而表明DBR光纤激光水听器可以用来进行双频超声测量。
1 DBR光纤激光传感器的工作原理
图1给出了DBR光纤激光器的示意图。它沿径向从里到外分为纤芯、包层和涂覆层,其中DBR腔体结构是由一段掺铒光纤以及写制在其上的两个波长匹配的光纤布拉格光栅(FBG)组成的。
由于光纤在制作过程和光纤激光器紫外曝光过程中都将引入双折射,因此DBR光纤激光器通常会工作在两个正交偏振模状态。当用高速的光电检测器和电子频谱分析仪来检测激光器的输出时,可以观察到一个在射频频域内的偏振拍频信号。拍频频率可以表示为:
其中,c是真空中的光速,B=|nx-ny|是双折射,n0≈nx≈ny是光纤的平均折射率,λ0=2n0Λ≈λx≈λy是光纤光栅的布拉格波长。
当超声信号施加到DBR光纤激光器上时,由于弹光效应,声压会引起折射率沿x方向和y方向各向异性的变化,从而引入额外的双折射,使拍频频率发生变化。由频谱分析仪检测到的光纤激光器输出的电场可以表示为[6]:
其中,wb是拍频信号的频率,kf是调频灵敏度,它依赖于光纤分别沿x和y方向的应变张量,δ(t)是拍频信号的瞬时频率,定义如下:
其中,Ui,ωi,Ψi,y=1,2,…,n分别是超声信号的幅度、频率和相位常数。根据公式(2)和(3)可以得到由超声信号调制的电场为:
在双频超声测量中,DBR光纤激光器输出的电场来自于每个超声探头的复合作用,从而公式(4)可以表示为:
其中,,i=1,2是调频指数。
当,为窄带调频,此时公式(5)可以化简为:
公式(6)表明当声压施加到激光器上时,将会在拍频信号上下两边分别产生两个边频分量,其中边频分量的幅度与声压的强度近似成正比。
当时,为宽带调频,又可以分为三种情况。第一种情况是,并且
此时,在拍频信号上下两边将分别产生四个边频分量。
第二种情况是
公式(8)表明,当超声信号δ2(t)不满足窄带调频条件时,会产生无穷多个关于该频率的倍频分量,且边频分量的幅度不再与声压成正比,而是由第一类贝塞尔函数Jm(mf2)决定。
第三种情况是。在这种情况下,公式(5)可以化简为:
此时关于两个超声频率都将出现倍频分量。
2 实验装置和结果分析
图2给出了实验装置的示意图。DBR光纤激光器的写制是通过利用193nm的准分子激光器和相位掩模板直接将两个波长匹配的布拉格光栅写制到一段掺铒光纤上实现的。两个光栅的长度分别为20mm和15mm,反射率分别为30d B和20d B,它们之间的有效腔长为12mm。
双频超声测量的工作原理如下:980nm的半导体激光器作为泵浦光源,由波分复用器的980nm端口进入到980nm/1550nm波分复用器,再由波分复用器的公共端口进入到DBR光纤激光水听器中。1554nm的激光由低反射率的布拉格光栅末端射出,直接进入到波分复用器的1550nm端口中。在偏振控制器前放置的光隔离器可以有效地防止反射的光返回到激光器中,实现激光信号的单向传输。通过调整偏振控制器和起偏器,可以使两组激光信号具有相同的偏振方向,以获得较强的激光信号。然后这两组激光信号进入光电探测器中完成光电转换,并进行拍频,最后由射频频谱分析仪记录拍频信号的变化,从而可以解调出双频超声信号的信息。
DBR光纤激光水听器和两个聚焦的源超声探头都放置到了盛有蒸馏水的水槽中。本实验中,选用了中心频率分别为3MHz和7MHz的超声探头,聚焦长度为20mm,由信号发生器驱动来产生双频超声信号。另外,为了获得最大的灵敏度,DBR水听器放置在探头的聚焦平面内,且与超声波的传播方向垂直。
接下来,使超声探头工作在中心频率处,并将产生的双频超声信号施加到DBR光纤激光水听器上,通过调整超声探头相对于光纤偏振轴的辐射方向和超声驱动电压来改变调频指数。图3给出了随着双频超声信号调频指数的改变,DBR光纤激光水听器的频谱输出。
当由双频超声信号产生的复合信号满足窄带调频条件时,输出频谱如图3(a)所示。此时可以明显地看出拍频信号的中心频率为305MHz,在其上下两边各有两个边带信号,中心频率分别为fb±3 MHz和fb±7MHz,与双频超声信号的频率相对应。
然后缓慢地增加双频信号的调频指数,使其分别满足窄带调频条件,但复合信号不满足窄带调频条件,得到如图3(b)所示的频谱输出。可以看到,在上述频谱的基础上出现了中心频率为fb±4 MHz和fb±10 MHz的边频分量,即fb±3MHz±7MHz。
然后固定3MHz的超声信号,继续增加7MHz超声信号的调频指数,使其不满足窄带调频条件,此时频谱分析仪得到的频谱如图3(c)所示。可以看到边带个数继续增加,又相继出现了中心频率为fb±1 4MHz和fb±1 7MHz等边频分量,即关于7MHz的倍频。
继续增加3MHz超声信号的调频指数,使其也不满足窄带调频条件,得到了如图3(d)所示的频谱输出。可以看到,此时出现了更多的边频分量,包括关于3MHz的倍频以及3MHz和7MHz组合的谐波分量。
由图3可以看出,随着双频超声信号调频指数的变化,DBR光纤激光器可以给出四种不同的频谱输出,与前面的理论分析相对应。结果表明,DBR光纤激光水听器具有测量双频超声信号的能力。
3 结束语
本文提出并实验性地验证了一种用于双频超声测量的光纤激光传感系统。该系统的核心单元为基于单纵模双偏振工作原理的DBR光纤激光传感器,通过改变施加到传感器上的双频超声信号的调频指数,得到了四种不同的频谱输出,证明该传感器具有检测不同类型的双频超声信号的能力。虽然目前将DBR光纤激光器用于双频超声测量还只是处于实验室研究阶段,但是由于该传感器自身体积小,易复用等优点,势必会成为将来医疗应用的发展趋势。
参考文献
[1]张华斌,贾建文,陈文,等.双频超声在肝占位病变组织定征中的应用价值[J].中国超声医学杂志,2001,17(10):752-755.
[2]贲永光,丘泰球,李康,等.单频超声和双频复合超声的空化效应实验研究[J].声学技术,2009,28(3):257-260.
[3]Guan B O,Jin L,Zhang Y,et al.Polarimetric heterodyning fiber grating laser sensors[J].Journal of Lightwave Technology,2012,30(8):1097-1112.
[4]Guan B O,Tam H Y,Lau S T,et al.Ultrasonic hydrophone based on distributed Bragg reflector fiber laser[J].IEEE Photonics Technology Letters,2005,16(1):169-171.
[5]谭彦楠.偏振外差法光纤光栅激光传感器技术[D].大连:大连理工大学,2012.