智能型毫瓦级超声功率计的设计

　　超声波在医疗器械中广泛应用,由于超声波对人体特别是胎儿有辐射影响,我国计量检定规程规定其发射功率不得超过10mW/cm²,因此准确实用地检测医用超声源的超声功率是十分重要的。目前,我国计量部门所使用的国产和进口毫瓦级超声功率计,由于是手动调节平衡和零点,操作繁琐缓慢,而且机械活动部件容易受损,导致测量不准确。针对这种现状,我们设计了智能型的毫瓦级超声功率计。

　　1　测量原理与装置结构

　　辐射压力法测量超声功率是基于以下原理:在小振幅平面超声场中,两种媒质交界面上的辐射压力,其值等于交界面两侧媒质声能密度的差值,该辐射压力可以用一个置于超声场中的靶来测得,超声源所辐射的总声功率可由作用于全反射靶上的辐射压力求得,其关系为

　　式中:P为超声源所辐射的总声功率;c为超声在媒质中的声速;F为沿超声波轴线方向作用于靶上的辐射压力;θ为入射声束与靶面法线之间的夹角。本装置采用磁电式力平衡机构来抵偿辐射压力F,从而测出功率P。其结构原理如图1所示,当全反射靶在零位平衡时,超声辐射压力产生的矩等于动圈绕组的电流I在恒定磁场中产生的力矩,即

　　式中:L为全反射靶中心到转轴的力臂长度,K为电磁转矩系数。

　　由(1)、(2)式可得

　　由(3)式可见,当超声入射角θ不变时,磁电式力平衡机构动圈绕组中的电流I与超声功率P成正比关系,因此经过标定后,根据电流I可测出P。

　　2　装置结构和测量流程分析

　　图1中装置结构可分为以下几个部分:

　　1)由电磁平衡线圈、全反射靶、超声探测连杆组成活动探头。

　　2)由水箱水位检测、装置水平度检测器、活动探头电磁保护器和单片机组成保护系统,当水位不足、水位不稳定以及装置安放未调水平时自动锁紧活动探头,避免由于晃动冲击、重力作用而损伤灵敏的电磁线圈支撑轴承,并减少转动摩擦阻力。

　　3)由平衡点检测器、电流调节器和单片机等组成高精度自动平衡测量系统,经过标定后可直接显示出超声功率。

　　利用以上装置,单片机控制的测量流程为:

　　1)自动校零。在关闭被测超声源时注水,检测装置水平度和水位,在达到规定的水位时自动关闭注水阀门;当水位和水平度均稳定时,打开活动探头电磁保护器;调节线圈电流,检测探测靶位置,使探测靶稳定于平衡点,并把此时的线圈电流校正为超声功率零点电流,声响提示可以开始测量。

　　2)测量超声功率。打开被测量的超声源后,轻触“开始测量”按键,仪器自动正反向调节动圈绕组的电流,使全反射靶快速平衡稳定,然后计算并显示出被测功率。