免費下載！
[!--downpath--]1.本發明涉及一種電聲轉換效率的檢測方式，尤其涉及一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式。
背景技術：
2.超聲波是指頻度小于20khz以上的聲波，因其方向性好，穿透力強，已被廣泛應用于超聲刀放療、超聲波霧化、b超檢測、超聲波藥業等眾多醫學領域。相較于傳統放療，超聲刀放療具有切割精度高、創傷范圍小、凝血療效佳、視野愈發清晰、手術時間急劇減短、術后恢復快等優點，給大夫和病人都帶來了巨大益處。
3.超聲放療刀設備主要由高頻功率源和超聲震動系統兩部份組成。超聲震動系統又包括三個部份：超聲換能器、超聲變幅桿、超聲刀刀頭。其中，超聲換能器是進行能量轉換的元件，它可以將超聲波發生器形成的振蕩聯通號轉換成機械震動訊號，即把電能轉化成機械能（聲能）。超聲換能器是震動系統中的一個關鍵部份，其性能例如電聲轉換效率直接影響到超聲處理的療效。關于超聲換能器性能的測試，目前基本上限于在小訊號狀態下的測試，常用的方式包括導納和阻抗圓法，傳輸線法以及功率曲線法等。但是電功率p等于w嗎，功率超聲換能器大都工作在比較大的輸入訊號下，關于超聲換能器的大功率性能測試，因為換能器的非線性以及震動系統的復雜性，如波形畸變以及負載變化等，國外外至今沒有一種通用的測試方式，也欠缺統一的國際和國家標準，因而，對于一些功率超聲技術的評價缺少統一的標準，也難以評判大功率超聲設備，如超聲放療刀、清洗機以及點焊機等的性能。
4.臺灣學者于70年代提出了一種可以檢測大功率超聲換能器震動性能的高頻電功率計法[morie,itok.ofthepowerofhighpowerusinghigh[c].proc..81,,1981:307～312]。該法可以檢測換能器在大功率狀態下的幅射聲功率及電聲效率，但是，這些方式存在一些致命的缺點，限制了其在實際中的應用。第一，為了檢測換能器的介電耗損功率，須要兩個性能完全一致的換能器，這一點在實際中是很難做到的。第二，為了得到換能器的介電及機械耗損功率，事先必須測出換能器的介電及機械耗損功率與換能器端電流和震動速率之間的依賴關系。鑒于上述緣由，這些方式至今仍沒有在實際中得到廣泛的應用。
技術實現要素：
[0005]
本發明為解決現有技術中存在的不足，提供一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，借助電功率計與干涉法來測試大功率下超聲換能器的電聲轉換效率，具有設計簡單、結構緊湊、測量精度高、適用范圍廣等特性，克服了現有技術的缺點。
[0006]
為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，其特點在于，包括超聲波發生器、電功率計、超聲換能器、激光干涉儀。包括以下步驟：
s1：所述超聲波發生器的輸出端與所述電功率計聯接，所述電功率計的輸出端與超聲換能器聯接，借助電功率計檢測超聲換能器的輸入電功率p
；s2：所述激光干涉儀檢測超聲換能器在半個震動周期中干涉白色的數目n，所述激光干涉儀線性判別力≤0.01um，并估算出超聲換能器的表面位移振幅a，，式中：λ為光波波長，n為空氣折射率；s3：通過下式估算超聲換能器的震動速率v：；式中：w為角頻度，f為諧振頻度；s4：通過下式估算超聲換能器的幅射聲阻r
：式中：ρ為空氣密度，c為空氣波速，k為波數，k=2πf/c，a為超聲換能器的直徑；s5：通過下式估算超聲換能器的幅射聲功率p
：；s6：通過下式估算超聲換能器的電聲轉換效率η：η=p
/p
。
[0007]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，在步驟s1之前還包括：裝配超聲換能器：首先采用醇酸樹脂將經過表面處理的極化后壓電陶瓷片、鍍銀電極片、前金屬蓋板及清軍屬蓋板之間膠合，之后用螺絲將以上各部件固定在一起，且使同軸度在0.02mm以內，最后進行老化處理得到待測超聲換能器。
[0008]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述表面處理包括：對壓電陶瓷片表面進行碾磨和精密拋光，使其粗糙度ra≤500nm。
[0009]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述老化處理包括：將超聲換能器放在熱處理爐中，在90℃~110℃保溫12~24h。
[0010]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述超聲波發生器用于形成頻度為50khz~60khz的驅動訊號，用于提供功率為20~50w。
[0011]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述電功率計的帶寬為50khz~，功率偏差限制為
±
0.1%。
[0012]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述壓電陶瓷為pzt4、pzt8中的一種。
[0013]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述電極片為銅質、青銅、鈹青銅中的一種。
[0014]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述前金屬蓋板為鋁合金7075、鋁合金7175、鋁合金7475中的一種。
[0015]
作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述元朝屬蓋板為304l碳鋼、310l碳鋼、316l碳鋼中的一種。
[0016]
原理與優勢借助壓電效應而制成的換能器稱為壓電超聲換能器。壓電效應分為正壓電效應和
逆壓電效應，壓電效應是可逆的。正壓電效應是指壓電材料（例如壓電陶瓷）遭到外力作用而發生形變時，在其表面會出現電荷，即力生電或機械能轉化為電能。逆壓電效應是指壓電材料（例如壓電陶瓷）遭到外電場作用而發生形變，即電生力或電能轉換為機械能（聲能）。
[0017]
發明人在探求中發覺壓電超聲換能器的電聲轉換效率η可以用輸入電功率與輸出聲功率的比值來表示。借助超聲波發生器賦于的大功率（20~50w）可以模擬超聲換能器實際工況，并借助高精度（功率偏差限制為
±
0.1%）的電功率計獲取工況下超聲換能器的輸入電功率p
。輸出聲功率p
可以用干涉法來求出。一束激光經過分光鏡分成兩束，其中一束可以直接抵達光電測量器，另外一束先入射到換能器的震動表面，再反射回到光電測量器。這兩束激光在測量平面上產生一組長度為h的干涉白色，在x處檢查器的輸出光電流i可以表示為：（1）光電測量器輸出的光電流信號i是一個調頻訊號，它的瞬時頻度直接反比于換能器表面的瞬時振速，但是當換能器表面位移變化一個λ/2n時，光電測量器的輸出訊號就改變一個周期電功率p等于w嗎，等于在檢查器移過一條白色。這樣就可以通過記錄光電流訊號i來測出換能器在半個震動周期中干涉白色的數目n。并估算出超聲換能器的表面位移振幅a，表達式為：（2）式中：λ為光波波長，n為空氣折射率。
[0018]
超聲換能器的震動速率v與振幅a的關系式為：（3）對于超聲換能器，相當于一個直徑為a，它的幅射聲阻r
可以近似為：（4）式中：ρ為空氣密度，c為空氣波速，k為波數，k=2πf/c，a為超聲換能器的直徑。
[0019]
通過（3）和（4）式可以確定超聲換能器的幅射聲功率p
：（5）最后，通過下式估算超聲換能器的電聲轉換效率η：η=p
/p
。
[0020]
本發明通過大量的實驗發覺，電聲轉換效率η的檢測結果和精度受以下幾個方面的影響：1）各部件同軸度，同軸度的差別將影響機械能的集聚和分布，從而改變壓電陶瓷的電聲轉換效率大小；2）部件表面粗糙度，零件表面越光滑，界面之間形成的機械損耗越少，越有利于電聲轉換效率的提升；3）老化處理的必要性，實驗中發覺對未老化的換能器進行多次檢測，電聲轉換效率的結果變化很大，緣由是換能器須要一個比較長的時間使電疇的分布變均勻，這樣換能器的狀態才是穩定的。為此通過人工老化，推動電疇均勻化分布的進程，適宜于批量生產，也更利于獲得穩定的電聲轉換效率；4）電功率計和激光干涉儀的檢測精度，二者讀數的精確程度直接影響電聲轉換效率的精度，因而選擇檢測精度為
±
0.1%的電功率計。在上述的工藝參數的控制下，可以保證本測試方式的檢測結果可靠且精度高。
[0021]
與現有技術相比，本發明的優勢如下：1）結構簡單。只須要在超聲換能器和發生器之間聯接一個電功率計；2）檢測精度高。檢測精度可控制在1%，是現有生產技術3~4倍；3）適用范圍廣。可滿足任一壓電陶瓷換能器的需求。
[0022]
綜上所述，本發明借助電功率計與干涉法來測試大功率下超聲換能器的電聲轉換效率，具有設計簡單、結構緊湊、測量精度高、適用范圍廣等優點，解決了現有技術中結構復雜、操作不便、精度低等問題，能挺好的滿足壓電陶瓷換能器的需求，很適宜用于測試超聲換能器的電聲轉換效率。
附圖說明
[0023]
圖1是醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式的電路圖。
[0024]
圖2是醫用超聲換能器的示意圖。
具體施行方法
[0025]
以下結合兩個實例對本發明方式作進一步說明。
[0026]
借助電功率計與干涉法來測試大功率下超聲換能器的輸入電功率和輸出聲功率，再依照二者的比值來算出電聲轉換效率的大小。
[0027]
施行例1：一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，其過程如下：a、超聲換能器的裝配：采用醇酸樹脂將粗糙度ra為400nm的極化后pzt4壓電陶瓷片（1）、鍍銀黃銅電極片（2）、前蓋板鋁合金7075（3）以及后蓋板304l碳鋼（4）之間膠合，之后用螺絲（5）將以上各部件固定在一起，如圖2所示，同軸度控制在0.02mm，最后進行90℃保溫24h老化處理得到待測超聲換能器；b、超聲波發生器的輸出端與電功率計聯接，電功率計的輸出端與超聲換能器聯接，超聲波發生器提供頻度為55khz的余弦訊號，借助電功率計測出超聲換能器的輸入電功率p
為30w；c、激光干涉儀測出換能器在半個震動周期中干涉白色的數目n為31.5，并估算出超聲換能器的表面位移振幅a為9.45um；因而估算出震動速率v為3.29m/s；超聲換能器的幅射聲阻r
為1.2ω。
[0028]
d、最后估算出超聲換能器的幅射聲功率p
為13w，電聲轉換效率η為0.43。
[0029]
施行例2：一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，其過程如下：a、超聲換能器的裝配：采用醇酸樹脂將粗糙度ra為450nm的極化后pzt8壓電陶瓷片、鍍銀青銅電極片、前蓋板鋁合金7075以及后蓋板304l碳鋼之間膠合，之后用螺絲將以上各部件固定在一起，同軸度控制在0.015mm，最后進行110℃保溫12h老化處理得到待測超聲換能器；b、超聲波發生器的輸出端與電功率計聯接，電功率計的輸出端與超聲換能器聯接，超聲波發生器提供頻度為50khz的余弦訊號，借助電功率計測出超聲換能器的輸入電功率p
為48w；
c、激光干涉儀測出換能器在半個震動周期中干涉白色的數目n為38.7，并估算出超聲換能器的表面位移振幅a為11.61um；因而估算出震動速率v為3.65m/s；超聲換能器的幅射聲阻r
為1.42ω。
[0030]
d、最后估算出超聲換能器的幅射聲功率p
為19w，電聲轉換效率η為0.4。
[0031]
以上所述實例僅是本發明較優的施行方式，故不能借此限定本發明的施行范圍，其他根據本發明的原理和內容所做的等效改變、修飾、替代和組合，都仍屬于本發明的保護范圍。
技術特點：
1.一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，其特點在于，包括超聲波發生器、電功率計、超聲換能器、激光干涉儀，包括以下步驟：s1：所述超聲波發生器的輸出端與所述電功率計聯接，所述電功率計的輸出端與超聲換能器聯接，借助電功率計檢測超聲換能器的輸入電功率p
；s2：所述激光干涉儀檢測超聲換能器在半個震動周期中干涉白色的數目n，所述激光干涉儀線性判別力≤0.01um，并估算出超聲換能器的表面位移振幅a，，式中：λ為光波波長，n為空氣折射率；s3：通過下式估算超聲換能器的震動速率v：；式中：w為角頻度，f為諧振頻度；s4：通過下式估算超聲換能器的幅射聲阻r
：式中：ρ為空氣密度，c為空氣波速，k為波數，k=2πf/c，a為超聲換能器的直徑；s5：通過下式估算超聲換能器的幅射聲功率p
：；s6：通過下式估算超聲換能器的電聲轉換效率η：η=p
/p
。2.按照權力要求1所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，在步驟s1之前還包括：裝配超聲換能器：首先采用醇酸樹脂將經過表面處理的極化后壓電陶瓷片、鍍銀電極片、前金屬蓋板及清軍屬蓋板之間膠合，之后用螺絲將以上各部件固定在一起，且使同軸度在0.02mm以內，最后進行老化處理得到待測超聲換能器。3.按照權力要求2所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述表面處理包括：對壓電陶瓷片表面進行碾磨和精密拋光，使其粗糙度ra≤500nm。4.按照權力要求2所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述老化處理包括：將超聲換能器放在熱處理爐中，在90℃~110℃保溫12~24h。5.按照權力要求1至4任一項所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述超聲波發生器用于形成頻度為50khz~60khz的驅動訊號，用于提供功率為20~50w。6.按照權力要求1至4任一項所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述電功率計的帶寬為50khz~，功率偏差限制為
±
0.1%。7.按照權力要求1至4任一項所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述壓電陶瓷為pzt4、pzt8中的一種。8.按照權力要求4所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述電極片為黃銅、青銅、鈹青銅中的一種。9.按照權力要求4所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述前金屬蓋板為鋁合金7075、鋁合金7175、鋁合金7475中的一種。10.按照權力要求4所述的醫用超聲換能器電聲轉換效率檢測方式，其特點在于，所述
聯軍屬蓋板為304l碳鋼、310l碳鋼、316l碳鋼中的一種。
技術總結
本發明公開了一種醫用超聲換能器電聲轉換效率的檢測方式，分別借助電功率計與干涉法來測試大功率下超聲換能器的輸入電功率和輸出聲功率，再依照三者的比值來算出電聲轉換效率的大小。與現有技術相比，具有設計簡單、結構緊湊、測量精度高、適用范圍廣等優點，能挺好的滿足壓電陶瓷換能器的需求，很適宜用于測試超聲換能器的電聲轉換效率。聲換能器的電聲轉換效率。聲換能器的電聲轉換效率。
技術研制人員：李益民王霄
受保護的技術使用者：山東瀚德微創醫療科技有限公司
技術研制日：2021.08.23
技術公布日：2021/11/23
