Пьезоэлемент или решетка пьезоэлементов • Пьезоэлементы преобразуют электрические сигналы, поступающие из электронного блока прибора, в ультразвуковые сигналы (обратный пьезоэффект). • Это происходит при излучении сигналов. • В процессе приема эхо сигналов пьезоэлементы преобразуют приходящие к датчику ультразвуковые сигналы в электрические сигналы (прямой пьезоэффект). • На излучающую поверхность пьезоэлемента и на противоположную (тыльную) поверхность наносятся электроды тонкие слои токопроводящего металла (как правило, серебра), а к ним припаиваются проводники токопроводы. • По ним поступают электрические сигналы возбуждения в режиме излучения и с них же в режиме приема снимаются эхо сигналы, преоб разованные в электрические.
• От материала и качества изготовления пьезоэлемента прежде всего зависит такая характеристика прибора, как чувствительность. • В современных приборах применяются пьезоэлементы, изготовленные из пьезокомпозитов материалов, помимо пьезокерамики включающих в свой состав органические наполнители. • Эти материалы позволяют достичь более высоких характеристик чувствительности и разрешающей способности. • Кроме того, они более технологичны в изготовлении.
• Пьезоэлемент характеризуется набором упругих пьезоэлектрических и диэлектрических постоянных, связывающих три пространственных компоненты вектора напряженности электрического поля (или электрической индукции) с шестью механическими компонентами тензора упругого напряжения или тензора упругой деформации.
Величины, характеризующие пьезоэффект Обозначение Наименование Упругое напряжение Деформация Напряженность электрического поля Электрическая индукция Математическое определение - Единицы измерений Н/м 2 В/м Кл/м 2 Постоянные упругости Коэффициенты упругой податливости Па, Н/м 2 Па-1, м 2/Н Диэлектрические проницаемости Диэлектрические непроницаемости Ф/м м/Ф Пьезоэлектрическая постоянная Пьезоэлектрический модуль Пьезоэлектрическая постоянная деформации Пьезоэлектрическая постоянная Кл/м 2, Н/В·м Кл/Н, м/В Н/Кл, В/м м 2/Кл, В·м/Н
Уравнения пьезоэффекта • Записываются в виде: Здесь индексы имеют значения от 1 до 6; от 1 до 3 ( ). Повторяющиеся индексы означают суммирование величин со всеми возможными значениями этого индекса, например ,
• Выбор той или иной системы уравнений пьезоэффекта для описания работы пьезоэлемента диктуется условиями его работы. • Например, пьезоэлемент, совершающий продольные колебания по длине или толщине материала параллельно вектору электрического поля, описываются уравнениями, записанными в нижней строке
• В общем случае несимметричные пьезоэлектрические кристаллы могут иметь 21 различную постоянную упругости, 6 диэлектрических проницаемостей и 18 пьезоэлектрических констант. • Число независимых постоянных уменьшается из за симметрии кристалла или пьезокерамики. • Поэтому, пьезоэлектрики, имеющие практическое значение, характеризуется небольшим числом постоянных. • Обобщающим параметром пьезоматериалов, характеризующим способность электроакустического преобразования, является коэффициент электромеханической связи для различных типов колебаний по толщине ( ), длине ( ) параллельно вектору электрического поля или по длине – перпендикулярно вектору электрического поля
Пьезоэлементы, совершающие продольные УЗ колебания по толщине (1) и по длине (2) параллельно вектору электрического поля и продольные колебания по длине перпендикулярно к вектору электрического поля (3)
• Акустический преобразователь характеризуется полем излучения – распределением интенсивности амплитуды давления в произвольной точке пространства за его пределами и полем приема – среднее значение амплитуды акустического сигнала на приемном преобразователе, возникающего в результате отражения излучения от точечного рефлектора, помещенного в некоторой точке анализируемого пространства.
• В акустическом поле преобразователя выделяют три зоны. • Ближняя зона – область поля вблизи преобразователя, в которой наблюдаются обусловленные интерференцией немонотонные изменения амплитуды поля. • Зона фокуса – область поля, в которой амплитуда монотонно убывает с расстоянием. • Здесь поле имеет вид лучей, расходящихся из точки, которая называется эффективным акустическим центром. Для преобразователей, равномерно излучающих всеми точками, он совпадает с центром тяжести пластины. • Дальняя зона – область за пределами зоны фокуса, где поле излучения существенно ослабленное. • Более 80% излучения сосредоточенной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями пьезопластины, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно
• Поле на оси преобразователя с круглой (дискообразной) пластиной (диаметром приближенно описывается соотношением: ) где амплитуда акустического поля на поверхности среды, соприкасающейся с преобразователем, длина волны УЗ излучения. • При возбуждении продольных колебаний в пьезопреобразователе, собственная частота пластины связана с толщиной преобразователя соотношением
Поле излучения на оси преобразователя
• Нормированный по максимуму давления график зависимости амплитуды (или интенсивности) поля в дальней зоне в функции от направления распространения волны называют диаграммой направленности. • Диаграмма направленности строится в плоскости, перпендикулярной излучающей поверхности и проходящей через эффективный акустический центр преобразователя. • Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. • В пределах основного лепестка сосредоточено 85% энергии поля излучения. • Вне основного лепестка имеются боковые лепестки, которые обычно являются источниками артефактов информации.
Диаграмма направленности дискообразного преобразователя в полярной системе координат
Демпфер • Основное назначение демпфера соответствует его названию это частичное смягчение (демпфирование) механических колебаний пьезоэлемента. • Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает продольную разрешающую способность прибора. • Другая обязанность демпфера поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т. е. той, которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента.
Согласующие слои • Наносятся на рабочую (излучающую и принимающую сигналы) поверхность пьезоэлемента поверх электрода. • Служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей. • Хорошее согласование совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями акустических (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую среду и наоборот, а следовательно, повысить чувствительность датчика.
Акустическая линза • Изготовленная из материала со специально подобранными свойствами, акустическая линза фокусирует УЗ луч, т. е. обеспечивает минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин и, следовательно, улучшает разрешающую способность. • Одновременно акустическая линза выполняет роль протектора защитного слоя, предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.
• Для изготовления УЗ преобразователя используются высококачественные материалы и сложное современное технологическое оборудование. • Вот почему УЗ преобразователи это дорогие изделия, и в мире можно буквально по пальцам пересчитать фирмы, которые умеют их делать на необходимом уровне.
• Несмотря на общие принципы по строения УЗ преобразователей, существует большое количество раз личных конфигурацийпьезоэлементов, которые применяются в соответствующих типах датчиков. • Можно выделить следующие основные типы пьезоэлементов: * одноэлементный (single element); * многоэлементная кольцевая решетка (annular array); * многоэлементные одномерные решетки (multiple elements 1 D array): линейная (linear); конвексная, или выпуклая (con ex); v микроконвексная, или выпуклая с малым радиусом кривизны (microconvex); * многоэлементная плоская двухмерная решетка (2 D array); * многоэлементная конвексная двухмерная решетка.
Конфигурации пьезоэлементов в различных типах датчиков
• Типы датчиков и их названия определяются использованием в них различных ультразвуковых преобразователей и способов сканирования. • В зависимости от вида преобразователей можно выделить: * секторные механические датчики (sector mechanical probe) с одноэлементными или многоэлементными кольцевыми решетками; * линейные датчики (linear probe) с многоэлементными линейными решетками; * конвексные и микроконвексные датчики (convex или microconvex probe) с конвексными и микроконвексными решетками соответственно; * фазированные секторные датчики (phased array probe) с многоэлементными линейными решетками; * датчики с двухмерной решеткой, линейные, конвексные и секторные.
Рабочая частота датчика • Рабочая частота является важнейшей характеристикой датчика. • Мы уже знаем, что надо стремиться использовать датчики с большей частотой, например – 3, 5; 5; 7, 5 и 10 МГц, так как они обеспечивают более высокое качество изображения, однако следует помнить, что при этом уменьшается глубина исследования. • Поэтому выбор частоты датчика обусловлен максимальной глубиной расположения органов и структур. • В ряде случаев при обследовании тучных пациентов приходится применять датчики с частотой 2, 5 МГц, у которых максимальная рабочая глубина порядка 240 мм, однако разрешающая способность при использовании таких датчиков и, следовательно, качество изображения хуже, чем при частоте 3, 5 МГц. • С другой стороны, для обследования структур, расположенных на очень малых глубинах, применяются датчики с частотой более 10 МГц.
УЗ датчики для наружного обследования
Конвексные и фазированный секторный датчики для наружного обследования
• В секторных механических датчиках рабочая поверхность (защитный колпачок) закрывает объем, в котором находится перемещающийся по углу одноэлементный или кольцевой УЗ преобразователь. • Объем под колпачком заполнен акустически прозрачной жидкостью для уменьшения потерь при прохождении УЗ сигналов. • Основной характеристикой секторных механических датчиков помимо рабочей частоты является угловой размер сектора сканирования , который указывается в маркировке датчика (иногда дополнительно дается длина соответствующей дуги Н рабочей поверхности). • Пример маркировки: 3, 5 МГц/900.
• В линейных, конвексных, микроконвексных и фазированных (секторных) датчиках электронного сканирования рабочая поверхность совпадает с излучающей поверхностью УЗ преобразователя, которая называется апертурой, и равна ей по размерам. • Характерные размеры апертуры используются в маркировке датчиков и помогают определиться при выборе датчика.
• В линейных датчиках характерной является длина апертуры L, так как именно она определяет ширину прямоугольной зоны обзора. • Пример маркировки линейного датчика: 7, 5 МГц/42 мм. • Следует иметь в виду, что ширина зоны обзора в линейном датчике всегда меньше на 20 40% длины апертуры. • Таким образом, если указан размер апертуры 42 мм, ширина зоны обзора не более 34 мм.
• В конвексных датчиках зона обзора определяется двумя характерными размерами длиной дуги Н (иногда ее хорды), соответствующей выпуклой рабочей части, и угловым размером сектора сканирования в градусах. • Пример маркировки конвексного датчика: 3, 5 МГц/60°/60 мм. • Реже для маркировки используется радиус R кривизны рабочей поверхности, например: 3, 5 МГц/60 R (радиус 60 мм).
• В микроконвексных датчиках характерным является R - радиус кривизны рабочей поверхности (апертуры), иногда дополнительно дается угол дуги , определяющий угловой размер сектора обзора. • Для фазированного секторного датчика дается угловой размер сектора электронного сканирования в градусах.
Широкополосные и многочастотные датчики • В современных сложных приборах все большее применение находят широкополосные датчики. • Эти датчики конструктивно оформлены аналогично обычным датчикам, рассмотренным выше, и отличаются от них тем, что используют широкополосный УЗ преобразователь, т. е. датчик с широкой полосой рабочих частот. • Чем шире полоса частот, тем короче зондирующий импульс и тем лучше разрешающая способность. • В обычных датчиках относительная ширина полосы рабочих частот равна f/f 0 ~ 0, 4 0, 5, где f- ширина полосы частот, а f 0 центральная (номинальная) частота датчика, указываемая в маркировке или названии датчика.
Скачать презентацию Пьезоэлемент или решетка пьезоэлементов Пьезоэлементы преобразуют электрические
Lektsia_TTI_24.ppt