Датчики УЗ сканеров

Датчиком УЗ сканера (по-английски Probe) называют выносное устройство, которое служит для локации объекта УЗ колебаниями и приема и преобразования в электрические импульсы отраженных звуковых сигналов (эхо). Датчик содержит один или несколько пьезоэлементов и другие механические и электрические компоненты, тип которых зависит от назначения датчика. Рассмотрим устройство простейшего датчика, содержащего один пьезоэлемент (рис. 1). Такой датчик называют еще монозондом.

Рисунок 1. Одномерный ультразвуковой датчик

В металлическом корпусе 1 расположен пьезоэлемент 2, который снаружи покрыт согласующим слоем 3. С тыльной стороны пьезоэлемента расположен демпфер 4 – слой пористой керамики, предназначенный для гашения звуковых колебаний, излучаемых назад, и для получения коротких УЗ импульсов. Возбуждение и съем сигнала с ПЭП осуществляется через коаксиальный разъем, причем наружный электрод ПЭП соединен с корпусом. Для уменьшения зарядного тока ПЭП и формирования зондирующего импульса в его цепь включают индуктивность 5 – дроссель.

Чтобы пьезопреобразователь работал на частоте собственного механического резонанса, его толщину выбирают равной половине длины волны возникающих в нем звуковых колебаний. Например, для ЦТС-19 при частоте 3 МГц найдем

 мм,

и значит толщина пьезоэлемента будет равна 0,67 мм.

Зондирование таким датчиком осуществляется путем непосредственного контакта с поверхностью тела. При этом неизбежны потери мощности УЗ колебаний из-за отражения. Для его уменьшения и служит согласующий слой. При его отсутствии вследствие большого различия волновых импедансов пьезоэлектрика и мягких тканей коэффициент отражения был бы равен 0,87, т.е. лишь 13% излучаемой энергии проходило бы в ткани. Для исключения отражений необходимо, чтобы волновой импеданс согласующего слоя Z был равен среднегеометрической величине волновых импедансов ZП и ZТ пьезоэлектрика и тканей:

. (1)

Например, волновой импеданс ZС согласующего слоя для пьезоэлемента из ЦТС-19 будет равен примерно 3,7 Zводы (с учетом того, что ZТ Zводы). Толщина согласующего слоя берется равной четверти длины волны в мягких тканях, в данном случае 0,25 мм.

Характеристика направленности датчика определяется размерами его рабочей поверхности – апертуры. Ее примерный вид для дискового ПЭП показан на рис. 1. Она имеет так называемую ближнюю зону (зону Френеля) длиной L и дальнюю зону (Фраунгофера), в которой УЗ луч расходится с углом . Эти параметры зависят от соотношения диаметра ПЭП и длины волны УЗ в тканях и определяются по формулам

;  (2)

Например, для D =10 мм и = 0,5 мм имеем L = 50 мм и q »3о, т.е. протяженность ближней зоны достаточно велика, а угол расхождения – мал.

Датчик с такой характеристикой направленности обеспечивает концентрированное излучение и селективный прием сигналов вдоль оси луча. Если же D = 1 мм, то L = 0,5 мм и q » 40о, т.е. ближняя зона практически отсутствует, а угол расхождения очень большой.

УЗ луч можно сфокусировать, если поверхность ПЭП выполнить вогнутой. Фокусное расстояние будет определяться радиусом кривизны. Для фокусировки применяют также акустические линзы. Они могут быть вогнутыми и выпуклыми. Если линза выпуклая, то она должна быть изготовлена из материала, скорость звука в котором меньше скорости звука в тканях. ............