超声波功率检测装置及其方法与流程

本发明有关于一种功率检测装置及其方法，特别是有关于一种超声波功率检测装置及其方法。

背景技术：

现今超声波的设备与医疗超声波的应用极其广泛，其功率及能量的量测均采用辐射力平衡方式，此方法需要在超声波换能器外部进行，而已知的超声波换能器能量控制反馈控制技术，均只监测激发电路本身的谐振状态，而无法判断超声波换能器真实输出的能量与功率是否正常，故常常造成空击现象。

如图1a所示，其为已知超声波换能器产生辐射力的平衡示意图。已知超声波换能器如ohmicinstrument公司的超声波水波计(ultrasonicwatermeter)采用辐射力平衡原理，其为使用一圆锥形浮体浮于水中，利用水浮力与超声波换能器击发时产生力的平衡状态，测量超声波换能器施加在浮体上的力量，再转换为增加的功率值。超声波换能器11架设于箱体12上方并置于箱体12中，其中箱体12内放置一定量水13，水13中放置圆锥浮筒14且其中心点对应至超声波换能器11的中心，圆锥浮筒14连接至连接杆15上，当超声波换能器11作用时，超声波辐射力经由水13体施加在圆锥浮筒14上，使得圆锥浮筒14微量的下沉，产生下压力f，利用此下沉的压力f换算出超声波换能器11发射的功率值。然而，此种方法利用水的浮力，并无法对超声波换能器11的瞬间功率作出反应，故无法计算瞬时功率，且容易因为水13体的震动影响到测量的准确性。另外，对于聚焦型超声波换能器，因其施加压力并非平行向下，与其原理推论不尽相同，换算的功率误差较大，并不适合用于测量聚焦型超声波换能器，且在水体不稳定下无法有效量测，当多次击发时局部温度上升，对水浮力易产生影响，进而使多次快速量测数值不稳定，且此法不适用于具有移动推杆的超声波换能器，当推杆移动造成晃动直接影响水体稳地性，进而使量测数值产生偏差，无法进行功率值的测量。

请参阅图1b，其为已知专利twi577415b超声波拉皮机的超声波聚焦能量的检验示意图。如图1b所示，其使用超声波拉皮机21内有陶瓷探头22，经由陶瓷探头22产生超声波s，透过仿生物材料层23焦点聚集于仿生物材料层23与基层24之间，产生热凝基点a，由热凝基点a的形状大小判断超声波能量的方法。此方法需另外使用量测仪器去观测热凝基点a产生的尺寸做为比较参考，无法直接量出实际能量检测值，且其无法在同一点上持续击发观测能量变化，无法形成有效的量测设备，并不适用于非聚焦型超声波设备的能量测量。

已知us6,691,578b1专利案采用一超声波换能器做为接收器，用于校准及测量功率，此法需要在一外部容器中将发射器与接收器置入，且须要使用在限定已知的换能器接收频率条件下，方可形成一个校准测量回路，其并无法在未知的换能器接收频率下操作，亦无法设置在同一个超声波探头中实现此反馈系统。

承上所述，在图1a及图1b中所述的两种方法均无法在使用超声波同时经由超声波换能器输出，形成一反馈控制系统，借以调整超声波输出功率或能量，因而无法直接判断是否有空击现象。再者，由于已知技术借由激发电压直接反馈控制，调整控制超声波的激发频率或激发时间，但此种方法并无法知道实际激发的超声波辐射力是否已达到所需能量，仅能判断出目前超声波换能器处于工作状态下。换句话说，已知的超声波换能器能量控制反馈控制技术均只监测激发电路本身的谐振状态，而无法判断换能器真实输出能量与功率是否正常，故常常造成空击现象。

据此，如何提供一种超声波功率检测装置及方法以改善上述问题已成为目前急需研究的课题。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明揭露一种超声波功率检测装置，包含感测元件、谐振电路、放大电路、演算电路以及显示器。感测元件感测超声波换能器产生的辐射力，以产生超声波辐射力信号。谐振电路转换超声波辐射力信号为谐振电流信号。放大电路放大谐振电流信号。演算电路处理谐振电流信号。显示器电连接演算电路，其中演算电路判断谐振电流信号的振幅是否大于一预设值，若是，演算电路计算谐振电流信号的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率以及输出能量，并由显示器显示谐振电流信号的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率、输出能量、谐振频率及振幅；若否，显示器显示空击信息。

承上所述，本发明超声波功率检测装置及其方法利用金属应力产生的微电流，经过谐振放大后，检测超声波输出功率及能量，以便于直接判断超声波探头是否有空击现象。

附图说明

图1a为已知超声波换能器产生辐射力的平衡示意图；

图1b为已知专利twi577415b超声波拉皮机的超声波聚焦能量的检验示意图；

图2为本发明超声波功率检测装置的方块示意图；

图3a及图3b为本发明超声波功率检测装置的立体图及剖面图；

图4为本发明超声波功率检测方法的步骤流程图；以及

图5为本发明超声波功率检测装置的信号时序图。

具体实施方式

请参阅图2，其为本发明超声波功率检测装置的方块示意图。超声波功率检测装置3包含感测元件31、谐振电路32、放大电路33、演算电路34以及显示器35。感测元件31感测超声波换能器产生的辐射力，以产生超声波辐射力信号。谐振电路32转换超声波辐射力信号为谐振电流信号。放大电路33放大谐振电流信号。演算电路34处理谐振电流信号。显示器35电连接演算电路34，其中演算电路34判断谐振电流信号的振幅是否大于一预设值，若是，演算电路34计算谐振电流信号的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率以及输出能量，并由显示器35显示谐振电流信号的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率、输出能量、谐振频率及振幅；若否，显示器35显示空击信息。

请参阅图3a及图3b，其为本发明超声波功率检测装置的立体图及剖面图。超声波功率检测装置3的感测元件31包含一金属棒或一金属片，且感测元件31的材质包含铜、镍、铝、氧化锌或半导体材料，于图3b中以金属棒m举例说明，但于本发明中并不限定。此外，感测元件31的形状为一棒状元件或一片状元件，但并不以此为限。超声波功率检测装置3中的谐振电路32、放大电路33及演算电路34设置于一电路板c中，且电路板c电连接金属棒m及显示器35，并设置于显示器35壳体351内部。超声波功率检测装置3更包含一箱体b，设置于显示器35的壳体351上，箱体b内部承装有水，金属棒m由显示器35壳体351穿入箱体b底部的水中，超声波探头u亦设置于箱体b的水中，检测超声波功率的方法如下所述。

请参阅图4，其为本发明超声波功率检测方法的步骤流程图。超声波功率检测方法包含下列步骤：于步骤s41中，开启超声波探头，使超声波探头的超声波换能器产生辐射力；于步骤s42中，感测一超声波换能器产生的一辐射力；于步骤s43中，转换辐射力为一谐振电流；于步骤s44中，放大谐振电流；于步骤s45中，处理谐振电流；于步骤s46中，判断谐振电流的振幅是否大于一预设值；若是，于步骤s47中，计算谐振电流的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率以及输出能量，并显示谐振电流的瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率、输出能量、谐振频率及振幅；若否，于步骤s48中，显示空击信息。

超声波功率检测方法如上述图2方块示意图部分，超声波换能器产生的辐射力借由水传导至感测元件31，并借由感测元件31进行感测，感测元件31利用金属应变效应，与谐振电路32形成一个完整的检测器，将超声波辐射力转换成电流信号，经放大电路33放大后进入演算电路34进行演算，并将演算结果显示于显示器35上。在本发明的实施例中，演算电路34包含微处理器电路。实际操作时，先在箱体b中放入一定量水，并将超声波探头u固定于水体中，开启显示器35的电源键后，按下显示器35的校正键进行零值校正，随后开启超声波探头u电源，使超声波探头u中的超声波换能器产生辐射力，即可在显示器35上显示频率、振幅、能量与是否空击。

请参阅图5，其为本发明超声波功率检测装置的信号时序图。图5中由上而下分别表示超声波换能器的开关控制信号、激发电压信号、辐射力信号以及谐振电流信号。超声波换能器开启时，开关控制信号为高电位，关闭时，开关控制信号为低电位。激发电压信号为一弦波形式的高频电压信号，vpp表示激发电压的峰对峰值，激发电压的正常状况如波形a1所示，若超声波换能器、零件老化等原因，可使激发电压峰对峰值降低如波形a2所示，若无法正常激发，其峰对峰值可能降低如波形a3所示，甚至为零，此时，对应于超声波换能器输出的超声波辐射力信号，输出正常时如波形b1所示，降低时对应如波形b2所示，无法正常击发时输出如波形b3所示，此时即所谓空击。此时，经由感测元件及谐振电路产生的谐振电流输入到放大电路，放大后的谐振电流输入到演算电路，以判断超声波换能器是否处于开启状态，放大后的谐振电流信号如波形c1、c2、c3所示。若超声波换能器处于开启状态，则计算谐振电流的频率与振幅，当谐振电流的振幅低于或等于谐振电流最小值ippmin时，即判定为空击，则于显示器显示空击，当谐振电流的振幅高于谐振电流最小值ippmin时，则于显示器显示谐振电流的频率与振幅，并依据公式计算下瞬时功率、最大瞬时功率、平均功率、输出能量等参数，并在显示器上显示各个参数值。以下列出各个参数的计算公式。

瞬时功率：p(t)＝v(t)×i(t)＝vi(cos(θv-θi)-cos(2ωt+θv+θi))，最大瞬时功率：pmax＝2vi，平均功率：pav＝vi，其中，v(t)：实时谐振电压；i(t)：实时谐振电流；ω：谐振角频率；θv：实时谐振电压角度，θi:实时谐振电流角度，p(t):瞬时功率，pav:平均功率，pmax:最大瞬时功率。输出能量：其中进一步的说明k转换因子的计算方式，转换因子直接对应于超声波换能器的输出功率，其中ipp＝ire×a，irms:谐振电流有效值，ire:初级谐振电流峰对峰值，此为谐振电路的输出电流峰对峰值，ipp:谐振电流峰对峰值，z0:谐振阻抗，此为谐振电路的输出阻抗，一般而言定为仪器标准输出阻抗50欧姆，w:超声波声功率，δt:作用时间，此为超声波换能器开关电路开启时间，k:转换因子，a:放大器的放大率。

综上所述，本发明超声波功率检测装置及其方法利用金属应力产生的微电流，经过谐振放大后，检测超声波输出功率及能量，以便于直接判断超声波探头是否有空击现象。