1、 超声波传感器生物医学工程10910040133张超2011-11-91目录基本介绍.2组成部分.2性能指标.3主要应用.3工作原理.4最新发展.5在生物医学工程上的应用及实例.7超声波传感器的发张趋势与展望9参考文献.10 2基本介绍超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普
2、勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波） 、斜探头（横波） 、表面波探头（表面波） 、兰姆波探头（兰姆波） 、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的
3、性能。组成部分超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接3收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波） 、斜探头（横波） 、表面波探头（表面波） 、兰姆波探头（兰姆波） 、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
4、工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。主要应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是4其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原
5、理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的 A 型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上， “悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。工
6、作原理人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20HZ-20KHZ 范围内，超过 20KHZ 称为超声波，低于 20HZ 的称为次声波。常用的超声波频率为几十 KHZ-几十 MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波） 。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液5体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十 KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配
7、上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。最新发展科技进步使得今天的超声波传感器非常坚固耐用并有着精确检测性能，这些新技术使超声波传感器更简单、更灵活、性价比更高。这些新特性拓展新的应用领域。如今，超声波传感器在工业等应用领域给自动化设计师提供了新的极具创造性的解决方案。数年前，在传感器技术领域，超声波传感器一直是备用的选择，设计师只有在其他的传感技术无法工作的时候才会选择超声波技术，一般用于检测透明物体，长距离的感应或者是当目标颜色改变时的才会采用这种技术。 新技术的应用使得今天的超声波传感器能经受恶劣环境的考验：1.防护等级 IP67 的超声波传感器
8、可用于潮湿的环境中，比如瓶子清洗机器；2.内置温度补偿电路，在正常工作状态下，当有明显的温度变化时，由温度补偿电路进行校对以减少温度影响；3.Teflon 型号的超声波传感器的表面有一种特殊涂层可以用来抵御腐蚀性介质的侵蚀；64.不锈钢耐压型超声波传感器可用于正压最大 6bar 的容器内检测料位；5.先进的滤波电路可以让超声波传感器屏蔽现场干扰；6.简单易设置键和背景抑制功能可以使超声波传感器广泛应用于各种场合，可替换光电传感器；7.新型传感器感应头有着更强的自我保护能力，适用于粉尘重等苛酷场合。易用性：新一代超声波传感器的显著特性有：使用更加简便，LED 显示和按钮设置设置更直观，DIP 开
9、关编程和程序设定功能更强大。开关按钮完全内嵌于传感器装置中，这使得调整安装传感器距离的远近非常容易，把目标物放在传感器前再按下按钮自学习是一件很简单的事情。这种传感器可以自动调节窗口的大下和距离的远近，这也意味着同样的传感器可以应用于多种不同的场合。DIP 开关的编程方式意味着可以为某些特殊的应用而定制一个简单的传感器，这些个性化的特性包括响应时间，输出类型，开关量和模拟量选择以及用于物位/液位控制的特别设定。超声波传感器一般在单个传感器中都包含多种输出类型，具有两路或三路开关量输出型号可以用一个传感器同时 检测物体的几个不同距离，而同时拥有一路开关量输出和一路模拟量输出的型号即可用于位移测量
10、又提供警报输出。以上这些特性使得超声波传感器与其他技术的传感器相比，使用7 更加灵活，更具选择性。在生物医学工程上的应用及实例据英国经济学家杂志网站近日报道，荷兰飞利浦公司的研究人员宣布，他们首次研发出了一块大小仅为 1 毫米的超声波传感器，可将其放入血管内，监测心脏的情况，在很多心脏手术和医疗造影中派上用场。 现有设备让医生的视野受限 以前，手术意味着在病人的身上划开一条大口子；现代医学则为医生提供了一套侵入程度较低的“武器” ，让他们可进入病人的体内进行操作，其中一种比较流行的方式是朝病人体内插入一些长而纤细、弹性较好的导管并通过这些导管来实施手术。 医生们常常使用导管方法进行的手术之一是
11、治疗心跳异常（比如心房纤维性颤动）的心脏电烧手术。在进行这项手术时，医生们一般会对病人施加麻醉剂，然后将一根导管插入病人的血管内，引导导管进入心脏并使用从探针尖端发出的高频无线电波对导致心跳异常的身体组织的一个部位加热，电烧产生的伤口会阻止可能导致心跳异常的电信号的不规则流动。 很多医生都推荐这项手术，然而，实施这项手术一般要耗时 4小时到 6 小时，且更为关键的是，三分之一接受该手术的病人都需要进行重复治疗。这是因为，尽管包括 X 光射线在内的各种各样的图像设备能够帮助医生将导管放置在合适的位置，但它们无法精确地测量需要制造出多大的手术伤疤组织才能阻止电信号的不规则流动。如8果伤疤组织太小，
12、将无法阻止异常的电信号；如果伤疤组织太大，可能会“城门失火殃及池鱼” ，严重伤害周边的身体器官。 与直接开刀相比，这种方法能让病人更快恢复。但缺点是，医生在使用这种导管进行手术时，视野有限，无法精确地查看到病患的身体组织和器官。 “迷你”传感器可实时监测心脏情况 现在，飞利浦公司研制出的“迷你”超声波传感器解决了这个问题。为了让医生对烧伤组织看得更清楚，飞利浦公司的研究人员将一个超声波传感器压缩至 1 毫米大小，并将该传感器插进一个电烧导管的顶端。当然，超声波早就出现在手术中了，以前就被广泛地应用于医学造影中，其主要原理是声波在密实的身体组织内会传递得更快，因此，当一个使用电流通过其中会震颤的
13、材料制成的传感器发送超声波通过身体时，回声返回到该传感器的这段时间就能用于给身体组织和器官造影。 科学家们一直在对超声波扫描仪进行“瘦身” ，有些配有屏幕（可显示图片）的机器的大小与一部手机相当。探头也已被广泛应用于人体内，比如医生将探头插到食道下以检查食道反常的生长或获得更清晰的心脏图片，但是这些探头还是太过庞大笨重，宽大的通道才能让其通行。 相比之下，飞利浦公司最新研发的传感器非常纤小，足以将其挤压到血管内，并从血管内检测心脏，这是以前从来没有做到的事情。飞利浦公司表示，将这款超声波传感器放置在一个导管的尖端让医生9能精确测量疤痕组织的大小并实时监测疤痕组织的创建情况。这套实验性设备在医疗
14、造影和其他方面也会派上用场，不过，该设备正式投入使用之前，可能还要经过几年临床试验，但如果一切进展顺利，病人将不再需要重复进行心脏电烧手术，减少住院次数，从而降低医疗成本，对医生和病人来说，都不啻为一个福音。超声波传感器的发张趋势与展望传感器在医学领域中的使用，都依赖于设计和制造出各式各样的高性能的传感器，从当前高新技术的发展趋势来看传感器技术的发展方向主要在以下几个方面，当然，超声波传感器也是如此：向量子化扩广传感器的检测技术正在迅速延伸，如利用核磁共振（MRI）吸收的磁传感器，利用约瑟夫逊的所谓 SQOTO 磁传感器，能测出其十分之一的微弱场强，利用约瑟夫逊效应热噪声温度计，可测出0.00
15、001K 的低温，这些都是量子力学发展成果。向集成化、多功能化发展随着半导体技术的发展，现在已经把敏感元件与信号处理以及电源部分做在同一个几基片上，从而使检测及信号处理一体化，这类传感器就是利用某些固体材料的物理性变化来实现信息直接变换，与一般传感器相比，具有构造简单，重量轻、体积小，响应速度快，稳定性好等特点。此外，目前还出现了一种文字、图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号、或者将电信号转换成光学图像的显示器件，它10们都是利用光的转换原理组成网状结构。向智能化方向发展自微型机问世以来，随着计算机技术的不断发展，使用的不断普及，微型机已经逐步应用到测量技术中，使传感器和测量仪器朝着智能化方向发展，使传统的传感器和测量仪变成智能装置，从而大大地扩大了使用功能，并提高了测量精度，应用智能化传感器技术的现代医学仪器设备具有许多显著特点。参考文献超声波传感器全国科学技术名词审定委员会德国威声（Microsonic）超声波传感器产品介绍及公司对超声波传感器的应用及展望中国自动化网“迷你”超声波传感器让医生告别手术刀健康报网最新科技成果解放军第 201 医院医疗卫生装备2003 年第 9 期
