專利名稱：超聲功率計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲功率測量儀器，適用于超聲功率及相關(guān)參數(shù)的測量，特別適于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為量值傳遞標(biāo)準。
現(xiàn)有的超聲功率計一般采用力平衡式輻射壓力法，例如世界專利WO-8601889就是利用電磁力補償原理，采用磁懸浮式結(jié)構(gòu)的《輻射功率測量裝置》。它由永磁體、吸收聲靶、反射壁水容器、水介質(zhì)、電磁鐵、差動變壓器式平衡檢測器和伺服電路組成。其圓柱形永磁體與靶成剛性連接，作為測力傳感器的可動裝置，浸在有傳聲水介質(zhì)的容器中，測量時信號作用在吸收聲靶上，使可動部分產(chǎn)生向下的位移，則差動變壓器式平衡檢測器有信號輸出，該信號經(jīng)伺服電路調(diào)節(jié)后，輸出一反饋電流給電磁鐵的線圈，電磁鐵便產(chǎn)生一附加力。如果其電流的方向和大小，使永磁體對電磁線圈產(chǎn)生的作用力方向與被測輻射力作用在吸收聲靶上力的方向相反，大小相等，就可使可動裝置恢復(fù)原位。反饋信號的大小即反映被測輻射力的量值。這種測量裝置的不足之處是由于吸收聲靶和永磁體組成的可動裝置，在測量時容易造成靶的橫向移動和傾斜，從而影響測量靈敏度，傳聲水介質(zhì)的聲場溫度效應(yīng)影響測量結(jié)果的精度。
本發(fā)明的目的是提出一種新型超聲功率計，它能夠克服可動裝置在測量時的橫向移動和傾斜，修正傳聲水介質(zhì)溫度的影響，提高測量靈敏度和精度。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的為解決上述問題本發(fā)明的超聲功率計是在《輻射功率測量裝置》的基礎(chǔ)上，增加了由彈性簧片和張絲組成的復(fù)合彈性元件結(jié)構(gòu)，作為控制可動裝置的平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)，使可動裝置不會出現(xiàn)橫向移動和傾斜，只有一維的軸向移動。該機構(gòu)的彈性簧片的一端固接在可動裝置的連桿上，另一端固接在張絲的中部，張絲的兩端固定在張絲架上。另外，采用差動光電平衡檢測代替差動變壓器式平衡檢測。測量水容器中置入測溫傳感器，能實時反映水介質(zhì)溫度對測量的影響，使適應(yīng)聲場介質(zhì)寬溫度變化范圍，為超聲參數(shù)測量和計算提供依據(jù)。
本發(fā)明的優(yōu)點是靈敏度高，分辨率達0.1毫瓦，可測微小超聲量值達1毫瓦，穩(wěn)定可靠，測量精度高，并能測量多種相關(guān)參數(shù)。
本發(fā)明的附圖有

圖1 超聲功率計方框2 超聲功率計傳感器示意3 超聲功率計傳感器平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)示意4 超聲功率計電路原理圖下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
本發(fā)明的超聲功率計也是利用電磁力的補償原理，磁懸浮式結(jié)構(gòu)的超聲功率測量裝置。
超聲功率計由傳感器和電路兩部分組成，圖1為超聲功率計方框圖，傳感器包括測力傳感器1和測溫傳感器2，電路包括差動放大器3、前置放大器4、電流放大器5、比例積分微分網(wǎng)絡(luò)6(簡稱PID網(wǎng)絡(luò)6)、測溫信號放大器7、程控電子開關(guān)8、A/D轉(zhuǎn)換器9、單板機10、鍵盤11和顯示器12。
圖2為超聲功率計傳感器示意圖。它包括測力傳感器1和測溫傳感器2，測力傳感器1采用電磁力懸浮式結(jié)構(gòu)，它由磁路系統(tǒng)、可動裝置、平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)和紅外差動平衡檢測器組成。磁路系統(tǒng)由環(huán)形永磁體13、極靴14和軛鐵15組成?？蓜友b置由中心桿16，線圈17、線圈架18和受力器組成?？蓜友b置的中心桿16為非磁性絕緣材料，中心桿16穿過環(huán)形永磁體13、極靴14和軛鐵15的中心通道，帶有線圈17的線圈架18安裝在中心桿16上，線圈17位于極靴14和軛鐵15形成的磁路氣隙中，受力器裝在中心桿16的一端，中心桿16和線圈17不得與環(huán)形永磁體13、極靴14、軛鐵15接觸。為此，本發(fā)明測力傳感器1中增加了與可動裝置相連的平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)，中心桿16和平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)相連。中心桿16的上端有一砝碼盤19，下端有一聲接收靶20?？蓜友b置的中心桿16與平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)的V型彈性簧片21固接。平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)參見圖3，有上下兩組相同的結(jié)構(gòu)，并彼此呈平行裝配，它們由上下兩個V型彈性簧片21、上下兩組張絲22和張絲架23、張絲架基座24組成。上下兩個V型彈性簧片21的尖部端固接在中心桿16上，其V型彈性簧片21的兩腳分別固接在張絲22的中部，張絲22的兩端分別固定在張絲架23上，張絲架23固定在張絲架基座24上。紅外差動平衡檢測器由紅外發(fā)光管25、遮擋光闌26、差動光電池27組成，遮擋光闌26也固接在中心桿16上，其作用是以遮擋光闌26位置的變化，來控制差動光電池27輸出的變化。磁路系統(tǒng)通過支柱28固定在測力傳感器托板29上，平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)的張絲架基座24、紅外發(fā)光管25和差動光電池27等都固定在測力傳感器托板29上。測力傳感器1通過托板29安放在圓筒形殼體測量容器30內(nèi)，托板29位于測量容器30的中部，將測量容器30分成上下兩部分，測力傳感器1的磁路系統(tǒng)、可動裝置、平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)和紅外差動平衡檢測器位于測量容器30上部，聲接收靶20位于下部，可動裝置中心桿16穿過托板29的中心孔，使聲接收靶20位于靶室31內(nèi)，靶室31內(nèi)壁四周布滿吸聲襯套32，靶室31內(nèi)充滿脫氣蒸餾水作為傳聲介質(zhì)，也可選其它傳聲介質(zhì)。靶室31的底部中心正對聲接收靶20開有耦合窗，耦合窗有透聲膜33。測量容器30底部用三根測量容器支腳34支撐。測量容器30頂部有上蓋35，上蓋35中心開圓形口以便將砝碼放入砝碼盤19。測溫傳感器2為一集成測溫頭，置于測量容器30的靶室31內(nèi)。
圖4為超聲功率計電路原理圖。電路包括線圈17、差動光電池27、測溫傳感器2、差動放大器3、前置放大器4、電流放大器5、PID網(wǎng)絡(luò)6、測溫信號放大器7和信號處理電路。差動放大器3采用運算放大器A1和電阻R1、R2、R3、R4和R5組成，前置放大器4、電流放大器5和PID網(wǎng)絡(luò)6組成功率伺服器，前置放大器4由運算放大器A2、電阻R6和R7組成，電流放大器5由晶體三極管T1和T2、電阻R8、R9和采樣電阻R10組成，PID網(wǎng)絡(luò)6為常用的比例積分微分網(wǎng)絡(luò)，它由電阻R11、R12、R13、R14和電容C1、C2組成，測溫傳感器2采用集成測溫頭，測溫信號放大器7采用運算放大器A3、電阻R15、R16、R17、R18組成。上述的運算放大器A1、A2和A3采用集成電路7650，晶體三極管T1和T2分別采用3DG6和3DG130，信號處理電路包括程控電子開關(guān)8、A/D轉(zhuǎn)換器9、單板機10、鍵盤11和顯示器12。程控電子開關(guān)8選用C544，A/D轉(zhuǎn)換器9選用14433模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，單板機10選用8048系列單板機，顯示器12選用四個CL102顯示器，鍵盤11選用小型通用鍵盤。
超聲功率計的工作過程是測力傳感器1是處于垂直放置，利用電磁力補償原理，磁懸浮式結(jié)構(gòu)工作的。當(dāng)線圈17未通電，受力器(包括砝碼盤19和聲接收靶20)沒有受到外力作用時，可動裝置的自重力使其沉于底部。當(dāng)線圈17通電，且受力器仍沒有受到外力作用時，可動裝置除受自重力作用外，又受到線圈17通電后產(chǎn)生的電磁力的作用，如果流經(jīng)線圈17的電流大小與方向使線圈17產(chǎn)生的磁場與環(huán)形永磁體13的磁場反向，可動裝置受到的向上電磁力與自重力相等，使可動裝置處于懸浮狀態(tài)。此時可動裝置穩(wěn)定不動，紅外差動平衡檢測器的差動光電池27的輸出為零，平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)也處于穩(wěn)定狀態(tài)(即反作用力矩等于零)，此狀態(tài)即為測力傳感器1的初始狀態(tài)，此時線圈17懸浮狀態(tài)的電流定為零位電流。當(dāng)受力器受到外力作用時，可動裝置便有微小位移，帶動遮擋光闌26產(chǎn)生相應(yīng)的位移，由于遮擋光闌26的移動使紅外發(fā)光管25入射到差動光電池27上的光通量失去原有對稱，于是差動光電池27輸出一個差動電信號，此信號經(jīng)差動放大器3、前置放大器4和電流放大器5進行放大后，其輸出分成兩路，一路經(jīng)PID網(wǎng)絡(luò)6反饋回前置放大器4的輸入端，改善回路動態(tài)過渡過程。另一路的補償電流反饋回可動裝置的線圈17。補償電流產(chǎn)生的電磁力使可動裝置復(fù)位，達到新的力平衡，即完成了電磁力平衡的閉環(huán)隨動調(diào)節(jié)過程。補償電流的大小反映了被測量的大小，通過接在電流放大器5電路中的采樣電阻R10，即可得到與被測力相應(yīng)的電信號輸出，將此信號送至信號處理電路。同時利用測溫傳感器2實時探測水介質(zhì)聲場的溫度，也將此信號送至信號處理電路，對以溫度為自變量的各超聲參數(shù)進行計算顯示。這樣，本儀器就可實現(xiàn)寬溫度變化范圍的超聲參數(shù)測量。功率伺服器的輸出信號和測溫信號放大器7輸出信號那一路送至信號處理電路，以及顯示器12顯示超聲功率、平均聲強、聲速、聲場溫度和力值的那一個量值都是受鍵盤11、程控電子開關(guān)8和單板機10的控制。
由于采用V型彈性簧片21和張絲22的復(fù)合結(jié)構(gòu)彈性元件的可動裝置，因而產(chǎn)生的反作用力矩甚微，幾乎趨近于零，又由于可動裝置固接在上下兩個V型的性簧片21上，在被測信號作用下可動裝置發(fā)生位移時，它們之間沒有相對移動，避免摩擦對測量靈敏度的影響，可動裝置也不會出現(xiàn)橫向移動和傾斜，只有一維的軸向移動，保證了可動裝置的穩(wěn)定性，從而進一步提高了測量靈敏度。
受力器包括砝碼盤19和聲接收靶20，安裝在可動裝置中心桿16的兩端，超聲功率計可實現(xiàn)雙向檢測，利用聲接收靶20進行超聲信號參量的檢測，利用砝碼盤19進行力的測量。這樣一來，本發(fā)明的超聲功率計可以利用砝碼進行校準。數(shù)據(jù)處理和測量的智能化程度高。
權(quán)利要求
1.一種超聲功率計，通常由傳感器和電路兩部分組成，傳感器采用電磁力懸浮式測力傳感器1，它由磁路系統(tǒng)、可動裝置和紅外差動平衡檢測器組成，磁路系統(tǒng)由環(huán)形永磁體13、極靴14和軛鐵15組成，可動裝置由中心桿16、線圈17、線圈架18和受力器組成，可動裝置的中心桿16穿過環(huán)形永磁體13、極靴14和軛鐵15的中心通道，帶有線圈17的線圈架18安裝在中心桿16上，線圈17位于極靴14和軛鐵15形成的磁路氣隙中，受力器裝在中心桿16的一端，電路包括差動放大器3、前置放大器4、電流放大器5、比例積分微分網(wǎng)絡(luò)6、程控電子開關(guān)8、A/D轉(zhuǎn)換器9、單板機10、鍵盤11和顯示器12，本發(fā)明的特征在于測力傳感器1中增加了與可動裝置相連的平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)，平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)有上下兩組相同的結(jié)構(gòu)，并彼此呈平行裝配，它們由上下兩個V型彈性簧片21、上下兩組張絲22和張絲架23、張絲架基座24組成，上下兩個V型彈性簧片21的尖部固接在中心桿16上，其V型彈性簧片21的兩腳分別固接在張絲22的中部，張絲22的兩端分別固定在張絲架23上，張絲架23固定在張絲架基座24上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲功率計，其特征在于增加了實時測量聲場水介質(zhì)溫度的測溫傳感器2及其測溫信號放大器7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲功率計，其特征在于上述的受力器為安裝在可動裝置中心桿16兩端的砝碼盤19和聲接收靶20。
全文摘要
本發(fā)明是一種能夠測量超聲功率的儀器。為解決測量裝置中可動部分的橫向移動和傾斜，在原有測量裝置的基礎(chǔ)上增加了由V型簧片和張絲等組成的，有上下兩組相同結(jié)構(gòu)的，并彼此呈平行裝配的平行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機構(gòu)，控制其測力傳感器可動裝置的橫向移動和傾斜，還設(shè)置了聲場實時測溫傳感器，消除聲場介質(zhì)溫度變化對測量精度的影響。結(jié)合使用微機，能對微小超聲量值及各種超聲參數(shù)直接測量，本儀器能雙向測量，用砝碼校準，靈敏度高。
文檔編號G01H3/10GK1057107SQ90103840
公開日1991年12月18日 申請日期1990年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月31日
發(fā)明者黎承志, 張立新, 郭燦, 李新民, 元建龍 申請人:山西省計量測試研究所