новая папка 1 / 303215
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики и биомедицинской техники
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА АМПЛИТУДНОГО СКАНИРОВАНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе №4 по дисциплине «Акустическое
зондирование биоматериалов»
Составители: В.И. Сериков, А.С. Пономарев
Липецк Липецкий государственный технический университет
2014
3049
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики и биомедицинской техники
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА АМПЛИТУДНОГО СКАНИРОВАНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе №4 по дисциплине «Акустическое
зондирование биоматериалов»
Составители: В.И. Сериков, А.С. Пономарев
Липецк Липецкий государственный технический университет
3
2014
УДК 534 (07)
С 327
Рецензент Шарапов С. И.
Сериков, В. И.
С 327 Изучение метода амплитудного сканирования. [Текст]: методические
указания |
к |
лабораторной |
работе |
№4 |
по |
дисциплине |
«А к у с т и ч е с к о е з о н д и р о в а н и е б и о м а т е р и |
а л о в » . Сост. |
|||||
В. И . Сериков, А. С. Пономарев. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2014. – 12 с. В лабораторной работе изучаются основы метода амплитудного сканирования и применение ультразвуковой аппаратуры. Методические указания предназначены для студентов 3, 4-го курсов специальности 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике» и направления 201000 «Биотехнические системы и технологии» очной формы обучения.
Ил. 5., Библиогр.: 4 назв.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий
4
государственный технический университет», 2014.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА АМПЛИТУДНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Цель работы: изучить на практике эхоимпульсный метод амплитудного сканирования (метод А-сканирования) с помощью ультразвукового дефектоскопа УД2-12 .
Приборы и оборудование: дефектоскоп УД2-12 с цифровым индикатором измеряемых величин и набором пьезоэлектрических преобразователей, «фантом» в виде прозрачного блока из полиамидного пластика с различными неоднородностями в объёме, кварцевая призма.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Метод амплитудного сканирования, получивший распространение в медицине и биологии — это поиск неоднородностей в тканях ультразвуковым методом, то есть путем излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования — ультразвукового сканера (в данной работе дефектоскопа УД2-12).
Принцип метода амплитудного сканирования основан на том, что звуковые волны свободно распространяются в однородном материале. Наличие в однородном материале различных неоднородностей (областей с различными плотностями и модулями упругости) приводит к отражению звуковых волн от границ этих областей. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отразится и вернётся к приёмнику при прохождении фронта волны через границу раздела. Использование высокочастотных акустических волн – ультразвука – связано с тем, что такие
5
волны имеют малые длины волн и позволяют формировать узкие пучки, позволяющие обнаруживать даже небольшие области неоднородности в среде. Отражение узких пучков позволяет довольно точно определить размеры неоднородной области и расстояние до неё. Величину наименьшего размера поддающегося определению с помощью данного прибора (или метода) называют разрешением.
|
2 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
1
а |
|
б |
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Пьезоэлектрический преобразователь: а – преобразователь с согласующим слоем, б – преобразователь с тыльной нагрузкой; 1 – пьезоэлемент, 2 – посеребренные поверхности (электроды), 3 – согласующий слой, 4 – тыльная нагрузка
Разрешение ограничивается тем фактом, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается. Излучение ультразвука производится с помощью пьезоэлектрического резонатора. Пьезоэлектрический резонатор (см. рис. 1) преобразует электрические колебания в акустические с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта и вводит их в исследуемый материал. Отраженные сигналы, попавшие на пьезоэлемент, с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрические, которые и регистрируются измерительными цепями.
6
Для того, чтобы эффективно передавать колебания в исследуемую среду, в пьезоэлектрических преобразователях часто используется согласующий слой или тыльная нагрузка для поглощения обратной волны.
Наиболее распространенным из существующих методов проведения исследования является эхоимпульсный метод (эхометод): генератор создает электрические колебания и подаёт их на резонатор, отражённые от дефектов сигналы принимаются резонатором и передаются на приемник.
1 |
2 |
|
|
|
Д |
Е |
|
|
Е |
Д |
Е |
|
||
|
|
Рис. 2. Принципиальная схема эхоимпульсного метода На рис. 2 показаны ультразвуковые пучки, создаваемые в
плоскопараллельном слое. Буквой Е отображается расстояние, отвечающее толщине слоя, и расстояние между зондирующим и отражённым импульсами на экране осциллографа. При наличии дефекта на расстоянии Д на экране осциллографа появляется дополнительный отражённый импульс. Большой коэффициент отражения на границе дефекта и меньшее расстояние приводят к тому, что величина амплитуды отражённого импульса больше, чем амплитуда импульса, отражённого от нижней границы слоя.
Преимущество ультразвукового исследования в том, что оно не разрушает и не повреждает исследуемый образец. Кроме того, метод исследования даёт
7
высокую скорость и достоверность исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с радио дефектоскопией).
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Формируемый прибором (рис. 3) зондирующий электрический импульс посредством пьезоэлектрического преобразователя возбуждает в исследуемом изделии ультразвуковую волну, фронт которой, отражаясь от области дефекта в материале, возвращается к приемному пьезоэлектрическому преобразователю, где преобразуется опять в электрический сигнал. Принятый сигнал усиливается и преобразуется к виду, удобному для регистрации и наблюдению. Зная скорость распространения УЗ-волны в исследуемом материале и время ее
6
Рис. 3. Принципиальная схема ультразвукового импульсного дефектоскопа
прохождения от возбуждающего пьезоэлектрического преобразователя до приемного пьезоэлектрического преобразователя, можно легко вычислить расстояние до дефекта, его координаты и размер. Расстояние до дефекта, связанное со временем прихода отражённого импульса определяется по формуле L = U3ti/2, где ti – промежуток времени между зондирующим
8
импульсом и импульсом, отражённым от дефекта; U3 – скорость звука в среде, L – расстояние до дефекта.
На рисунке 3 приведена принципиальная схема импульсного ультразвукового дефектоскопа. Генератор радиоимпульсов 4 возбуждает пьезопластину передающей искательной головки 1. Ультразвуковые колебания распространяются в контролируемой детали, отражаются от ее противоположной стенки ("донный сигнал") и попадают на пьезопластину приемной искательной головки 2. Отраженные ультразвуковые колебания возбуждают колебания пьезопластины приемной искательной головки 2. При этом на гранях пьезопластины возникает переменное напряжение, которое детектируется и усиливается в усилителе 3, а затем поступает на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 5 осциллографа. Одновременно генератор горизонтальной развертки 6 подает пилообразное напряжение на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ 5. УЗ-колебания формируются генератором 4 в виде коротких импульсов, между которыми получаются продолжительные паузы. Это позволяет четко различать на экране ЭЛТ 5 сигнал начального (зондирующего) импульса I, сигнал от дефекта II и донный сигнал III. При отсутствии дефекта в контролируемом участке детали на экране осциллографа импульс II будет отсутствовать.
Перемещая передающую и приемную искательные головки по поверхности контролируемой детали, обнаруживают дефекты и определяют их местоположение. В некоторых конструкциях ультразвуковых дефектоскопов имеется только одна совмещенная искательная головка, которая используется как для передачи, так и для приема ультразвуковых колебаний. Места прилегания искательных головок к контролируемой детали смазывается тонким слоем трансформаторного масла или вазелина для обеспечения непрерывного акустического контакта искательных головок с поверхностью контролируемого изделия. На передней панели (рис. 4) находятся основные
органы управления, необходимые при исследовании распространения
9
ультразвукового импульса в исследуемом образце: экран осциллографа 1, верньер управления гасящим импульсом, позволяющий вручную измерить время запаздывания с помощью цифрового указателя 4, аттеньюатор 3, разъёмы входа и
выхода 5.
Кнопки включения дефектоскопа указаны непосредственно на передней панели, причём после включения вилки прибора в сеть, сначала обязательно нажатием кнопки включается «Накал» и только после того, как загорится сигнал,
нажать кнопку «Работа».
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.4. Вид передней панели дефектоскопа УД2-12
Для настройки прибора используются органы управления, находящиеся на верхней панени прибора (под крышкой) (рис. 5). На схеме верньеры 1, 2, 3
предназначены для настройки цифрового индикатора в режимах определения координат и глубины залегания дефекта, ручки 5, 6, 7, 8, 9 для настройки сигнала осциллографа, кнопки 21-25 для задания частоты зондирующего импульса,
соответсвующая группа кнопок 38 для настройки частоты принимаемого сигнала.
Остальные верньеры и кнопки используются только по указанию преподавателя.
Основные требования по безопасности медицинской техники в России
определяются стандартом ГОСТ Р50267.0-92 «Изделия медицинские электрические. Общие требования безопасности». Общие требования безопасности и условия их проверки обязательны для УЗ диагностических приборов. Особенно важным являются требования по защите от поражения электрическим током. Гораздо сложнее определить требования к
10
акустическому излучению ультразвука. Однако выпущен и действует международный стандарт МЭК 1157 «Требования к представлению
акустических выходных характеристик медицинских диагностических ультразвуковых приборов». Этот стандарт регламентирует ряд требований, которые производитель УЗ диагностических приборов обязан предоставлять заказчику.
Рис.5. Схема верхней панели дефектоскопа
ХОД РАБОТЫ:
1.Изучить устройство и назначение основных систем дефектоскопа УД2-12.
2.Теоретически ознакомиться с принципом работы дефектоскопа.
3.Произвести включение прибора нажатием кнопок «Накал» и «Работа».
11