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(biāo)物體發(fā)射脈沖波，然后接收回波信號；當(dāng)超聲波發(fā)生器正對著目標(biāo)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(jù)脈沖波在介質(zhì)中的傳播速度v而得到目標(biāo)物體離脈沖波發(fā)射點的距離。這樣就可以得出目標(biāo)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=v×t。 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(biāo)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(shè)目標(biāo)物體到聲源的垂直距離為S1時，脈沖發(fā)射波到接收

2、波的時間為t1；改變目標(biāo)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(biāo)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0 / 273、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

3、的聲成像方法。目前，在臨床應(yīng)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(jié)構(gòu)性質(zhì)特征信息的回波，獲得物體

4、組織性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的可見圖像的方法和技術(shù)。它與其他成像技術(shù)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(jìn)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(shù)、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(guān)，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

5、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(shù)和聲束的傳播距離(即檢測深度)。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?zāi)康?、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(yīng)用脈沖回波法對目標(biāo)物體進(jìn)行定位。6、應(yīng)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(biāo)物體進(jìn)

6、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、VC+電腦數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)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(shù)參數(shù)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(biāo)：水平距離精度：2.5cm；方位精度： 2.5º。 儀器提供RS232接口，與電腦相連。 可以完成的實驗內(nèi)容：回波波形觀

7、察；物體運動速度的測量； 目標(biāo)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(shù)參數(shù)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(biāo)物體的運動速度。 儀器提供四組速度，復(fù)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(hù)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(dǎo)軌的中間位置，即處在兩個限位行程開關(guān)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(dǎo)軌中間處，方便下組學(xué)生實驗。如果

8、電機越限失控（當(dāng)行程撞塊始終觸碰行程開關(guān)時），可以用十字螺絲刀松開皮帶，把滑塊小心移動到導(dǎo)軌中間即可（電機的減速比較大，不能用手強行轉(zhuǎn)動）。若初次啟動電機時，發(fā)現(xiàn)滑塊停在行程開關(guān)外面，可以按“正向”或“反向”鍵，使滑塊運行到兩限位行程開關(guān)之間后“停車”，按“復(fù)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(guān)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(guān)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(guān)后，電機將停止運行，此時只能

9、按“正向”鍵向“右”運行。1、撐線桿 2、角度旋轉(zhuǎn)座 3、導(dǎo)軌 4、行程撞塊 5、滑塊 6、電機座 7、旋轉(zhuǎn)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、吊桿 11、固定座（用于放置超聲換能器或運動目標(biāo)物體） 12、右行程開關(guān) 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(biāo)尺 18、指針 19、從動輪 20、左行程開關(guān) 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(shù)據(jù)/存數(shù)據(jù)：對采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)前的工作方式。

10、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(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，處理的時候可以按增加門限或減小門限來調(diào)整成像圖。信號放大/信號減?。簩邮招盘柕娘@示強度進(jìn)行放大和縮小。串口通訊：用于啟動和關(guān)閉通訊口，啟動后串口狀態(tài)顯示OK!或END，關(guān)閉后顯示Close!。坐標(biāo)點一/坐標(biāo)點二：顯示坐標(biāo)點的具體坐標(biāo)，分別對應(yīng)時間和距離，表示該時刻超聲傳感器掃過物體時對應(yīng)的垂直距離。平均速度：兩坐標(biāo)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(jìn)行控制和高速采集，基于FFT變換來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和

11、處理，并把處理數(shù)據(jù)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(biāo)物體進(jìn)行定位等實驗。 實驗裝置主要由下列幾部分組成： 1、實驗水槽與測試架水槽采用透明有機玻璃設(shè)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(dǎo)軌滑塊（圖5-5）上的吊桿（圖5-10）旋轉(zhuǎn)機構(gòu)（圖5-2）固定座（圖5-11）上，該機構(gòu)可以實現(xiàn)換能器的旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)梁（圖5-7）用于懸掛目標(biāo)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

12、聲傳感器對物體進(jìn)行動態(tài)掃描，得到物體表面數(shù)據(jù)信息，成像出物體表面形狀或斷面像；水槽的右側(cè)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，換能器安裝在此固定座上（圖5-9），目標(biāo)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)生2.5MHz的頻率信號，信號經(jīng)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(chǎn)生回波信號，回波信

13、號經(jīng)過高速運放進(jìn)行放大濾波處理后由高速A/D對接收到的信號進(jìn)行采集，采用FFT變換作數(shù)據(jù)分析處理，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上。 3、電腦分析界面采集的數(shù)據(jù)信號被傳送到電腦后，電腦可以顯示回波波形；可以對物體進(jìn)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(biāo)進(jìn)行定位。4、DH6001-MC 直流電機控制器提供成像掃描以及目標(biāo)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(jīng)過DSP數(shù)據(jù)處理后電腦顯示的回波信號五、實驗內(nèi)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

14、品；調(diào)整換能器頭，使之對準(zhǔn)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中。3、打開電腦軟件，用鼠標(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)和命令通信。4、用鼠標(biāo)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(zhuǎn)座（圖5-2）水平旋轉(zhuǎn)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(cè)面的固定座（圖5-

15、9）上，運動物塊放在滑塊吊桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)下的固定座（圖5-11）上，換能器的方向與導(dǎo)軌（圖5-3）方向一致，并對準(zhǔn)小運動目標(biāo)物體（見附錄）。（注意：在通電時不要把換能器露出水面，最好關(guān)掉實驗儀電源后再操作）2、啟動電源，打開串口，用鼠標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)物

16、體進(jìn)行定位1、拿出載物臺（圖5-21）上的有機玻璃樣品，先轉(zhuǎn)動測試架后面的懸掛梁（圖5-7），使目標(biāo)物體（圖5-8）處在某個位置。2、用鼠標(biāo)左鍵單擊顯控畫面上工作方式框中的定位按鈕，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(shù)據(jù)顯示框顯示經(jīng)過的時間（單位：秒），右邊數(shù)據(jù)顯示框顯示傳感器離目標(biāo)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(dǎo)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(zhuǎn)機構(gòu)（圖5-2），緩慢旋轉(zhuǎn)超聲傳感器，當(dāng)傳感器對準(zhǔn)目標(biāo)物體后，電腦界面上將顯示最大的回波值，此時記下旋轉(zhuǎn)機構(gòu)（圖5-2）上的物體方

17、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(biāo)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(diào)節(jié)好）5、轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)梁（圖5-7），改變目標(biāo)物體的位置，重新測量目標(biāo)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(cè)面的固定座（圖5-9）上，運動物塊放在滑塊吊桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)下的固定座（圖5-11）上，換能器的方向與導(dǎo)軌（圖5-3）方向一致，并對準(zhǔn)小運動目標(biāo)物體（見附錄）。（注意：在通電時不要把換能器露出水面，最好關(guān)掉實驗儀電源后再操作）2、用鼠標(biāo)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，

18、工作方式框中的左邊數(shù)據(jù)顯示框顯示目標(biāo)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(biāo)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(biāo)點，對應(yīng)的坐標(biāo)點坐標(biāo)以及兩坐標(biāo)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

19、體平均速度。6、具體的實例如下圖所示：圖10 目標(biāo)物體運動狀態(tài)曲線（五）掃描成像物體組織結(jié)構(gòu)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、連接直流電機控制系統(tǒng)，啟動檢查運行是否正常。3、成像操作。用鼠標(biāo)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(jié)束后，用鼠標(biāo)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(jù)顯示效果，用鼠標(biāo)左鍵點擊增加門限或減小門限按鈕，可對其進(jìn)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

20、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(shè)置控制器，使掃描速度最慢，具體設(shè)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(jīng)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(yuǎn)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

21、聲傳感器近些；成像物體太近，則會產(chǎn)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(qū)動程序安裝（1） 超聲儀關(guān)閉，其上USB接口與電腦連線斷開，從光盤上直接安裝USB驅(qū)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(shè)備管理器-端口，USB出現(xiàn)CH314A及對應(yīng)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

22、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,( 表連通) 。2有時可通過改電腦中端號設(shè)置號, 使二者相同右擊COM3,- 屬性-端口設(shè)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(dǎo)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(zhǔn)樣品（1） 將有機玻璃塊安放在槽中臺

23、上，傳感器對準(zhǔn)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(zhǔn)槽壁，由于距離變遠(yuǎn)，則只能觀測到1個回波信號。(3) 調(diào)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(diào)小車轉(zhuǎn)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(biāo)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(biāo)點擊反射波、透射波位置， 在坐標(biāo)一、坐標(biāo)二分顯示出反射波、透射波距傳感器的位置、時間。可算出玻璃厚度。(再次點擊通信串口, 又開始釆

24、集)3.定位清屏-波形-定位在軟件坐標(biāo)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(shù)字表1面-換能器距離，與坐標(biāo)一中距離顯示數(shù)字有一定誤差，為正常。（二）金屬圓柱1、方位確定點擊波形，轉(zhuǎn)動小車上方位盤，當(dāng)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(biāo)上顯示出金屬圓柱(反射波)距傳感器的距離，如Y=20.87cm，當(dāng)距離合適時，會出現(xiàn)較弱的二次回波。點擊1處，坐標(biāo)一顯示其距離為21.0cm,與Y=20.87cm有一定誤差。點擊2處，坐標(biāo)二顯示其距離為41.6cm，為二次回波對應(yīng)距離。1、 多次回波(1)調(diào)小金屬圓柱距傳感器的距離，點擊波形，軟件屏上顯示出多次回波信號。(2)點擊成像采集，過一會停止成像