超聲仿組織模體校準(zhǔn)規(guī)范

1IEC61685—2001超聲—流體測(cè)量系統(tǒng)—流體測(cè)試裝置(Ultrasonics—Flow凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。本規(guī)范采用JJF1001和JJF1034超聲仿組織模體(也稱超聲仿組織體模，以下簡(jiǎn)稱模體),一般由超聲仿組織材料26.2標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備具備猝發(fā)音、同步輸出功能的任意波形發(fā)生器，頻率范圍高于20MHz;脈寬調(diào)節(jié)步長(zhǎng)應(yīng)小于50ns,最小脈寬應(yīng)不大于50ns。具備發(fā)射/接收功能的諧振式超聲換能器，頻率范圍一般應(yīng)能覆蓋(1～10)MHz。靶線參考試件采用堅(jiān)固外殼，靶線間距最大允許誤差小于±0.1mm,靶線參考試件置于去離子水中。當(dāng)水溫控制在26.3℃時(shí)，其聲速為1500m/s,以滿足超聲診斷儀中聲速設(shè)定值。也可通過溫控設(shè)置去離子水的聲速為超聲診斷儀中可以設(shè)定的其他聲間分辨力的圖像，空間尺寸測(cè)量分辨力應(yīng)優(yōu)于0.1mm。示值誤差應(yīng)優(yōu)于0.1℃。溫度調(diào)節(jié)范圍應(yīng)至少滿足20℃~30℃,溫度控制精度優(yōu)于0.1℃。7.1校準(zhǔn)項(xiàng)目3表1超聲仿組織模體校準(zhǔn)項(xiàng)目一覽表項(xiàng)目名稱23幾何參數(shù)7.2測(cè)量原理超聲仿組織模體中材料聲速、衰減系數(shù)的測(cè)量原理如圖1所示。圖1模體聲速、衰減系數(shù)測(cè)量示意圖1)聲速的測(cè)量原理將兩個(gè)換能器以共軸狀態(tài)布置，其中一個(gè)用來發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)用來接收信號(hào)。當(dāng)厚度不同的被測(cè)模體置于發(fā)射與接收換能器之間時(shí)，聲波的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生改變，如圖1所示。當(dāng)傳播距離分別為L(zhǎng)?和L?時(shí)，在封裝外殼厚度相同的情況下，其厚度差僅為超聲仿組織材料的厚度差，而傳播時(shí)間差僅是內(nèi)部超聲仿組織材料引起的時(shí)間差。當(dāng)傳播距離為L(zhǎng)?時(shí)，聲波的傳播時(shí)間為t?;當(dāng)傳播距離為L(zhǎng)?時(shí)，聲波的傳播時(shí)間為tz,則該模體中超聲仿組織材料的聲速可由公式(1)給出。cp——待測(cè)模體中材料的聲速，m/s;L?,L?——不同傳播路徑的長(zhǎng)度，mm;t?,tz——模體不同傳播路徑置于換能器之間時(shí)，所引起的傳播延遲時(shí)間，s。2)衰減系數(shù)的測(cè)量原理如圖1所示，當(dāng)傳播距離分別為L(zhǎng)?和L?時(shí)，由于傳播路徑上經(jīng)過的界面相同，僅超聲仿組織材料的厚度不同，因此反射行為、透射行為的影響可以相互抵消。僅直接測(cè)定直達(dá)波下降的分貝數(shù)N?和N?,當(dāng)不考慮衍射效應(yīng)時(shí)，衰減系數(shù)可由公式(2)當(dāng)考慮衍射效應(yīng)時(shí)，衰減系數(shù)可由公式(3)獲得：4L?,L?——不同傳播路徑的長(zhǎng)度，mm;1)待測(cè)模體封裝外殼應(yīng)無明顯變形。2)模體應(yīng)能為共軸布置的發(fā)射/接收換能器提供兩個(gè)長(zhǎng)度不同的傳播路徑，如圖1將信號(hào)源、功率放大器及示波器按照?qǐng)D2連接，設(shè)置信號(hào)源的輸出為猝發(fā)音方式，L?或L?圖2短猝發(fā)音激勵(lì)法聲速、衰減系數(shù)測(cè)量示意圖將模體的某個(gè)傳播路徑，如圖2中的L?路徑，固定放置在發(fā)射換能器與接收換能更換傳播路徑為圖2中的L?路徑，調(diào)節(jié)發(fā)射、接收換能器的空間位置、姿態(tài)及耦合情況，使得接收換能器接收到的直達(dá)波幅度最大，記錄此時(shí)的延遲時(shí)間tz。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到模體內(nèi)材料的聲速。注：對(duì)于一般材料來講，聲速與頻率之間并無直接依賴關(guān)系。由于延遲時(shí)間的讀取，是通過觀察波形的某個(gè)位置，因此所選用探頭的頻率與聲速測(cè)量結(jié)果有直接關(guān)系。一般來說，在接收換能器信噪比足夠好的情況下，應(yīng)選擇頻率盡可能高的探頭。在模體尺寸較大，或者頻率較高時(shí)傳播路徑中衰減較大，上5圖3脈沖激勵(lì)法聲速、衰減系數(shù)測(cè)量示意圖將超聲發(fā)射/接收機(jī)及示波器按照?qǐng)D3連接，設(shè)置超聲發(fā)射/接收機(jī)儀的工作模式為雙通道模式(亦稱為“透射”模式),發(fā)射通道的發(fā)射脈沖經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娮璺謮汉?，輸將模體的某個(gè)傳播路徑，如圖3中的L?路徑，固定放置在發(fā)射換能器與接收換能的直達(dá)波幅度最大，記錄此時(shí)的延遲時(shí)間t?。更換傳播路徑為圖3中的L?路徑，調(diào)節(jié)發(fā)射、接收換能器的空間位置、姿態(tài)及耦合情況，使得接收換能器接收到的直達(dá)波幅度最大，記錄此時(shí)的延遲時(shí)間tz。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到模體內(nèi)材料的聲速。將信號(hào)源、功率放大器及示波器按照?qǐng)D2連接，設(shè)置信號(hào)源的輸出為猝發(fā)音方式，將模體的某個(gè)傳播路徑，如圖2中的L?路徑，固定放置在發(fā)射換能器與接收換能更換傳播路徑為圖2中的L?路徑，調(diào)節(jié)發(fā)射、接收換能器的空間位置、姿態(tài)及耦合情況，使得接收換能器接收到的直達(dá)波幅度最大，讀取示波器顯示的直達(dá)波幅將L?、L?以及N?、N?所對(duì)應(yīng)的分貝數(shù)代人公式(2),計(jì)算得到當(dāng)前頻率下的衰減系數(shù)。對(duì)于模體尺寸較大，或者頻率較高時(shí)傳播路徑中衰減較大，短猝發(fā)音激勵(lì)法無法獲6得較好接收信噪比的情況下，可以選用圖3所示的脈沖激勵(lì)法來進(jìn)行測(cè)量。將超聲發(fā)射/接收機(jī)及示波器按照?qǐng)D3連接，設(shè)置超聲發(fā)射/接收機(jī)的工作模式為雙通道模式(亦稱為“透射”模式),發(fā)射通道的發(fā)射脈沖經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娮璺謮汉?，輸出將模體的某個(gè)傳播路徑，如圖3中的L?路徑，固定放置在發(fā)射換能器與接收換能更換傳播路徑為圖3中的L?路徑，調(diào)節(jié)發(fā)射、接收換能器的空間位置、姿態(tài)及耦合情況，使得接收換能器接收到的直達(dá)波幅度最大，讀取示波器顯示的直達(dá)波幅度N?。將L?、L?以及N?、N?所對(duì)應(yīng)的分貝數(shù)代入公式(2),計(jì)算得到當(dāng)前頻率下的衰將靶線參考試件置于去離子水域中，并將水域溫度調(diào)節(jié)到水的7.6.2用超聲診斷儀校準(zhǔn)待校模體的靶線及模體內(nèi)部材料聲學(xué)參數(shù)、模體內(nèi)部組件幾何參數(shù)經(jīng)校準(zhǔn)后出測(cè)量不確定度評(píng)定按JJF1059.1—2012要求，其不確定度評(píng)定示例參見附錄B。此，使用單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校的時(shí)間間隔。建議復(fù)校時(shí)間間隔為7附錄A校準(zhǔn)證書的內(nèi)容e)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果不在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn));8一、聲速頻率點(diǎn)/MHz聲速值/(m/s)二、衰減系數(shù)頻率點(diǎn)/MHz衰減系數(shù)(dB/cm)三、幾何參數(shù)序號(hào)校準(zhǔn)的環(huán)境條件：圖A.1校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式9測(cè)量不確定度評(píng)定示例B.1聲速測(cè)量的不確定度評(píng)定B.1.1不確定度評(píng)定測(cè)量模型被測(cè)超聲模體中材料的聲速可由公式(B.1)給出：ti,t?——模體不同傳播路徑置于換能器之間時(shí)，所引起的傳播延遲時(shí)間，s。B.1.2不確定度的A類評(píng)定測(cè)量不同傳播路徑的長(zhǎng)度L?、L?,延遲時(shí)間t?、tz后，代入公式(B.1)計(jì)算得到 如以n=4次平均值E=1558.23m/s為測(cè)量結(jié)果，則重復(fù)性引起的(標(biāo)準(zhǔn))不確B.1.3不確定度的B類評(píng)定B類不確定度包括以下分量：1)模體厚度引入的分量卡尺的分辨力為0.02mm,當(dāng)測(cè)量厚度>50mm的樣塊時(shí)，其引起的最大誤差為0.01mm,假設(shè)為矩形分布，引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不超過0.02%;2)示波器采樣速率引入的分量示波器采樣速率直接決定了時(shí)間延遲量的測(cè)量精度。當(dāng)所用示波器的采樣速率>100MHz,采樣間隔為10ns,其引起的最大誤差為5ns。發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離滿足一定條件時(shí)，比如聲波在150mm長(zhǎng)度的模體中的傳播時(shí)間約為100μs,由于采樣間隔引起的誤差5ns遠(yuǎn)小于聲波的傳播時(shí)間100μs,由采樣引起的不確定度可以忽略。3)外殼在耦合壓力下的尺寸變化在不同耦合壓力下，表面貼膜及有機(jī)玻璃會(huì)有小的形變，變化量不超過0.1mm,模體尺寸大于50mm時(shí)，假設(shè)為矩形分布，引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不超過0.115%;B.1.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)于模體中材料聲速的測(cè)量值，不確定度來源及相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下：123忽略4外殼在耦合壓力下的尺寸變化合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度B.1.5擴(kuò)展不確定度取包含因子k=2,其擴(kuò)展測(cè)量不確定度：適當(dāng)放大，取U=0.30%(k=2)。B.2衰減系數(shù)測(cè)量的不確定度評(píng)定B.2.1不確定度評(píng)定測(cè)量模型當(dāng)不考慮衍射效應(yīng)時(shí)，衰減系數(shù)可由以下公式計(jì)算得到：當(dāng)考慮衍射效應(yīng)時(shí)，衰減系數(shù)可由以下公式計(jì)算得到：N?,N?——不同傳播路徑時(shí)對(duì)應(yīng)的接收換能器電壓幅度，mV;G?,G?——不同傳播路徑時(shí)，衍射修正系數(shù)。B.2.2不確定度的A類評(píng)定測(cè)量不同傳播路徑的長(zhǎng)度L?,L?、不同傳播路徑對(duì)應(yīng)的接收電壓幅度N?、N?,并考慮衍射系數(shù)G?、G?,代入公式(B.3)計(jì)算得到模體中材料的衰減系數(shù)αp(單位：dB/cm):0.7183,0.7062,0.75如以單次測(cè)量值為測(cè)量結(jié)果，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為3.18%。B.2.3不確定度的B類評(píng)定其他不確定度來源主要包括示波器量化電壓幅值、衍射修正等；待校準(zhǔn)模體外殼厚度的不嚴(yán)格相同、所用超聲換能器的標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率的偏差等可以歸到其他來考慮到示波器的采集位數(shù)為8位(平均后為12位),電壓幅值量化誤差帶來的最大相對(duì)誤差不超過0.4%,假設(shè)為矩形分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.29%。衍射修正的最大誤差不超過2.50%,假設(shè)為矩形分布，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.45%。其他因素，包括材料界面非理想耦合等，帶來的最大偏差應(yīng)不超過6.00%,假設(shè)矩形分布情況下，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為3.50%。B.2.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度衰減系數(shù)測(cè)量中的不確定度來源及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表如B.2。12345合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度B.2.5擴(kuò)展不確定度取包含因子k=2,其擴(kuò)展測(cè)量不確定度：B.3幾何參數(shù)測(cè)量的不確定度評(píng)定B.3.1A類不確定度的評(píng)定利用超聲診斷儀成像中的距離測(cè)量功能，對(duì)待校準(zhǔn)超聲模體中的標(biāo)稱距離為30.00mm的靶線進(jìn)行成像并進(jìn)行距離測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下(單位：mm):30.04;如以單次測(cè)量值為測(cè)量結(jié)果，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.70%。B.3.2B類不確定度的評(píng)定幾何參數(shù)測(cè)量的其他不確定度來源主要包括：去離子水聲速的設(shè)定值、靶線參考試件提供的標(biāo)準(zhǔn)距離、利用靶線參考試件校準(zhǔn)醫(yī)用超聲診斷儀圖像距離測(cè)量功能。水介質(zhì)溫度的設(shè)定值優(yōu)于0.1℃,在(23～29)℃之間，0.1℃的變化對(duì)水介質(zhì)聲速的改變不超過0.3m/s,相對(duì)于約1500m/s的聲速來說，其最大相對(duì)偏差不超過0.02%,可以忽略。靶線參考試件靶線間距標(biāo)稱為10mm并經(jīng)過校準(zhǔn)，其最大偏差不超過0.05mm,假設(shè)為矩形分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不超過0.289%,利用靶線參考試件校準(zhǔn)醫(yī)用超聲診斷儀圖像距離測(cè)量功能(也可稱參考靶線校準(zhǔn)B超),考慮到成像時(shí)的不嚴(yán)格垂直等因素，其最大偏差不超過0.3mm,假設(shè)為矩形分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不超過1.732%。B.3.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度表B.3幾何參數(shù)測(cè)量的不確定度來源匯總表序號(hào)不確定度來源1234水介質(zhì)聲速設(shè)定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度取包含因子k=2,其擴(kuò)展測(cè)量不確定度：衍射修正當(dāng)待校準(zhǔn)模體兩個(gè)測(cè)量方向的歸一化距離差別較大時(shí)，需引入衍射修正。發(fā)射換能器表面上的聲壓可表示為Po=pcvoexp[i(ōt