Физико-технологический институт
Кафедра оптических и биотехнических систем и технологий
Дисциплина Медицинские измерительные преобразователи и электроды
Доклад на тему:
« Оптический детектор ультразвука »
Группа: ТББО-01-16 3 курс
Студент: Ушаков Денис Сергеевич
Преподаватель: Обрубов Олег Петрович
Москва
Оглавление
Введение. 3
Лазерные интерферометры для измерения ультразвуковых колебаний. 3
Оптические детекторы ультразвука. 4
Детектор ультразвука на основе интерферометра Майкельсона. 7
Гомодинное детектирование. 8
Сканирование лазерным гетеродинным интерферометром.. 10
Заключение. 11
Список использованных источников. 12
Введение
Ультразвук, как известно, это звуковые или акустические волны, частота которых выше максимальной частоты звука, слышимой человеческим ухом и равной 20 кГц.
Акустические волны представляют собой механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Акустические волны могут существовать и распространяться в твердых телах, жидкостях и газах. Биологические ткани подобны или жидким упругим средам (мягкие ткани), или твердым (костные образования и конкременты), или содержат в своем составе газовые образования (в легких, кишечнике, желудке и т.д.). Поэтому акустические колебания могут распространяться во всех видах биологических тканей, что используется в медицине для целей диагностики и терапии.
Методы регистрация ультразвуковых импульсов методами, в основе которых лежит пьезоэлектрический эффект, обладают рядом технических аспектов, которые ограничивают сферу их применения. Помимо этого, существует необходимость проектировать пьезоэлектрические датчики под конкретные задачи. Например, для достижения высокого разрешения порой необходимо расширить ширину полосы принимаемых частот. Ввиду вышеперечисленного, актуальность разработки альтернативных средств регистрации ультразвука очевидна.
Существует ряд публикаций, посвященных интерферометрическим средствам регистрации ультразвука. В частности, в них рассматриваются средства для измерения случайных деформаций изучаемого объекта и для регистрации поверхностных акустических волн. Данные средства предназначены для регистрации ультразвуковых волн в твердых телах. Насколько известно автору, исследования по применению интерферометрических средств для регистрации ультразвука в биоткани находятся на раннем этапе.
Лазерные интерферометры для измерения ультразвуковых колебаний
Необходимость проведения высокоточных абсолютных измерений колебаний поверхности оставляет актуальной проблему совершенствования оптических, и в частности лазерных, методов измерения. Известно, что порог чувствительности и погрешность интерференционных лазерных устройств определяются нестабильностью частоты и мощности лазерного излучения, шумом регистрирующей аппаратуры и вредными акустическими вибрациями.
Описаны методы и средства снижения отрицательного влияния мешающих факторов на результаты измерений. Наиболее эффективными и простыми в реализации оказались следующие методы:
а) выравнивание плеч интерферометра для снижения частотных шумов лазера;
б) компенсационный прием для уменьшения влияния кратковременных (характерный период менее 1 мин) флуктуаций мощности лазерного излучения;
в) отрицательная обратная связь для стабилизации базы интерферометра.
В комплексе эти методы позволяют снизить порог чувствительности до ~3*10-14 м/Гц1/2 (теоретический порог чувствительности, определяемый дробовыми шумами фотоприемника, составляет 1,6*10-14 м/Гц1/2) и уменьшить погрешности измерений до единиц процентов. Дальнейшее улучшение метрологических характеристик сдерживается влиянием долговременной нестабильности мощности излучения современных лазеров, достигающей 10 % и более. Методы стабилизации мощности лазерного излучения сложны, кроме того, они приводят к снижению интенсивности светового потока и как следствие к уменьшению чувствительности.
В диапазоне частот выше 20 кГц нестабильность, с одной стороны, приводит к нестабильности чувствительности интерферометра, а с другой (при включенной системе стабилизации базы) - к «уходу» интерферометра с рабочей точки и возникновению систематических погрешностей при измерении смещений поверхности.
Оптические детекторы ультразвука
Рассмотрим два способа измерения колебаний поверхности, позволяющие обойти описанные трудности. Оба способа основаны на постоянном контроле фактических изменений интенсивности излучения и позволяют проводить прецизионные измерения при использовании стандартных лазеров типа ЛГ-122 или ЛГ-79.
При реализации первого способа в качестве опорного сигнала используется уровень интенсивности оптического излучения источника. Интерферометр (рис. 1) содержит лазер 1 в качестве источника излучения, светоделитель 3, отражающие зеркала измерительного плеча 2 и опорного плеча 4. Часть излучения лазера 1 посредством светоделительной пластины 5 отводится на фотоприемник 6, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности излучения лазера, подаваемый далее на один из входов дифференциального усилителя 10. При этом сигнал с дополнительного фотоприемника 6 не зависит от оптической фазы интерферометра. На второй вход усилителя 10 подается сигнал с фотоприемника 9, величина которого пропорциональна интенсивности интерферирующих лучей в отраженном свете. При этом изменение оптической фазы интерферометра (относительные перемещения поверхности образца 2 и опорного зеркала 4) вследствие действия акустических шумов приводит к изменению сигнала фотоприемника 9 на величину, пропорциональную расстройке оптической фазы интерферометра, что приводит к появлению сигнала, поступающего на исполнительный элемент 11 (пьезопривод) и компенсирующего акустические шумы. Часть интерферирующего излучения отводится светоделительной пластиной 7 на фотоприемник 8, сигнал которого фиксируется блоком регистрации 15.
Рис. 1. Блок-схема лазерных измерителей колебаний: а - первый способ;
b - второй способ
Полезный сигнал и сигнал «акустического шума», как отмечено выше, разделены по частотам, причем цепь обратной связи (фотоприемник 9, усилитель 10, пьезопривод 11) работает в области частот ниже fгр =1 кГц. Изменение интенсивности излучения лазера 1 приводит к одновременному и синфазному изменению сигналов с фотоприемников 6 и 9. Вследствие большого подавления синфазных сигналов дифференциальным усилителем 10 сигнал на исполнительном элементе 11 не изменяется. При этом изменение интенсивности излучения лазера 1 не приводит к изменению оптической фазы интерферометра.
По второму способу в процессе измерений производится периодический контроль размаха интерференционной картины и подстройка рабочей точки интерферометра. В этом варианте для повышения точности измерения используется принцип модуляции интерференционной картины.
Установка работает следующим образом. Расширенный до необходимого диаметра луч лазера 1 направляется на светоделитель 3, где расщепляется на два луча, один из которых отражается от объекта 2, а другой - от зеркал 4 и 4'. Луч, отраженный от зеркала 4', и луч, отраженный от поверхности объекта 2, образуют первую интерференционную картину, которая проецируется на фотоприемник 8. Другой луч, отраженный от зеркала 4 и поверхности объекта 2, образует вторую интерференционную картину, которая проецируется на фотоприемник 9, подключенный к системе отрицательной обратной связи 13, выполненной в виде экстремального регулятора. При подаче на пьезопривод 11 синусоидального напряжения от генератора 16 частотой со0 происходит модуляция интенсивности второй интерференционной картины и на выходе фотоприемника 9 вырабатывается синусоидальный электрический сигнал, частота и фаза которого зависят от фазы интерференционной картины. Если фаза интерференционной картины равна 2mπ,то частота электрического сигнала фотоприемника 9 равна2ш0. Если фаза интерференционной картины не равна 2mπ, то в сигнале присутствует составляющая с частотой ω0.
Фаза этой составляющей относительно фазы опорной частоты генератора 16 определяется знаком отклонения фазы интерференционной картины от точки φо = 2 mπ. Система отрицательной обратной связи 13 выделяет из сигнала фотоприемника 9 сигнал с частотой ω0, сравнивает фазу этого сигнала с фазой опорного сигнала и вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на пьезопривод 11 для подстройки фазы в точке φ0 = 2 mπ. Информативным каналом в обоих устройствах является цепь - фотоприемник 8, блок регистрации 15. Таким образом, происходит жесткая стабилизация фазы второй интерференционной картины независимо от мощности I лазерного излучения на входе в интерферометр. Фаза первой интерференционной картины жестко связана с фазой второй картины, но может плавно регулироваться относительно нее регулируемым напряжением источника 14. Перед проведением измерений смещений поверхности образца 2 посредством пьезопривода 12 проводится определение размаха интерференционной картины и затем с помощью пьезопривода 12' и источника 14 настройка измерительного канала на рабочую точку.
На модулятор 2 с блока питания 4 подается пилообразное напряжение амплитудой до 400 В. В качестве генератора 7 используется, либо генератор прямоугольных импульсов, собранный на длинных линиях, либо генератор радиоимпульсов. Блок возбуждения (преобразователь 6, генератор 7) позволяет генерировать УЗ-импульсы в диапазоне частот 0,1-20 МГц (диапазон длительностей 100 нс - 10 мкс) амплитудой до 5 * 10-8 м. Сигнал с интерферометра 3 поступает в блок регистрации 8.