TWI730729B - 超音波功率檢測裝置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種超音波功率檢測裝置及其方法，超音波功率檢測裝置包含感測元件、諧振電路、放大電路、演算電路以及顯示器。感測元件感測超音波換能器產生的輻射力，以產生超音波輻射力訊號。諧振電路轉換超音波輻射力訊號為諧振電流訊號。放大電路放大諧振電流訊號。演算電路處理諧振電流訊號。顯示器電性連接演算電路，其中演算電路判斷諧振電流訊號之震幅是否大於一預設值，若是，演算電路計算諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率以及輸出能量，並由顯示器顯示諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率、輸出能量、諧振頻率及震幅；若否，顯示器顯示空擊訊息。
Description
本發明係有關於一種功率檢測裝置及其方法，特別是有關於一種超音波功率檢測裝置及其方法。
現今超音波的設備與醫療超音波的應用極其廣泛，其功率及能量的量測均採行輻射力平衡方式，此方法需要在超音波換能器外部進行，而習知的超音波換能器能量控制回饋控制技術，均只監測激發電路本身的諧振狀態，而無法判斷超音波換能器真實輸出的能量與功率是否正常，故常常造成空擊現象。
如圖1A所示，其係為習知超音波換能器產生輻射力之平衡示意圖。習知超音波換能器如Ohmic instrument公司的超音波水波計（Ultrasonic water meter）採用輻射力平衡原理，其係為使用一圓錐形浮體浮於水中，利用水浮力與超音波換能器擊發時產生力的平衡狀態，測量超音波換能器施加在浮體上的力量，再轉換為增加的功率值。超音波換能器11架設於箱體12上方並置於箱體12中，其中箱體12內放置一定量水13，水13中放置圓錐浮筒14且其中心點對應至超音波換能器11之中心，圓錐浮筒14連接至連接桿15上，當超音波換能器11作用時，超音波輻射力經由水13體施加在圓錐浮筒14上，使得圓錐浮筒14微量的下沉，產生下壓力F，利用此下沉的壓力F換算出超音波換能器11發射的功率值。然而，此種方法利用水的浮力，並無法對超音波換能器11的瞬間功率作出反應，故無法計算瞬時功率，且容易因為水13體的震動影響到測量的準確性。另外，對於聚焦型超音波換能器，因其施加壓力並非平行向下，與其原理推論不盡相同，換算之功率誤差較大，並不適合用於測量聚焦型超音波換能器，且在水體不穩定下無法有效量測，當多次擊發時局部溫度上升，對水浮力易產生影響，進而使多次快速量測數值不穩定，且此法不適用於具有移動推桿的超音波換能器，當推桿移動造成晃動直接影響水體穩地性，進而使量測數值產生偏差，無法進行功率值的測量。
請參閱圖1B，其係為習知專利TWI577415B超音波拉皮機之超音波聚焦能量的檢驗示意圖。如圖1B所示，其使用超音波拉皮機21內有陶瓷探頭22，經由陶瓷探頭22產生超音波S，透過仿生物材料層23焦點聚集於仿生物材料層23與基層24之間，產生熱凝基點a，由熱凝基點a的形狀大小判斷超音波能量的方法。此方法需另外使用量測儀器去觀測熱凝基點a產生的尺寸做為比較參考，無法直接量出實際能量檢測值，且其無法在同一點上持續擊發觀測能量變化，無法形成有效的量測設備，並不適用於非聚焦型超音波設備的能量測量。
習知US 6,691,578 B1專利案採用一超音波換能器做為接收器，用於校準及測量功率，此法需要在一外部容器中將發射器與接收器置入，且須要使用在限定已知的換能器接收頻率條件下，方可形成一個校準測量回路，其並無法在未知的換能器接收頻率下操作，亦無法設置在同一個超音波探頭中實現此回饋系統。
承上所述，在圖1A及圖1B中所述的兩種方法均無法在使用超音波同時經由超音波換能器輸出，形成一回饋控制系統，藉以調整超音波輸出功率或能量，因而無法直接判斷是否有空擊現象。再者，由於習知技術係藉由激發電壓直接回饋控制，調整控制超音波的激發頻率或激發時間，但此種方法並無法知道實際激發之超音波輻射力是否已達到所需能量，僅能判斷出目前超音波換能器處於工作狀態下。換句話說，習知的超音波換能器能量控制回饋控制技術均只監測激發電路本身的諧振狀態，而無法判斷換能器真實輸出能量與功率是否正常，故常常造成空擊現象。
據此，如何提供一種超音波功率檢測裝置及方法以改善上述問題已成為目前急需研究的課題。
鑑於上述問題，本發明揭露一種超音波功率檢測裝置，包含感測元件、諧振電路、放大電路、演算電路以及顯示器。感測元件感測超音波換能器產生的輻射力，以產生超音波輻射力訊號。諧振電路轉換超音波輻射力訊號為諧振電流訊號。放大電路放大諧振電流訊號。演算電路處理諧振電流訊號。顯示器電性連接演算電路，其中演算電路判斷諧振電流訊號之震幅是否大於一預設值，若是，演算電路計算諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率以及輸出能量，並由顯示器顯示諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率、輸出能量、諧振頻率及震幅；若否，顯示器顯示空擊訊息。
承上所述，本發明超音波功率檢測裝置及其方法利用金屬應力產生的微電流，經過諧振放大後，檢測超音波輸出功率及能量，以便於直接判斷超音波探頭是否有空擊現象。
請參閱圖2，其係為本發明超音波功率檢測裝置的方塊示意圖。超音波功率檢測裝置3包含感測元件31、諧振電路32、放大電路33、演算電路34以及顯示器35。感測元件31感測超音波換能器產生的輻射力，以產生超音波輻射力訊號。諧振電路32轉換超音波輻射力訊號為諧振電流訊號。放大電路33放大諧振電流訊號。演算電路34處理諧振電流訊號。顯示器35電性連接演算電路34，其中演算電路34判斷諧振電流訊號之震幅是否大於一預設值，若是，演算電路34計算諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率以及輸出能量，並由顯示器35顯示諧振電流訊號之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率、輸出能量、諧振頻率及震幅；若否，顯示器35顯示空擊訊息。
請參閱圖3A及圖3B，其係為本發明超音波功率檢測裝置的立體圖及剖面圖。超音波功率檢測裝置3的感測元件31包含一金屬棒或一金屬片，且感測元件31之材質包含銅、鎳、鋁、氧化鋅或半導體材料，於圖3B中以金屬棒M舉例說明，但於本發明中並不限定。此外，感測元件31的形狀為一棒狀元件或一片狀元件，但並不以此為限。超音波功率檢測裝置3中的諧振電路32、放大電路33及演算電路34設置於一電路板C中，且電路板C電性連接金屬棒M及顯示器35，並設置於顯示器35殼體351內部。超音波功率檢測裝置3更包含一箱體B，設置於顯示器35之殼體351上，箱體B內部承裝有水，金屬棒M由顯示器35殼體351穿入箱體B底部的水中，超音波探頭U亦設置於箱體B的水中，檢測超音波功率的方法如下所述。
請參閱圖4，其係為本發明超音波功率檢測方法的步驟流程圖。超音波功率檢測方法包含下列步驟：於步驟S41中，開啟超音波探頭，使超音波探頭的超音波換能器產生輻射力；於步驟S42中，感測一超音波換能器產生之一輻射力；於步驟S43中，轉換輻射力為一諧振電流；於步驟S44中，放大諧振電流；於步驟S45中，處理諧振電流；於步驟S46中，判斷諧振電流之震幅是否大於一預設值；若是，於步驟S47中，計算諧振電流之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率以及輸出能量，並顯示諧振電流之瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率、輸出能量、諧振頻率及震幅；若否，於步驟S48中，顯示空擊訊息。
超音波功率檢測方法如上述圖2方塊示意圖部分，超音波換能器產生的輻射力藉由水傳導至感測元件31，並藉由感測元件31進行感測，感測元件31利用金屬應變效應，與諧振電路32形成一個完整的檢測器，將超音波輻射力轉換成電流訊號，經放大電路33放大後進入演算電路34進行演算，並將演算結果顯示於顯示器35上。在本發明之實施例中，演算電路34包含微處理器電路。實際操作時，先在箱體B中放入一定量水，並將超音波探頭U固定於水體中，開啟顯示器35的電源鍵後，按下顯示器35的校正鍵進行零值校正，隨後開啟超音波探頭U電源，使超音波探頭U中的超音波換能器產生輻射力，即可在顯示器35上顯示頻率、震幅、能量與是否空擊。
請參閱圖5，其係為本發明超音波功率檢測裝置的訊號時序圖。圖5中由上而下分別表示超音波換能器的開關控制訊號、激發電壓訊號、輻射力訊號以及諧振電流訊號。超音波換能器開啟時，開關控制訊號為高電位，關閉時，開關控制訊號為低電位。激發電壓訊號為一弦波形式之高頻電壓訊號，Vpp表示激發電壓之峰對峰值，激發電壓的正常狀況如波形a1所示，若超音波換能器、零件老化等原因，可使激發電壓峰對峰值降低如波形a2所示，若無法正常激發，其峰對峰值可能降低如波形a3所示，甚至為零，此時，對應於超音波換能器輸出的超音波輻射力訊號，輸出正常時如波形b1所示，降低時對應如波形b2所示，無法正常擊發時輸出如波形b3所示，此時即所謂空擊。此時，經由感測元件及諧振電路產生的諧振電流輸入到放大電路，放大後的諧振電流輸入到演算電路，以判斷超音波換能器是否處於開啟狀態，放大後的諧振電流訊號如波形c1、c2、c3所示。若超音波換能器處於開啟狀態，則計算諧振電流的頻率與震幅，當諧振電流的震幅低於或等於諧振電流最小值
時，即判定為空擊，則於顯示器顯示空擊，當諧振電流的震幅高於諧振電流最小值
時，則於顯示器顯示諧振電流的頻率與震幅，並依據公式計算下瞬時功率、最大瞬時功率、平均功率、輸出能量等參數，並在顯示器上顯示各個參數值。以下列出各個參數的計算公式。
瞬時功率：
，最大瞬時功率：
，平均功率：
，其中，
，
，
：實時諧振電壓；
：實時諧振電流；
：諧振角頻率；
：實時諧振電壓角度，
:實時諧振電流角度，
:瞬時功率，
:平均功率，
: 最大瞬時功率。輸出能量：
，其中
，進一步的說明 k 轉換因子的計算方式，轉換因子直接對應於超音波換能器的輸出功率，
，其中
，
:諧振電流有效值，
:初級諧振電流峰對峰值，此為諧振電路的輸出電流峰對峰值，
:諧振電流峰對峰值，
:諧振阻抗，此為諧振電路的輸出阻抗，一般而言定為儀器標準輸出阻抗50歐姆，
:超音波聲功率，
:作用時間，此為超音波換能器開關電路開啟時間，
:轉換因子，
:放大器之放大率。
綜上所述，本發明超音波功率檢測裝置及其方法利用金屬應力產生的微電流，經過諧振放大後，檢測超音波輸出功率及能量，以便於直接判斷超音波探頭是否有空擊現象。
11:超音波換能器
12:箱體
13:水
14:圓錐浮筒
15:連接桿
21:超音波拉皮機
22:陶瓷探頭
23:仿生物材料層
24:基層
3:超音波功率檢測裝置
31:感測元件
32:諧振電路
33:放大電路
34:演算電路
35:顯示器
351:殼體
U:超音波探頭
a:熱凝基點
M:金屬棒
C:電路板
B:箱體
S:超音波
Vpp:激發電壓之峰對峰值
Ippmin:諧振電流最小值
S41~S48:步驟
圖1A係為習知超音波換能器產生輻射力之平衡示意圖；
圖1B係為習知專利TWI577415B超音波拉皮機之超音波聚焦能量的檢驗示意圖；
圖2係為本發明超音波功率檢測裝置的方塊示意圖；
圖3A及圖3B係為本發明超音波功率檢測裝置的立體圖及剖面圖；
圖4係為本發明超音波功率檢測方法的步驟流程圖；以及
圖5係為本發明超音波功率檢測裝置的訊號時序圖。
3:超音波功率檢測裝置
31:感測元件
32:諧振電路
33:放大電路
34:演算電路
35:顯示器
Claims (10)
- 一種超音波功率檢測裝置，包含：一感測元件，感測一超音波換能器產生之一輻射力，以產生一超音波輻射力訊號；一諧振電路，轉換該超音波輻射力訊號為一諧振電流訊號；一放大電路，放大該諧振電流訊號；一演算電路，處理該諧振電流訊號；以及一顯示器，電性連接該演算電路；其中該演算電路判斷該諧振電流訊號之一震幅是否大於一預設值；若是，該演算電路計算該諧振電流訊號之一瞬時功率、一最大瞬時功率、一平均功率以及一輸出能量，並由該顯示器顯示該諧振電流訊號之該瞬時功率、該最大瞬時功率、該平均功率、該輸出能量、一諧振頻率及該震幅；若否，該顯示器顯示一空擊訊息。
- 如請求項1所述之超音波功率檢測裝置，其中該感測元件包含一金屬棒或一金屬片。
- 如請求項2所述之超音波功率檢測裝置，其中該感測元件之一材質包含銅、鎳、鋁、氧化鋅或一半導體材料。
- 如請求項1所述之超音波功率檢測裝置，其中該感測元件為一棒狀元件或一片狀元件。
- 如請求項1所述之超音波功率檢測裝置，其中該諧振電路、該放大電路及該演算電路設置於一電路板中，且該電路板電性連接該感測元件。
- 如請求項5所述之超音波功率檢測裝置，更包含一箱體，設置於該顯示器之一殼體上，其中該箱體內部承裝有水，該感測元件由該顯示器之該殼體穿入該箱體之一底部水中，且該超音波換能器設置於水中。
- 一種超音波功率檢測方法，包含下列步驟：感測一超音波換能器產生之一輻射力；轉換該輻射力為一諧振電流；放大該諧振電流；以及處理該諧振電流；其中處理該諧振電流的步驟包含判斷該諧振電流之一震幅是否大於一預設值；若是，計算該諧振電流之一瞬時功率、一最大瞬時功率、一平均功率以及一輸出能量，並顯示該諧振電流之該瞬時功率、該最大瞬時功率、該平均功率、該輸出能量、一諧振頻率及該震幅；若否，顯示一空擊訊息。
- 如請求項7所述之超音波功率檢測方法，其中該超音波換能器產生之該輻射力藉由一感測元件感測。
- 如請求項8所述之超音波功率檢測方法，其中該感測元件包含一金屬棒或一金屬片。
- 如請求項8所述之超音波功率檢測方法，其中該感測元件之一材質包含銅、鎳、鋁、氧化鋅或一半導體材料。
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