实验16DH6001超声定位综合实验仪.doc
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1、实验16 超声定位和形貌成像实验一、概述1、超声定位的基本原理超声定位的基本原理是由超声波发生器向目标物体发射脉冲波,然后接收回波信号;当超声波发生器正对着目标物体时,接收到的回波信号强度将最大,这时得到发射波与接收波之间的时间差t,再根据脉冲波在介质中的传播速度v而得到目标物体离脉冲波发射点的距离。这样就可以得出目标物体离脉冲波发射点的方位和距离,即下图1中的和S,S=vt。 图1、超声定位的基本原理2、水中声速的测量用脉冲回波法测量水中声速的原理:改变目标物体离脉冲声源的距离得到不同的接收回波时间差,用时差法来测量水中声速。假设目标物体到声源的垂直距离为S1时,脉冲发射波到接收波的时间为t
2、1;改变目标物体到声源的垂直距离为S2,此时脉冲发射波到接收波的时间为t2;这样,水中的声源传播速度为:m/s,具体见图2(说明:S为声源离目标物体的垂直距离,t为声源发射到接收到回波信号之间的时间) 图2、时差法测量水中声速3、超声成像的基本原理超声成像(ultrasonic imaging)是使用超声波的声成像。它包括脉冲回波型声成像(pulse echo acoustical imaging)和透射型声成像(transmission acoustical imaging)。前者是发射脉冲声波,接收其回波而获得物体图像的一种声成像方法;后者是利用透射声波获得物体图像的声成像方法。目前,在临
3、床应用的超声诊断仪都是采用脉冲回波型声成像。而透射型声成像的一些成像方法仍处于研究之中,如某些类型的超声CT成像(computed tomography by ultrasound)。目前研究较多的有声速CT成像(computed tomography of acoustic Velocity)和声衰减CI成像(computed tomography of acoustic attenuation)。本实验以脉冲回波型超声成像(也称反射式超声成像)为研究对象,来研究介绍和研究超声成像。也就是利用超声波照射物体,通过接收和处理载有物体组织或结构性质特征信息的回波,获得物体组织性质与结构的可见图像
4、的方法和技术。它与其他成像技术相比,有自己独特的优点,例如装置较为简明、直观,容易理解成像的原理;没有放射性,实验者可以自己进行不同物体的形貌成像实验。4、超声成像的一般规律所有脉冲回波型声成像凭借回声来反映物体组织的信息,而回声则来自组织界面的反射和散射体的后散射。回声的强度取决于界面的反射系数、粒子的后散射强度和组织的衰减。物体组成界面的组织之间声阻抗差异越大,则反射的回声越强。反射声强还和声束的入射角度有关,入射角越小,反射声强越大,声束垂直于入射界面时,即入射角为零时,反射声强最大,而入射角为90度时,反射声强为零。物体组织对声能的衰减取决于该组织对声强的衰减系数和声束的传播距离(即检
5、测深度)。物体衰减特征主要表现在后方的回声。多重反射超声遇强反射界面,在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像,称为多次反射,这是声束在探头与界面之间往返多次而形成。二、实验目的1、了解脉冲回波型声成像的原理。2、掌握脉冲回波型声成像实验仪的使用方法。3、观察脉冲回波波形。4、利用脉冲回波测量水中声速。5、应用脉冲回波法对目标物体进行定位。6、应用脉冲回波法来研究物体的运动状态。7、利用脉冲回波型声成像实验仪对给定目标物体进行扫描成像实验。三、实验仪器 DH6001超声定位综合实验仪由以下部分组成:DH6001超声定位综合实验仪、超声换能器、DH6001-MC直流电机控制器、水槽与测试架、
6、VC+电脑数据处理软件、数据线以及电脑(自备)。 图3 DH6001超声定位综合实验仪1、DH6001超声定位综合实验仪技术参数以及使用说明 实验仪采用DSP处理器,采样频率12.5M。 超声波传感器工作频率:2.5 MHz,收发一体式。 超声波传感器与定位/成像物体的距离:7cm80cm。 定位指标:水平距离精度:2.5cm;方位精度: 2.5。 仪器提供RS232接口,与电脑相连。 可以完成的实验内容:回波波形观察;物体运动速度的测量; 目标物体定位;扫描成像实验:包括物体表面形貌成像以及断面像(剖面像)。图4 DH6001-MC 直流电机控制器2、DH6001-MC 直流电机控制器技术参
7、数以及使用说明 采用直流减速电机控制成像扫描速度以及提供目标物体的运动速度。 仪器提供四组速度,复位运行时,速度最大;在电机停止时,按“停止+正向”键或者按“停止+反向”键来改变电机的运行速度。 提供限位保护接口和电机控制接口,与测试架相连。 注意:仪器启动时,确保测试架上的滑块在导轨的中间位置,即处在两个限位行程开关之间,以提供一个初始位置。建议每次实验完毕后,启动电机,把滑块停在导轨中间处,方便下组学生实验。如果电机越限失控(当行程撞块始终触碰行程开关时),可以用十字螺丝刀松开皮带,把滑块小心移动到导轨中间即可(电机的减速比较大,不能用手强行转动)。若初次启动电机时,发现滑块停在行程开关外
8、面,可以按“正向”或“反向”键,使滑块运行到两限位行程开关之间后“停车”,按“复位”后即可可控运行。正常的运行状态是: 在两限位行程开关之间,电机可以正反运动控制;按“正向”,滑块向“右”运行;按“反向”,滑块向“左”运行;按“停止”,滑块停止。按“正向”键向“右”运行时,越限右限位行程开关后,电机将停止运行,此时只能按“反向”键向“左”运行。按“反向”键向“左”运行时,越限左限位行程开关后,电机将停止运行,此时只能按“正向”键向“右”运行。1、撑线杆 2、角度旋转座 3、导轨 4、行程撞块 5、滑块 6、电机座 7、旋转梁 8、定位物体 9、换能器固定座(测速时用于放置超声换能器) 10、吊
9、杆 11、固定座(用于放置超声换能器或运动目标物体) 12、右行程开关 13、直流减速电机 14、主动轮 15、电机控制插座 16、限位插座 17、标尺 18、指针 19、从动轮 20、左行程开关 21、载物台 22、水槽 23、底板图5 测试架正视图以及俯视图3、软件界面功能描述:读数据/存数据:对采集数据进行读取和存储。工作方式:共提供成像采集,定位,测速以及波形四种工作方式。工作状态显示窗:指示当前的工作方式。清除显示:用于清除显示的波形或成像图。成像操作功能:对采集的数据进行成像处理,处理的时候可以按增加门限或减小门限来调整成像图。信号放大/信号减小:对接收信号的显示强度进行放大和缩小
10、。串口通讯:用于启动和关闭通讯口,启动后串口状态显示OK!或END,关闭后显示Close!。坐标点一/坐标点二:显示坐标点的具体坐标,分别对应时间和距离,表示该时刻超声传感器扫过物体时对应的垂直距离。平均速度:两坐标点之间的平均速度。 图6、软件界面图四、实验原理 采用收发一体式的超声换能器来完成信号的发射与回波信号的接收;用DSP处理器对超声传感器的发射和接收信号进行控制和高速采集,基于FFT变换来对数据进行分析和处理,并把处理数据传递到电脑,由电脑软件来显示测量的回波波形,完成物体的表面形貌成像或二维断面像、研究物体的运动状态以及对目标物体进行定位等实验。 实验装置主要由下列几部分组成:
11、1、实验水槽与测试架水槽采用透明有机玻璃设计,成像物体放在水槽正面的载物台(图5-21)上,超声换能器头悬挂在导轨滑块(图5-5)上的吊杆(图5-10)旋转机构(图5-2)固定座(图5-11)上,该机构可以实现换能器的旋转,并带角度指示(图5-2),用于定位物体的角度方位;水槽后面的旋转梁(图5-7)用于悬挂目标物体(图5-8),可以改变物体在水槽中的位置,用于超声定位实验;水槽正上方测试架上的电机控制系统用于带动超声传感器对物体进行动态扫描,得到物体表面数据信息,成像出物体表面形状或断面像;水槽的右侧壁的台体上还有一个换能器固定座(图5-9),用于研究物体运动状态实验,具体实验时,换能器安装
12、在此固定座上(图5-9),目标物体放在与吊杆(图5-10)相连的固定座(图5-11)上,由电机控制使之运动。2、超声成像实验仪实验仪器与超声传感器相连,超声传感器(换能器)采用收发一体式石英晶振结构,换能器的工作频率2.5 MHz左右。该实验仪器的实际工作原理是:由DSP处理器控制高速D/A变换器产生2.5MHz的频率信号,信号经过放大处理后接到超声传感器上作为发射波;发射波碰见不同的物体组织后将产生回波信号,回波信号经过高速运放进行放大滤波处理后由高速A/D对接收到的信号进行采集,采用FFT变换作数据分析处理,并把数据传输到电脑上。 3、电脑分析界面采集的数据信号被传送到电脑后,电脑可以显示
13、回波波形;可以对物体进行扫描成像,得出物体的剖面像图;同时也可以测量物体的运动速度和对水中物体目标进行定位。4、DH6001-MC 直流电机控制器提供成像扫描以及目标物体的运动速度控制。图7 换能器实际发射波形与接受 图8 经过DSP数据处理后电脑显示的回波信号五、实验内容(一) 观察水中物体的回波波形图9 回波波形图1、换能器安装在测试架上并放在水槽(图5-22)中,载物台(图5-21)上放置表面不规则的有机玻璃样品;调整换能器头,使之对准水槽正面的载物台上的物体。2、连接换能器与信号源前面板上的“传感器”插座,并把仪器后面板上的串口与电脑相连,开启电源。注意:通电工作时,一定确保换能器置水
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