功率放大器在磁聲成像研究五自由度掃描裝置中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：功率放大器在磁聲成像研究五自由度掃描裝置中的應(yīng)用

　　研究方向：磁聲成像

　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：磁聲成像是將磁場(chǎng)能量和電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為超聲能量的一種成像方式。將樣本組織放于穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，并向樣本組織中通以頻率在超聲頻段的激勵(lì)電流，樣本組織中的電流在穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下，發(fā)生機(jī)電耦合作用產(chǎn)生洛倫茲力，發(fā)出與激勵(lì)電流頻率相同的振動(dòng)聲波，該聲波傳播到樣本組織周圍的超聲換能器處，被接收后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行后續(xù)成像處理。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：研究設(shè)計(jì)了平移圓周掃描方式，對(duì)銅環(huán)樣本的聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)電導(dǎo)率分布進(jìn)行初步重建。聲換能器的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4。平移圓周掃描方式主要包括了X軸向上的平移運(yùn)動(dòng)及樣本載物盤沿Z軸的圓周運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制步驟如下:將樣本放于樣本載物盤中心，調(diào)整Y軸方向上換能器距離樣本中心位置至合適距離Ｒ，調(diào)整Z軸方向上換能器中心與樣本處于同一高度。

　　平移圓周掃描運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

　　將調(diào)整X軸向上換能器至位置a，并以合適距離d為單位進(jìn)行平移，直至位置b，此平移過(guò)程完成;之后將樣本載物盤旋轉(zhuǎn)角度α，旋轉(zhuǎn)完成后;換能器回到平移初始位置a’，仍以距離d為單位平移直至b’，平移過(guò)程完成，之后將樣本載物盤再次旋轉(zhuǎn)角度α。以此類推，直至完成設(shè)定的所有運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在換能器所在的每一位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和保存，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

　　測(cè)試系統(tǒng)：由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大，將激勵(lì)信號(hào)加載到實(shí)驗(yàn)樣本上。磁場(chǎng)與樣本組織內(nèi)部電流密度發(fā)生磁聲耦合效應(yīng)，產(chǎn)生聲信號(hào)，由聲換能器進(jìn)行聲壓接收，并由安泰電子ATA-5620前置放大器放大，示波器進(jìn)行顯示。聲換能器與樣本位置由步進(jìn)電機(jī)控制，可進(jìn)行五自由度運(yùn)動(dòng)，如下圖所示，包括聲換能器沿X軸向平移運(yùn)動(dòng)、Y軸向平移運(yùn)動(dòng)、Z軸向平移運(yùn)動(dòng)、沿Z軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)樣本載物盤可以沿Z軸旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)及螺旋型等不同掃描方式。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

　　結(jié)果分析：本研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)銅環(huán)樣本開展了手動(dòng)控制與電機(jī)控制的圓周掃描成像精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。使用銅環(huán)直徑約為22mm，外部施加0．4T的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，施加正弦脈沖電壓信號(hào)，f=1MHz，Vpp=1V，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)差分放大器1000倍放大。圓周掃描步長(zhǎng)為5°，掃描范圍為300°。

　　實(shí)驗(yàn)樣本與測(cè)量的磁聲信號(hào)重建圖

　　上圖為銅環(huán)樣本與手動(dòng)控制和電機(jī)控制電導(dǎo)率重建對(duì)比，其中(a)為銅環(huán)樣本，(b)為手動(dòng)控制電導(dǎo)率重建圖，(c)為電機(jī)控制電導(dǎo)率重建圖。由對(duì)比可看出，(c)圖電導(dǎo)率重建輪廓與樣本輪廓的相符度及電導(dǎo)率重建質(zhì)量均要好于圖(b)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)控制的精度對(duì)數(shù)據(jù)采集及電導(dǎo)率重建有重要影響。ATA-5620前置微小信號(hào)放大器。