專利名稱：超聲波聲場三維成像虛擬實驗室的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種專門用于超聲波成像的實驗平臺，具體地說是將實體的超聲波成像裝置的實驗狀態和數據，通過因特網發布，提供遠程用戶如身臨其境的虛擬實驗室平臺。
背景技術：
目前，超聲波技術在檢測、功率超聲、水下通信、超聲電子等領域有著廣泛的應用。而對超聲波在介質中的傳播規則的研究，是所有超聲波應用技術的基礎。為了反映出超聲波在介質中的傳播規則，常采用對超聲波聲場成像的實驗。但是，傳統的對超聲聲場成像的實驗模式有著以下問題
I、國內的相關領域研究者總會做重復的基本實驗。例如某學者需要建立超聲波在淡水中的傳輸特性以及聲場分布，需要自制設備以實現檢測；另一學者需要研究超聲波聲場在某均勻分布的氣體中的分布情況，也需設計設備類似的設備用以實驗。2、對于大多從事于基礎研究的學者，因為專業知識和精力所限，無法在合理的時間內設計出，用于檢測三維空間中聲場分布情況的系統，造成大量精力和時間的浪費。如大部分物理或者聲學領域的研究者，由于沒有機械設計和電子設計的知識背景，難以設計出精密的此類設備。3、對于部分學者或者工程師，在某些情況下需要檢測樣本中聲波的傳播情況。如果僅為一兩次的實驗，而添置此類設備，會造成經濟上的浪費。4、部分學者掌握了大量的，不同介質中的聲場分布數據，但是因為缺乏在計算機數據處理等領域的知識，無法采用先進的方法分析和處理數據。而部分擁有豐富的計算機數據處理知識的學者，又缺少跨學科的數據素材。
發明內容
本發明目的是解決上述問題，提供一種超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其提供了聲學相關研究者一個存在于互聯網上的虛擬實驗室，任何接入互聯網的用戶，均可以訪問、查詢本實驗室的數據庫，避免了重復性的試驗，解決了遠程用戶沒有相關檢測設備的問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其包括一個聲波采集裝置，一個數據服務器。聲波采集裝置，用于遠程用戶通過因特網的訪問，包括激勵和獲取超聲波信號的超聲波信號處理單元，和控制超聲波接收換能器在三維空間中移動的三自由度絲杠滑臺單
J Li o其中，所述三自由度絲杠滑臺單元包括帶動超聲波接收換能器移動移動到任意空間坐上的絲杠滑臺、用于帶動三自由度絲杠滑臺運行的步進電機和用于驅動步進電機運行的步進電機驅動器。所述超聲波信號處理單元包括脈沖功率放大器、超聲波發射換能器、運算放大器電路、用于控制步進電機驅動器的微處理器、用于將運算放大器傳遞而來的模擬信號轉換為數字信號的AD轉換電路以及用于獲取到的超聲波采樣信號，并將數據傳輸到微處理器的可編程邏輯單元即FPGA單元；所述驅動步進電機和可編程邏輯單元均與微處理器相連接，所述運算放大器通過AD轉換電路與可編程邏輯單元相連接，所述超聲波發射換能器通過脈沖功率放大器連接在微處理器的IO端口上。所述聲波采集裝置還包括RS232通信模塊，其中，所述微處理器將數據通過RS232通信模塊發送至數據服務器，完成命令或數據流通。微處理器通過RS232通信模塊與數據服務器完成命令或數據流通。其中，ARM微處理器解析到來自服務器的控制步進電機的命令后，通過GPIO(General-Purpose IO ports,也就是通用IO端口)來控制步進電機驅動器驅動步進電機，三個步進電機來帶動滑臺沿，X、Y、Z三個正交的軸向移動，滑臺帶動超聲波接收換能器移 動，可移動到任意空間坐標(x，y，z)上。其中，ARM微處理器在通過步進電機控制超聲波接收換能器移動至所需的空間坐標點后，ARM微處理器在GPIO上產生一個脈沖信號，經脈沖功率放大器放大電壓和電流，再通過導線將該信號驅動超聲波發射換能器。其中，超聲波接收換能器將接受到的超聲信號轉換為電信號，并又導線傳輸給運算放大器，放大電壓幅值。此后，FPGA控制AD轉換器將通過導線由運算放大器傳遞而來的模擬信號轉換為數字信號。FPGA獲取到的超聲波采樣信號后，由GPIO將數據傳輸到ARM微處理器。ARM微處理器將數據通過RS232通信模塊發送至數據服務器。數據服務器，是一臺計算機，能提供的功能包括網絡服務單元，成像方法管理單元，數據庫維護單元。其中，數據服務器所包括的網絡服務單元需要維護服務器到因特網的接入，還需要維護Apache網頁服務器。網頁服務器向遠程用戶提供了 WEB顯示，提供了數據庫和遠程用戶進行數據交互的方法。其中，數據服務器所包括的數據庫維護單元，包括聲波數據庫、繪圖方法數據庫和采集裝置控制程序。所述聲波數據庫、繪圖方法數據庫和控制聲波采集裝置均通過虛擬實驗室守護進程提供給網頁服務器顯示遠程用戶需要的信息。其中，聲波數據庫的數據來源可以是本地端的聲波采集系統，也可以由授權的遠程用戶上傳。繪圖方法數據庫的數據來源的來源可以是本地端系統管理員，也可以由授權的遠程用戶上傳。其中，成像方法管理單元包括MATLAB接口程序和繪圖方法數據庫。MATLAB程序接口可以根據當前用戶，在繪圖方法數據庫和聲波數據庫中所選擇的數據，進行繪制聲波圖像。所述MATLAB程序接口通過虛擬實驗室守護進程提供給網頁服務器顯示遠程用戶需要的聲波圖像信息。其中，MATLAB程序接口繪制完成的聲波圖像，通過GIF的形式載入到網頁中，供遠程用戶查看；也可以在本地數據服務器端，由采集裝置控制程序直接查看。一個由數據服務器維護的WEB界面，提供用戶虛擬實驗室操作。其中，WEB界面上提供成像區和運行姿態觀察和調整區，以及提供注冊用戶登錄、待顯示數據選擇、上傳數據和繪圖方法、自定義查詢數據的功能選擇區；功能選擇區包括注冊用戶登錄區、數據選擇區、上傳數據區、繪圖方法上傳區以及自定義查詢區。其中，WEB界面的成像區是由遠程用戶選擇了數據和繪圖方法后進行顯示的。其中，遠程用戶能通過WEB界面上的運行姿態觀察和調整區，觀察和控制服務器端的聲場采集裝置。
其中，遠程用戶能通過WEB界面上傳數據和繪圖方法至服務器端的數據庫。本發明的積極進步效果在于I、提供了聲學相關研究者一個存在于互聯網上的虛擬實驗室，任何接入互聯網的用戶，均可以訪問、查詢本實驗室的數據庫，避免了重復性的試驗。2、本虛擬實驗室為遠程用戶提供了上傳數據和繪圖方法的功能，能讓所有使用者充實數據庫，共享先進的繪圖方法等數據分析方法。3、遠程用戶可以觀察和調整服務器端的聲場采集裝置的運行姿態，得到用戶需要的特殊數據。使得虛擬實驗室如同用戶身臨其境，親自操作一般。4、遠程用戶可以向本虛擬實驗室本地端的管理員，申請使用其提供的樣本作測試，以解決遠程用戶沒有相關檢測設備的問題。
圖I是本發明超聲波聲場三維成像虛擬實驗室的結構圖。圖2是本發明中聲波采集裝置電路結構方框圖。圖3是本發明中數據服務器軟件結構方框圖。圖4是本發明中遠程用戶訪問界面內容安排示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述圖I所示為超聲波聲場三維成像虛擬實驗室的系統結構框圖，該系統主要由聲波采集裝置1，數據服務器2，和遠程用戶3組成。其中聲波采集裝置I和數據服務器2屬于本地端的實體設備，兩者之間的通信依賴于RS232通信接口 4來完成。聲波采集系統I在由數據服務器的2的控制下，利用三自由度絲杠滑臺單元7來控制系統采樣聲波采樣位置，并通過超聲波信號處理單元6來完成原始聲波信號的采集。數據服務器端2的數據庫維護單位10，管理來自聲波采集裝置I的聲波數據，本地端通過成像方法管理單元9繪制聲波的聲場分布圖像。網絡服務單元8負責本地端接入因特網5，因此遠程用戶3能異地訪問數據服務器2端的聲波數據。并通過服務器提供的方法，實現足不出戶就能得到自定義的聲場實驗的結果，如同在虛擬存在的實驗室完成實際的實驗。本發明的本地端聲波采集裝置I提供了原始的數據，該裝置的具體實施如圖2所示，核心控制部分是ARM微處理器11，ARM微處理器接接收到來自RS232通信模塊22的控制命令，實現控制步進電機驅動器12去驅動三個自由度的步進電機即第一自由度步進電機13、第二自由度步進電機14、第三自由度步進電機15，該第一自由度步進電機13、第二自由度步進電機14和第三自由度步進電機15分別帶動的機械裝置沿X、Y、Z三個軸向移動超聲波接收換能器18，當運行到要求采樣的點后停止。ARM微處理器通過通用引腳超聲脈沖驅動信號，經脈沖功率放大電路16后,激發超聲波發射換能器17產生超聲波。聲波經介質傳播后到達超聲波接收換能器18，它輸出的微弱電信號經運算放大器19進行放大處理后，送至由FPGA單元21控制的AD換能器20轉換為數字信號。該裝置反復這個過程，得到所有待測位置的聲波數據后，通過RS232通信模塊22將數據傳輸至數據服務器。圖3是數據服務器2的軟件結構圖，其中采集裝置控制程序27實現了和聲波采集裝置I的命令和數據通信，在本地端的用戶可以直接運行采集裝置控制程序27，控制聲波采集裝置I完成相應動作。所采集的聲波數據和介質樣本的模型被保存到聲波數據庫28中。采集裝置控制程序27還能調用MATLAB接口程序23，通過在繪圖方法數據庫24中選取合理的繪圖方法，繪制聲場圖像。數據服務器2的另一個主要任務是采用Apache網頁服務器25維護著虛擬實驗室的網頁，遠程用戶3經因特網訪問網站，發出請求，并依賴虛擬實驗室守護進程26同樣可以調用MATLAB接口程序23，實現繪圖。此外，虛擬實驗室守護進程26還能為遠程用戶提供上傳數據和繪圖方法的功能，使得遠程用戶能上傳更佳的方法到繪圖方法數據庫24，或上傳具有特殊特征的聲波數據至聲波數據庫28，供其他用戶使用。進而更佳豐富虛擬實驗室的實驗內容、方法和數據。 圖4展示了一個虛擬實驗室的WEB實施例，WEB界面29是遠程用戶3通過瀏覽器所能觀察到的，遠程用戶3是否為注冊用戶均可使用該虛擬實驗室WEB界面中所提供的功能，而注冊用戶通過注冊用戶登陸區30方法登入后，可以由自定義查詢區34觀察用戶自定義的檢測方法在服務器本地端的運行狀況，登入的用戶還能使用功能數據上傳區32和繪圖方法上傳區33，為了保證數據和方法的有效性和安全性，用戶上傳的數據或者方法均需遵循本發明所要求的標準。此外，也是本發明的最主要功能之一，就是WEB頁面提供了成像區36和運行姿態觀察和調整區35。遠程用戶3查看選定介質的波形圖是通過成像區36來實現的。登入的用戶通過系統服務器管理員的批準后，還可以通過運行姿態觀察和調整區35，進行觀察或者調整本地端的聲場設備的運行狀態，如同在虛擬實驗室里進行調試。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，其包括 一個聲波采集裝置，包括激勵和獲取超聲波信號的超聲波信號處理單元以及用于控制超聲波接收換能器在三維空間中移動的三自由度絲杠滑臺單元； 一個數據服務器，用于遠程用戶通過因特網的訪問，其包括用于本地端接入因特網的網絡服務單元、用于繪制聲波聲場分布圖像的成像方法管理單元和用于管理來自聲波采集裝置的聲波數據的數據庫維護單元； 一個WEB界面，提供用戶虛擬實驗室操作。
2.根據權利要求I所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述三自由度絲杠滑臺單元包括帶動超聲波接收換能器移動移動到任意空間坐上的絲杠滑臺、用于帶動三自由度絲杠滑臺運行的步進電機和用于驅動步進電機運行的步進電機驅動器。
3.根據權利要求2所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述超聲波信號處理單元包括脈沖功率放大器、超聲波發射換能器、運算放大器電路、用于控制步進電機驅動器的微處理器、用于將運算放大器傳遞而來的模擬信號轉換為數字信號的AD轉換電路以及用于獲取到的超聲波采樣信號，并將數據傳輸到微處理器的可編程邏輯單元；所述驅動步進電機和可編程邏輯單元均與微處理器相連接，所述運算放大器通過AD轉換電路與可編程邏輯單元相連接，所述超聲波發射換能器通過脈沖功率放大器連接在微處理器的IO端口上。
4.根據權利要求3所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述聲波采集裝置還包括RS232通信模塊，所述微處理器將數據通過RS232通信模塊發送至數據服務器，完成命令或數據流通。
5.根據權利要求3所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述微處理器解析到來自服務器的控制步進電機的命令后，通過通用IO端口來控制步進電機驅動器驅動步進電機。
6.根據權利要求3所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述可編程邏輯單元獲取到的超聲波采樣信號后通過通用IO端口將數據傳輸到微處理器。
7.根據權利要求3所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述微處理器在通過步進電機控制超聲波接收換能器移動至所需的空間坐標點后，微處理器在通用IO端口上產生一個脈沖信號，經脈沖功率放大器放大電壓和電流，再通過導線將該信號驅動超聲波發射換能器。
8.根據權利要求2至7任意一項所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述步進電機設置有三個，分別來帶動絲杠滑臺沿X、Y、Z三個正交的軸向移動。
9.根據權利要求I所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述數據服務器還包括用于接入因特網，并向遠程用戶提供WEB顯示、數據庫和遠程用戶進行數據交互方法的網頁服務器，所述網絡服務單元用于維護網絡服務器接入到因特網。
10.根據權利要求I或9所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述數據庫維護單元包括聲波數據庫、繪圖方法數據庫和控制聲波采集裝置的采集裝置控制程序，所述聲波數據庫、繪圖方法數據庫和控制聲波采集裝置均通過虛擬實驗室守護進程提供給網頁服務器顯示遠程用戶需要的信息。
11.根據權利要求10所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述聲波數據庫的數據來源于本地端的聲波采集裝置或由授權的遠程用戶上傳而來的聲波數據。
12.根據權利要求10所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述繪圖方法數據庫的數據來源的來源于本地端系統管理或由授權的遠程用戶上傳而來。
13.根據權利要求10所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述成像方法管理單元包括可根據當前用戶在繪圖方法數據庫和聲波數據庫中所選擇的數據進行繪制聲波圖像的MATLAB接口程序，所述通過虛擬實驗室守護進程提供給網頁服務器顯示遠程用戶需要的聲波圖像信息。
14.根據權利要求13所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述MATLAB程序接口繪制完成的聲波圖像通過GIF的形式載入到網頁中，供遠程用戶查看。
15.根據權利要求13所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述MATLAB程序接口繪制完成的聲波圖像在本地數據服務器端通過采集裝置控制程序直接查看。
16.根據權利要求I所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述WEB界面上設置有成像區、運行姿態觀察和調整區以及提供注冊用戶登錄、待顯示數據選擇、上傳數據和繪圖方法、自定義查詢數據的功能選擇區。
17.根據權利要求16所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述成像區是由遠程用戶選擇了數據和繪圖方法后進行顯示而成。
18.根據權利要求16所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述遠程用戶能通過運行姿態觀察和調整區，觀察和控制服務器端的聲場采集裝置。
19.根據權利要求16所述的超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其特征在于，所述遠程用戶通過功能選擇區將上傳數據和繪圖方法傳送至服務器端的數據庫。
全文摘要
本發明公開了一種超聲波聲場三維成像虛擬實驗室，其主要包括聲波采集裝置和數據服務器。聲波采集裝置內的超聲波信號處理單元配合三自由度絲杠滑臺單元，能采集三維空間中超聲波聲場的分布情況，并保存至數據服務器中。借助數據服務器的網絡服務單元，遠程用戶可以通過因特網訪問超聲波聲場分布數據，自由選定繪圖方法繪制超聲波三維成像圖，還能通過WEB界面觀察并控制聲波采集裝置，實現在網絡上虛擬出一個專用于研究超聲波三維聲場成像的實驗室。本發明特別適用于關于超聲波在流體介質中傳播規則的實驗室，為相關課題的研究者提供遠程的實驗平臺和數據分享中心。
文檔編號G01H17/00GK102865919SQ20121033202
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者李響, 朱昌平, 謝祖鋒, 單鳴雷, 韓慶邦, 高遠 申請人:河海大學常州校區