實驗16DH6001超聲定位綜合實驗儀

1、實驗16 超聲定位和形貌成像實驗一、概述1、超聲定位的基本原理超聲定位的基本原理是由超聲波發(fā)生器向目標物體發(fā)射脈沖波，然后接收回波信號；當超聲波發(fā)生器正對著目標物體時，接收到的回波信號強度將最大，這時得到發(fā)射波與接收波之間的時間差t，再根據脈沖波在介質中的傳播速度v而得到目標物體離脈沖波發(fā)射點的距離。這樣就可以得出目標物體離脈沖波發(fā)射點的方位和距離，即下圖1中的和S，S=vt。 圖1、超聲定位的基本原理2、水中聲速的測量用脈沖回波法測量水中聲速的原理：改變目標物體離脈沖聲源的距離得到不同的接收回波時間差，用時差法來測量水中聲速。假設目標物體到聲源的垂直距離為S1時，脈沖發(fā)射波到接收波的時間為t

2、1；改變目標物體到聲源的垂直距離為S2，此時脈沖發(fā)射波到接收波的時間為t2；這樣，水中的聲源傳播速度為：m/s，具體見圖2（說明：S為聲源離目標物體的垂直距離，t為聲源發(fā)射到接收到回波信號之間的時間） 圖2、時差法測量水中聲速3、超聲成像的基本原理超聲成像(ultrasonic imaging)是使用超聲波的聲成像。它包括脈沖回波型聲成像(pulse echo acoustical imaging)和透射型聲成像(transmission acoustical imaging)。前者是發(fā)射脈沖聲波，接收其回波而獲得物體圖像的一種聲成像方法；后者是利用透射聲波獲得物體圖像的聲成像方法。目前，在臨

3、床應用的超聲診斷儀都是采用脈沖回波型聲成像。而透射型聲成像的一些成像方法仍處于研究之中，如某些類型的超聲CT成像(computed tomography by ultrasound)。目前研究較多的有聲速CT成像(computed tomography of acoustic Velocity)和聲衰減CI成像(computed tomography of acoustic attenuation)。本實驗以脈沖回波型超聲成像(也稱反射式超聲成像)為研究對象，來研究介紹和研究超聲成像。也就是利用超聲波照射物體，通過接收和處理載有物體組織或結構性質特征信息的回波，獲得物體組織性質與結構的可見圖像

4、的方法和技術。它與其他成像技術相比，有自己獨特的優(yōu)點，例如裝置較為簡明、直觀，容易理解成像的原理；沒有放射性，實驗者可以自己進行不同物體的形貌成像實驗。4、超聲成像的一般規(guī)律所有脈沖回波型聲成像憑借回聲來反映物體組織的信息，而回聲則來自組織界面的反射和散射體的后散射?；芈暤膹姸热Q于界面的反射系數、粒子的后散射強度和組織的衰減。物體組成界面的組織之間聲阻抗差異越大，則反射的回聲越強。反射聲強還和聲束的入射角度有關，入射角越小，反射聲強越大，聲束垂直于入射界面時，即入射角為零時，反射聲強最大，而入射角為90度時，反射聲強為零。物體組織對聲能的衰減取決于該組織對聲強的衰減系數和聲束的傳播距離(即檢

5、測深度)。物體衰減特征主要表現(xiàn)在后方的回聲。多重反射超聲遇強反射界面，在界面后出現(xiàn)一系列的間隔均勻的依次減弱的影像，稱為多次反射，這是聲束在探頭與界面之間往返多次而形成。二、實驗目的1、了解脈沖回波型聲成像的原理。2、掌握脈沖回波型聲成像實驗儀的使用方法。3、觀察脈沖回波波形。4、利用脈沖回波測量水中聲速。5、應用脈沖回波法對目標物體進行定位。6、應用脈沖回波法來研究物體的運動狀態(tài)。7、利用脈沖回波型聲成像實驗儀對給定目標物體進行掃描成像實驗。三、實驗儀器 DH6001超聲定位綜合實驗儀由以下部分組成：DH6001超聲定位綜合實驗儀、超聲換能器、DH6001-MC直流電機控制器、水槽與測試架、

6、VC+電腦數據處理軟件、數據線以及電腦（自備）。 圖3 DH6001超聲定位綜合實驗儀1、DH6001超聲定位綜合實驗儀技術參數以及使用說明 實驗儀采用DSP處理器，采樣頻率12.5M。 超聲波傳感器工作頻率：2.5 MHz，收發(fā)一體式。 超聲波傳感器與定位/成像物體的距離：7cm80cm。 定位指標：水平距離精度：2.5cm；方位精度： 2.5。 儀器提供RS232接口，與電腦相連。 可以完成的實驗內容：回波波形觀察；物體運動速度的測量； 目標物體定位；掃描成像實驗：包括物體表面形貌成像以及斷面像（剖面像）。圖4 DH6001-MC 直流電機控制器2、DH6001-MC 直流電機控制器技術參

7、數以及使用說明 采用直流減速電機控制成像掃描速度以及提供目標物體的運動速度。 儀器提供四組速度，復位運行時，速度最大；在電機停止時，按“停止+正向”鍵或者按“停止+反向”鍵來改變電機的運行速度。 提供限位保護接口和電機控制接口，與測試架相連。 注意：儀器啟動時，確保測試架上的滑塊在導軌的中間位置，即處在兩個限位行程開關之間，以提供一個初始位置。建議每次實驗完畢后，啟動電機，把滑塊停在導軌中間處，方便下組學生實驗。如果電機越限失控（當行程撞塊始終觸碰行程開關時），可以用十字螺絲刀松開皮帶，把滑塊小心移動到導軌中間即可（電機的減速比較大，不能用手強行轉動）。若初次啟動電機時，發(fā)現(xiàn)滑塊停在行程開關外

8、面，可以按“正向”或“反向”鍵，使滑塊運行到兩限位行程開關之間后“停車”，按“復位”后即可可控運行。正常的運行狀態(tài)是： 在兩限位行程開關之間，電機可以正反運動控制；按“正向”，滑塊向“右”運行；按“反向”，滑塊向“左”運行；按“停止”，滑塊停止。按“正向”鍵向“右”運行時，越限右限位行程開關后，電機將停止運行，此時只能按“反向”鍵向“左”運行。按“反向”鍵向“左”運行時，越限左限位行程開關后，電機將停止運行，此時只能按“正向”鍵向“右”運行。1、撐線桿 2、角度旋轉座 3、導軌 4、行程撞塊 5、滑塊 6、電機座 7、旋轉梁 8、定位物體 9、換能器固定座（測速時用于放置超聲換能器） 10、吊

9、桿 11、固定座（用于放置超聲換能器或運動目標物體） 12、右行程開關 13、直流減速電機 14、主動輪 15、電機控制插座 16、限位插座 17、標尺 18、指針 19、從動輪 20、左行程開關 21、載物臺 22、水槽 23、底板圖5 測試架正視圖以及俯視圖3、軟件界面功能描述：讀數據/存數據：對采集數據進行讀取和存儲。工作方式：共提供成像采集，定位，測速以及波形四種工作方式。工作狀態(tài)顯示窗：指示當前的工作方式。清除顯示：用于清除顯示的波形或成像圖。成像操作功能：對采集的數據進行成像處理，處理的時候可以按增加門限或減小門限來調整成像圖。信號放大/信號減?。簩邮招盘柕娘@示強度進行放大和縮小

10、。串口通訊：用于啟動和關閉通訊口，啟動后串口狀態(tài)顯示OK!或END，關閉后顯示Close!。坐標點一/坐標點二：顯示坐標點的具體坐標，分別對應時間和距離，表示該時刻超聲傳感器掃過物體時對應的垂直距離。平均速度：兩坐標點之間的平均速度。 圖6、軟件界面圖四、實驗原理 采用收發(fā)一體式的超聲換能器來完成信號的發(fā)射與回波信號的接收；用DSP處理器對超聲傳感器的發(fā)射和接收信號進行控制和高速采集，基于FFT變換來對數據進行分析和處理，并把處理數據傳遞到電腦，由電腦軟件來顯示測量的回波波形，完成物體的表面形貌成像或二維斷面像、研究物體的運動狀態(tài)以及對目標物體進行定位等實驗。 實驗裝置主要由下列幾部分組成：

11、1、實驗水槽與測試架水槽采用透明有機玻璃設計，成像物體放在水槽正面的載物臺（圖5-21）上，超聲換能器頭懸掛在導軌滑塊（圖5-5）上的吊桿（圖5-10）旋轉機構（圖5-2）固定座（圖5-11）上，該機構可以實現(xiàn)換能器的旋轉，并帶角度指示（圖5-2），用于定位物體的角度方位；水槽后面的旋轉梁（圖5-7）用于懸掛目標物體（圖5-8），可以改變物體在水槽中的位置，用于超聲定位實驗；水槽正上方測試架上的電機控制系統(tǒng)用于帶動超聲傳感器對物體進行動態(tài)掃描，得到物體表面數據信息，成像出物體表面形狀或斷面像；水槽的右側壁的臺體上還有一個換能器固定座（圖5-9），用于研究物體運動狀態(tài)實驗，具體實驗時，換能器安裝

12、在此固定座上（圖5-9），目標物體放在與吊桿(圖5-10)相連的固定座（圖5-11）上，由電機控制使之運動。2、超聲成像實驗儀實驗儀器與超聲傳感器相連，超聲傳感器（換能器）采用收發(fā)一體式石英晶振結構，換能器的工作頻率2.5 MHz左右。該實驗儀器的實際工作原理是：由DSP處理器控制高速D/A變換器產生2.5MHz的頻率信號，信號經過放大處理后接到超聲傳感器上作為發(fā)射波；發(fā)射波碰見不同的物體組織后將產生回波信號，回波信號經過高速運放進行放大濾波處理后由高速A/D對接收到的信號進行采集，采用FFT變換作數據分析處理，并把數據傳輸到電腦上。 3、電腦分析界面采集的數據信號被傳送到電腦后，電腦可以顯示

13、回波波形；可以對物體進行掃描成像，得出物體的剖面像圖；同時也可以測量物體的運動速度和對水中物體目標進行定位。4、DH6001-MC 直流電機控制器提供成像掃描以及目標物體的運動速度控制。圖7 換能器實際發(fā)射波形與接受 圖8 經過DSP數據處理后電腦顯示的回波信號五、實驗內容（一） 觀察水中物體的回波波形圖9 回波波形圖1、換能器安裝在測試架上并放在水槽（圖5-22）中，載物臺（圖5-21）上放置表面不規(guī)則的有機玻璃樣品；調整換能器頭，使之對準水槽正面的載物臺上的物體。2、連接換能器與信號源前面板上的“傳感器”插座，并把儀器后面板上的串口與電腦相連，開啟電源。注意：通電工作時，一定確保換能器置水

14、中。3、打開電腦軟件，用鼠標左鍵單擊顯控畫面右下角的串口通信按鈕，串口狀態(tài)框上出現(xiàn)OK!，然后變成END,說明計算機的串口已打開，可以與實驗儀進行數據和命令通信。4、用鼠標左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的波形按鈕，工作狀態(tài)下面顯示紅色的波形顯示，畫面上將顯示實時波形。5、通過角度旋轉座（圖5-2）水平旋轉換能器探頭，改變換能器的入射角，觀察回波波形。（二）水中聲速的測量1、把超聲換能器放置在水槽右側面的固定座（圖5-9）上，運動物塊放在滑塊吊桿旋轉機構下的固定座（圖5-11）上，換能器的方向與導軌（圖5-3）方向一致，并對準小運動目標物體（見附錄）。（注意：在通電時不要把換能器露出水面，最好關

15、掉實驗儀電源后再操作）2、啟動電源，打開串口，用鼠標左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的波形按鈕，工作狀態(tài)下面顯示紅色的波形顯示，畫面上將顯示實時波形以及發(fā)射脈沖波到接收回波之間的時間。3、啟動電機控制系統(tǒng)，使帶著目標物體一起運動的滑塊到S1的位置后停止，記下此時發(fā)射波到接收波之間的時間t1；再啟動電機，改變目標滑塊到位置S2，記下此時發(fā)射波到接收波之間的時間t2。4、計算聲速：。5、多次測量求平均值。（三）對水中目標物體進行定位1、拿出載物臺（圖5-21）上的有機玻璃樣品，先轉動測試架后面的懸掛梁（圖5-7），使目標物體（圖5-8）處在某個位置。2、用鼠標左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的定位按鈕

16、，工作狀態(tài)下面顯示紅色的定位兩字，工作方式框中的左邊數據顯示框顯示經過的時間（單位：秒），右邊數據顯示框顯示傳感器離目標的距離（單位：厘米），畫面上有成像圖顯示。3、啟動電機控制系統(tǒng)，使滑塊（圖5-5）移動到導軌（圖5-3）中間位置。4、切換到波形工作方式，通過傳感器吊桿（圖5-10）旋轉機構（圖5-2），緩慢旋轉超聲傳感器，當傳感器對準目標物體后，電腦界面上將顯示最大的回波值，此時記下旋轉機構（圖5-2）上的物體方位角度值；然后再切換到定位工作方式，記下電腦上顯示的目標物體距離換能器之間的距離Y(cm）。（超聲傳感器正對著前方載物臺時為0度，實驗前要調節(jié)好）5、轉動旋轉梁（圖5-7），改變目

17、標物體的位置，重新測量目標物體離超聲換能器的距離和方位。（四）測量水中物體的運動狀態(tài)1、把超聲換能器放置在水槽右側面的固定座（圖5-9）上，運動物塊放在滑塊吊桿旋轉機構下的固定座（圖5-11）上，換能器的方向與導軌（圖5-3）方向一致，并對準小運動目標物體（見附錄）。（注意：在通電時不要把換能器露出水面，最好關掉實驗儀電源后再操作）2、用鼠標左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的測速按鈕，工作狀態(tài)下面顯示洋紅色的測速兩字，工作方式框中的左邊數據顯示框顯示目標運動的速度（單位：厘米/秒），同時畫面上顯示成像圖，X軸代表時間t，Y軸代表物體離超聲傳感器的距離S。運行速度較小時，速度的動態(tài)顯示誤差將會比較

18、大，必須通過S-t曲線來分析物體的運動狀態(tài)。3、啟動DH6001-MC直流電機控制器，讓電機帶動吊桿上的物體運動起來，就可以看見S-t曲線，左邊的顯示框顯示目標物體的運動速度。4、分析S-t曲線，可以通過S/t 得到物體運動的平均速度。具體方法是：在S-t曲線上單擊兩個坐標點，對應的坐標點坐標以及兩坐標點間的平均速度將在界面中顯示出來。5、通過直流電機控制器，改變物體的運動速度，再次測量觀察物體的運動曲線并計算運動物體平均速度。6、具體的實例如下圖所示：圖10 目標物體運動狀態(tài)曲線（五）掃描成像物體組織結構剖面圖或表面形貌1、操作步驟同（一）觀察成像物體的回波波形的步驟13。2、連接直流電機控

19、制系統(tǒng)，啟動檢查運行是否正常。3、成像操作。用鼠標左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的成像采集按鈕，工作狀態(tài)下面顯示洋紅色的成像兩字，畫面上有成像圖顯示。采集結束后，用鼠標左鍵單擊顯控畫面上成像操作框中的成像處理按鈕，顯示處理后的成像畫面。根據顯示效果，用鼠標左鍵點擊增加門限或減小門限按鈕，可對其進行后置處理，得到相對較好的成像圖。在采集的過程中，可以按信號放大和信號縮小來改變接收信號的強度。4、啟動直流電機控制系統(tǒng)，使換能器垂直掃描物體，觀察實時成像圖。為使成像效果好，可以設置控制器，使掃描速度最慢，具體設置見直流電機控制器說明。5、該成像不僅可以顯示物體表面輪廓圖（形貌），對于超聲透射效果比較

20、好的物體，還可以清晰的觀察出二維剖面圖。圖11 實時掃描物體得到的回波成像圖圖12 經成像處理后的物體形狀（形貌）6、要使成像效果好，需要選擇合適的掃描距離，也就是被成像物體離超聲傳感器的距離要合適，可以通過觀察回波波形以及信號放大或信號縮小來確定距離；由于超聲傳感器的波束角不為零，距離太遠會造成回波信號重疊，兩個不同反射面的回波信號疊加在一起，降低了成像分辨率，波形重疊現(xiàn)象可以從圖11中看出，所以成像物體盡可能離超聲傳感器近些；成像物體太近，則會產生多次反射，同一個反射面會出現(xiàn)一次、兩次或多次回波。超聲定位附錄一、 軟件安裝1、 USB驅動程序安裝（1） 超聲儀關閉，其上USB接口與電腦連線

21、斷開，從光盤上直接安裝USB驅動程序。（2） 超聲儀打開電源，其上USB接口與電腦連線，電腦屏上出現(xiàn)安裝提示：點擊 是，僅一次-自動安裝 未通過微軟測試-仍然繼續(xù)（3） 安裝完后，點擊我的電腦-屬性-硬件-設備管理器-端口，USB出現(xiàn)CH314A及對應端口（隨電腦狀態(tài)有所不同，如COM3 ），表安裝成功。2、 安裝軟件DH6001 點擊SETUP.exe , 提示保留新文件,-Y , 后面均是, 忽略二、 通信串口選擇1、運行DH6001, 查看其通信串口是否與電腦中COM3一樣, 若不一樣, 要點擊串口選擇,使其相同(從COM1至COM4)。否則點擊通信串口, 不會顯示OK,END,( 表連

22、通) 。2有時可通過改電腦中端號設置號, 使二者相同右擊COM3,- 屬性-端口設置-高級=端口號-將COM號改為一樣3、 也可更改電腦上USB插口, 使其一樣。三、 注意事項1.每次實驗完后，小車要放在導軌中部, 以便系統(tǒng)精確定位。2.超聲儀打開電源后, 換能傳感器必須在水中(工作), 以防過熱燒損。四、 物體波形觀測與定位(一) 有機玻璃塊1.波形 將傳感器安置在小車下部，對準樣品（1） 將有機玻璃塊安放在槽中臺上，傳感器對準其右端，點擊波形，可觀測到兩個回波信號，一是前表面1的反射波(信號強), 二是后表面2(緊貼槽壁) 透射波的反射波信號(弱)(2)將有機玻璃塊拿掉，傳感器對準槽壁，由

23、于距離變遠，則只能觀測到1個回波信號。(3) 調節(jié)信號放大、減小，去掉雜波，使波峰盡量滿屏，信噪比好。(4) 調小車轉盤，使傳感器垂直槽壁，(此時信號波峰最高) 。2、成像采集(1) 點擊成像采集，在軟件坐標上顯示出反射波、透射波距傳感器的位置。(2) 停止采集，(點擊通信串口) 用鼠標點擊反射波、透射波位置， 在坐標一、坐標二分顯示出反射波、透射波距傳感器的位置、時間?？伤愠霾ＡШ穸?。(再次點擊通信串口, 又開始釆集)3.定位清屏-波形-定位在軟件坐標上顯示出反射波、透射波距傳感器的位置，此時時間軸X變化，顯示各回波時間，Y軸距離不變，此時Y軸數字表1面-換能器距離，與坐標一中距離顯示數字有一定誤差，為正常。（二）金屬圓柱1、方位確定點擊波形，轉動小車上方位盤，當傳感器正對淮金屬圓柱時，波形信號最強，記下小車上方位盤的方位角，確定其方位。 此時沒有透射回波，故只有一個波形。2.位置確定點擊定位，在軟件坐標上顯示出金屬圓柱(反射波)距傳感器的距離，如Y=20.87cm，當距離合適時，會出現(xiàn)較弱的二次回波。點擊1處，坐標一顯示其距離為21.0cm,與Y=20.87cm有一定誤差。點擊2處，坐標二顯示其距離為41.6cm，為二次回波對應距離。1、 多次回波(1)調小金屬圓柱距傳感器的距離