CN118031866A - 柔性超声传感接收装置和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性超声传感接收装置和***，涉及传感器的技术领域，该装置包括：微控制器、开关控制模块和多个传感匹配电路；每个传感匹配电路包括：传感阵元、匹配电阻、压控电阻和初始化开关，每个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块的电路连接方式相同，并且，所有传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器。当需要多个传感器同时工作时只需布置一个柔性超声阵列传感器即可，简单又快捷；微控制器根据其第一反馈端的电压值和电源电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整压控电阻的阻值，使得第一反馈端的电压值的二倍与电源电压值之间的差值小于预设阈值。通过自动阻抗匹配使得传感器达到灵敏度最佳状态，有效地提升超声信号检测效率。

Description

柔性超声传感接收装置和***

技术领域

本发明涉及传感器的技术领域，尤其是涉及一种柔性超声传感接收装置和***。

背景技术

应变传感器在超声无损检测领域发挥着极其重要的作用。传统的金属或半导体应变传感器因其广泛应用而为人熟知，但贴附在复杂表面结构时存在固有的硬度和脆性限制。为解决这一问题，科研工作者近来研发出一种基于复合材料的高灵敏度柔性电阻应变传感器，它可灵活贴附于复杂表面或嵌入结构内部，以探测其内部损伤。然而，当多个传感器同时工作时，需逐个布置在被测结构表面或内部。并且，传感阵元在与结构表面契合时会产生弯曲，从而改变其电阻，为保证灵敏度最佳，往往需要人工逐个调节传感器匹配电阻的大小与阵元阻值相等，这显著降低了检测效率。

综上所述，现有技术中的柔性超声传感接收装置在使用过程中存在超声信号检测效率较低的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性超声传感接收装置和***，以缓解在使用现有柔性超声传感接收装置的过程中存在的超声信号检测效率较低的技术问题。

第一方面，本发明提供一种柔性超声传感接收装置，包括：微控制器、开关控制模块和多个传感匹配电路；每个所述传感匹配电路包括：传感阵元、匹配电阻、压控电阻和初始化开关；每个所述传感匹配电路与所述微控制器和所述开关控制模块的电路连接方式相同；所有所述传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器；所述微控制器的驱动端与所述开关控制模块的受控端相连接，所述开关控制模块的第一控制端与所述初始化开关的受控端相连接；所述传感阵元的第一端与电源相连接，所述传感阵元的第二端分别与所述匹配电阻的第一端、所述初始化开关的第一端和外部信号解析装置的信号接收端相连接；所述匹配电阻的第二端与所述压控电阻的第一端相连接，所述压控电阻的第二端与接地端相连接；所述初始化开关的第二端与所述微控制器的第一反馈端相连接，所述微控制器的第一控制端与所述压控电阻的受控端相连接；在将所述柔性超声阵列传感器铺设于待检测区域之后，所述微控制器通过所述开关控制模块控制所述初始化开关闭合，所述微控制器根据所述第一反馈端的电压值和所述电源的电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整所述压控电阻的阻值，在确定所述第一反馈端的电压值的二倍与所述电源的电压值之间的差值小于预设阈值的情况下，所述微控制器通过所述开关控制模块控制所述初始化开关断开。

在可选的实施方式中，所述传感匹配电路还包括：第一开关；所述第一开关的第一端与所述电源相连接，所述第一开关的第二端与所述传感阵元的第一端相连接；所述第一开关的受控端与所述开关控制模块的第二控制端相连接。

在可选的实施方式中，所述传感匹配电路还包括：第二开关和第三开关；所述柔性超声传感接收装置还包括：多个第四开关和多个第五开关，所述第四开关和所述第五开关的数量相等，且等于所述传感匹配电路的数量减一；所述第二开关的第一端与所述传感阵元的第二端相连接，所述第二开关的第二端与所述匹配电阻的第一端相连接；所述第三开关的第一端与所述匹配电阻的第二端相连接，所述第三开关的第二端与所述压控电阻的第一端相连接；相邻传感匹配电路之间设置所述第四开关和所述第五开关，所述第四开关的第一端与第一传感匹配电路中传感阵元的第二端相连接，所述第四开关的第二端与第二传感匹配电路中传感阵元的第一端相连接；所述第一传感匹配电路与所述第二传感匹配电路为相邻传感匹配电路；所述第五开关的第一端与所述第一传感匹配电路中匹配电阻的第一端相连接，所述第五开关的第二端与所述第二传感匹配电路中匹配电阻的第二端相连接；所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的通断均受控于所述开关控制模块。

在可选的实施方式中，所述柔性超声传感接收装置的工作模式至少包括：常规相控阵模式、等效阵元相控阵模式和单通道模式。

在可选的实施方式中，在确定所述第一反馈端的电压值的二倍小于所述电源的电压值的情况下，所述微控制器向上调节自身第一控制端的电压值，以使所述压控电阻的阻值增大；在确定所述第一反馈端的电压值的二倍大于所述电源的电压值的情况下，所述微控制器向下调节自身第一控制端的电压值，以使所述压控电阻的阻值减小。

在可选的实施方式中，所述柔性超声阵列传感器中包括至少一个传感阵元层，相邻传感阵元层之间铺设柔性绝缘层，每个所述传感阵元层包括多个传感阵元，且每个所述传感阵元层中所有传感阵元的尺寸相同，相邻传感阵元之间的间距相同。

在可选的实施方式中，所述柔性超声阵列传感器还包括：声匹配层，柔性绝缘层，柔性导线和声阻尼层；所述声匹配层用于承载所述传感阵元；在承载有所述传感阵元的声匹配层上覆盖所述柔性绝缘层，且为所述传感阵元的两端预留直径与所述传感阵元的宽度相等的通孔；每个所述传感阵元的两端连接柔性导线，且所述柔性导线位于所述柔性绝缘层上，并将所有柔性导线的接头汇聚至所述柔性超声阵列传感器的外置接头上；在所述柔性绝缘层上覆盖所述声阻尼层。

在可选的实施方式中，所述传感阵元是通过喷涂的方式附着于所述声匹配层上。

在可选的实施方式中，所述柔性绝缘层的材质为聚乙烯醇PVA。

第二方面，本发明提供一种柔性超声传感接收***，所述柔性超声传感接收***包括前述实施方式中任一项所述的柔性超声传感接收装置，还包括：信号解析装置；所述信号解析装置与所述柔性超声传感接收装置相连接，用于接收并解析所述柔性超声传感接收装置的输出信号。

本发明提供了一种柔性超声传感接收装置，该装置包括：微控制器、开关控制模块和多个传感匹配电路；每个传感匹配电路包括：传感阵元、匹配电阻、压控电阻和初始化开关，每个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块的电路连接方式相同，并且，所有传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器。因此，当需要多个传感器同时工作时，只需要使用一个柔性超声阵列传感器扫查待检测区域，简单又快捷，并且，微控制器能够根据其第一反馈端的电压值和电源电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整压控电阻的阻值，使得第一反馈端的电压值的二倍与电源电压值之间的差值小于预设阈值。也即，该装置可以通过电压反馈完成自动阻抗匹配，使得柔性超声阵列传感器达到灵敏度最佳状态，与现有技术相比，本发明提供的装置能够有效地提升超声信号检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种柔性超声传感接收装置的电路原理图；

图2为本发明实施例提供的一种传感匹配电路中电阻分压等效电路图；

图3为本发明实施例提供的一种微控制器调节压控电阻的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可选地柔性超声传感接收装置的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的另一种柔性超声传感接收装置的电路原理图；

图6为本发明实施例提供的等效阵元模式的一种可选电路示意图；

图7为本发明实施例提供的单通道模式的一种可选电路示意图；

图8（a）为传感阵元制备模具的示意图；

图8（b）为传感阵元制备模具覆盖声匹配层的示意图；

图9（a）为附着有阵元的稳定声匹配层的制备过程示意图；

图9（b）为成型后的阵元示意图；

图10（a）为绝缘层成型结果主视图；

图10（b）为绝缘层成型结果俯视图；

图11为布置柔性导线后的示意图；

图12（a）为制备完成的只设置一个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的主视图；

图12（b）为制备完成的只设置一个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的俯视图；

图13为柔性超声阵列传感器的接口示意图；

图14为所有匹配电阻的接口示意图；

图15为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的主视图；

图16为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的在X方向的侧视图；

图17为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的在Y方向的侧视图；

图18为设置三个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的简化示意图。

图标：100-微控制器；200-开关控制模块；300-传感匹配电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种柔性超声传感接收装置的电路原理图，如图1所示，该装置包括：微控制器100、开关控制模块200和多个传感匹配电路300；每个传感匹配电路包括：传感阵元Rs、匹配电阻Rx、压控电阻Rv和初始化开关SWo。

每个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块的电路连接方式相同；所有传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器。

微控制器的驱动端与开关控制模块的受控端相连接，开关控制模块的第一控制端与初始化开关的受控端相连接。

传感阵元的第一端与电源相连接，传感阵元的第二端分别与匹配电阻的第一端、初始化开关的第一端和外部信号解析装置的信号接收端相连接。

匹配电阻的第二端与压控电阻的第一端相连接，压控电阻的第二端与接地端相连接。

初始化开关的第二端与微控制器的第一反馈端相连接，微控制器的第一控制端与压控电阻的受控端相连接。

在将柔性超声阵列传感器铺设于待检测区域之后，微控制器通过开关控制模块控制初始化开关闭合，微控制器根据第一反馈端的电压值和电源的电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整压控电阻的阻值，在确定第一反馈端的电压值的二倍与电源的电压值之间的差值小于预设阈值的情况下，微控制器通过开关控制模块控制初始化开关断开。

已知传感阵元在未接收信号时具有静态阻值，因此，基于上文中所介绍的柔性超声传感接收装置的电路结构可知，本发明实施例是利用传感阵元、匹配电阻和压控电阻分压的方式将传感阵元因形变导致的阻值变化转换为变化的电压信号输出。

图2为本发明实施例提供的一种传感匹配电路中电阻分压等效电路图，由图2可知，，其中，/>表示等效电阻，也即，匹配电阻/>和压控电阻/>的和，/>表示传感阵元Rs的阻值，/>表示传感阵元第二端的输出电压，也即，传感阵元的输出信号。该电路结构的灵敏度定义为由传感阵元Rs的阻值变化引起的电压输出Vo的变化量与传感阵元Rs的阻值变化量之比。推导该电路的灵敏度关于等效电阻Re的变化率：/>，。由此可知，当/>时，柔性超声阵列传感器的灵敏度达到最佳。

当柔性超声阵列传感器铺设于待检测区域时，柔性超声阵列传感器上的传感阵元可能会发生形变，进而使得传感阵元的阻值发生变化，传感阵元的阻值发生变化会降低传感器（或称，探头）的灵敏度，因此，在开始测试之前需要对其进行初始化。微控制器通过其驱动端向开关控制模块发送控制信号，以使开关控制模块控制初始化开关闭合。如果有N个传感匹配电路，那么微控制器可以控制N个初始化开关同时闭合，此时N个传感匹配电路同时自动进行初始化，使得传感器的初始化时间更短，且操作更便捷，从而提升了检测效率。下面以其中一路传感匹配电路为例，对初始化的过程进行详细说明。

具体的，当初始化开关闭合时，微控制器即可通过其第一反馈端接收到Vo的电压值，如果第一反馈端的电压值的二倍与电源的电压值之间的差值不小于预设阈值，则说明传感阵元的阻值与等效电阻不能近似相等，那么微控制器将通过调节第一控制端的输出电压的方式来调节压控电阻的阻值，以使，此时，第一反馈端的电压值的二倍与电源的电压值之间的差值小于预设阈值。当第一反馈端的电压值的二倍与电源的电压值之间的差值小于预设阈值时，确定传感器的灵敏度已经达到最佳状态，无需再调节压控电阻的阻值，则断开初始化开关，完成传感器的初始化，可以开始进行超声信号检测。本发明实施例不对压控电阻的实现方式进行具体限定，用户可以根据实际需求进行选择，例如可以用场效应管来实现。

为了便于理解，图1中仅示出了一个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块之间的电路连接关系，柔性超声传感接收装置中包括多个传感匹配电路，且每个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块之间的电路连接关系完全一致，假设柔性超声阵列传感器中包括64个传感阵元，那么柔性超声阵列传感器具有64个输出通道，每个输出通道的输出信号即为传感阵元第二端的电压。

本发明提供了一种柔性超声传感接收装置，该装置包括：微控制器、开关控制模块和多个传感匹配电路；每个传感匹配电路包括：传感阵元、匹配电阻、压控电阻和初始化开关，每个传感匹配电路与微控制器和开关控制模块的电路连接方式相同，并且，所有传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器。因此，当需要多个传感器同时工作时，只需要使用一个柔性超声阵列传感器扫查待检测区域，简单又快捷，并且，微控制器能够根据其第一反馈端的电压值和电源电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整压控电阻的阻值，使得第一反馈端的电压值的二倍与电源电压值之间的差值小于预设阈值。也即，该装置可以通过电压反馈完成自动阻抗匹配，使得柔性超声阵列传感器达到灵敏度最佳状态，与现有技术相比，本发明提供的装置能够有效地提升超声信号检测效率。

在一个可选的实施方式中，在确定第一反馈端的电压值的二倍小于电源的电压值的情况下，微控制器向上调节自身第一控制端的电压值，以使压控电阻的阻值增大。

在确定第一反馈端的电压值的二倍大于电源的电压值的情况下，微控制器向下调节自身第一控制端的电压值，以使压控电阻的阻值减小。

具体的，图3为本发明实施例提供的一种微控制器调节压控电阻的原理示意图，以其中一个传感阵元所在电路为例，如图3所示，投入使用前需要初始化探头，即将探头在被测位置处放置好后闭合初始化开关，通过获取Vo来调节压控电阻，使Vo的静态输出约等于Vcc/2，其中参数A表示预设阈值，参数A的大小代表一个可以预设可接受的误差。

当Vcc/2>Vo时，也即，第一反馈端的电压值的2倍小于电源的电压值，此时微控制器向上调节自身第一控制端的电压值Vomcu，以增大压控电阻Rv；当Vcc/2＜Vo时，也即，第一反馈端的电压值的二倍大于电源的电压值，此时微控制器向下调节自身第一控制端的电压值Vomcu，以减小压控电阻Rv。

在一个可选的实施方式中，传感匹配电路还包括：第一开关SW1。

第一开关的第一端与电源相连接，第一开关的第二端与传感阵元的第一端相连接；第一开关的受控端与开关控制模块的第二控制端相连接。

具体的，传感器内部可以根据实际需求设置足够多的传感阵元以兼容多种检测场景，但是，当待检测区域较小时，少量传感阵元的输出即可实现检测需求，因此，在每个传感阵元与电源之间设置第一开关，且第一开关受控于开关控制模块，当只需要部分传感阵元工作时，微控制器通过开关控制模块控制相应的第一开关闭合，以使与其串联的传感阵元工作，同时控制剩余传感阵元所在电路的第一开关断开即可。

现有技术中的传感器通常是一次性使用且尺寸与响应灵敏度固定，这限制了它们在不同应用场景中的适用性。它们的运行模式较为单一，难以重复利用。为了解决上述问题，在一个可选的实施方式中，传感匹配电路还包括：第二开关SW2和第三开关SW3；柔性超声传感接收装置还包括：多个第四开关SW4和多个第五开关SW5，第四开关和第五开关的数量相等，且等于传感匹配电路的数量减一。也就是说，如果传感匹配电路的数量为N，那么第四开关和第五开关的数量均为N-1。

第二开关的第一端与传感阵元的第二端相连接，第二开关的第二端与匹配电阻的第一端相连接。

第三开关的第一端与匹配电阻的第二端相连接，第三开关的第二端与压控电阻的第一端相连接。

相邻传感匹配电路之间设置第四开关和第五开关，第四开关的第一端与第一传感匹配电路中传感阵元的第二端相连接，第四开关的第二端与第二传感匹配电路中传感阵元的第一端相连接；第一传感匹配电路与第二传感匹配电路为相邻传感匹配电路。

第五开关的第一端与第一传感匹配电路中匹配电阻的第一端相连接，第五开关的第二端与第二传感匹配电路中匹配电阻的第二端相连接。

第二开关、第三开关、第四开关和第五开关的通断均受控于开关控制模块。

图4为本发明实施例提供的一种可选地柔性超声传感接收装置的电路原理图，图4中未示出各个传感匹配电路中的初始化开关及开关控制模块，根据图4可知，本发明实施例在电源与传感阵元之间串接第一开关，在传感阵元与匹配电阻之间串接第二开关，在匹配电阻与压控电阻之间串接第三开关，并且，传感阵元之间首尾串接第四开关，匹配电阻之间首尾串接第五开关，且上述开关均受控于开关控制模块。基于以上原理设计，可参考图5的示意图，图5为本发明实施例提供的另一种柔性超声传感接收装置的电路原理图，通过调节部分开关的通断，即可使得柔性超声传感接收装置工作在不同的模式下。

在本发明实施例中，柔性超声传感接收装置的工作模式至少包括：常规相控阵模式、等效阵元相控阵模式和单通道模式。

其中，常规相控阵模式是指所有传感阵元相互独立，该模式下的开关的通断状态可参考上述图4，如果传感器中设置N个传感阵元，那么整个探头相当于N个传感阵元的传感阵列，本发明实施例中，柔性超声阵列传感器中包括至少一个传感阵元层，相邻传感阵元层之间铺设柔性绝缘层，每个传感阵元层包括多个传感阵元，且每个传感阵元层中所有传感阵元的尺寸相同，相邻传感阵元之间的间距相同。基于以上限制条件制备的柔性超声阵列传感器能够保证各种工作模式下的成像效果。常规相控阵模式可拓展成像区域。常规相控阵模式下，柔性超声传感接收装置具有独立的N个输出Vo_n，n＝1，2，3...N。

在精度允许的情况下，可以通过降低精度来提升传感器的灵敏度。等效阵元相控阵模式适用于上述应用场景，通过闭合或断开对应的开关，将同一传感阵元层中每x个（x≥2）邻近的传感阵元串联等效为一个新的阵元，每x个邻近且对应的匹配电阻串联等效为一个新的匹配电阻，即可把N阵元相控阵转化为N/x阵元相控阵。

图6为等效阵元模式的一种可选电路示意图，通过闭合或断开对应的开关，将同一传感阵元层中每2个邻近的传感阵元串联等效为一个新的阵元，每2个邻近且对应的匹配电阻串联等效为一个新的匹配电阻，若N为偶数，那么通过图6的电路连接方式，即可把N阵元相控阵转化为N/2阵元相控阵。图6所示的等效阵元相控阵模式下，柔性超声传感接收装置具有N/2个输出，分别为Vo₂，Vo₄，…，Vo_N/2。

上文中所介绍的等效阵元相控阵模式的电路连接方式中，同一传感阵元层中所有等效阵元的尺寸相同，且相邻等效阵元之间的间距也相同，因此，能够确保最终的成像效果。但实际应用过程中，用户也可以根据实际需求，将相邻不同数量的传感阵元串接，也即，电路中的等效阵元可以并不完全由相同数量的传感阵元串接后得到的，例如，可以依次串接2个传感阵元，4个传感阵元，5个传感阵元等。

单通道模式是指所有传感阵元层仅有一个输出，也即，探头相当于单个应变传感器，单通道模式可以显著增强传感器的灵敏度，故可应用于检测能量较弱的声波，但是会在一定程度上造成精度损失。单通道模式还可应用于测量宏观应变，如脉搏，心跳等。图7为本发明实施例提供的单通道模式的一种可选电路示意图，通过串联某一传感阵元层内所需区域的传感阵元与相应的匹配电阻，初始化压控电阻的阻值达到最佳后，即可初步实现单阵元测量。该模式仅有一个输出，输出电压位置取决于等效单阵元的选取方式，图7中实例的输出电压为Vo₄₀。

在一个可选的实施方式中，柔性超声阵列传感器还包括：声匹配层，柔性绝缘层，柔性导线和声阻尼层。

声匹配层用于承载传感阵元。

在承载有传感阵元的声匹配层上覆盖柔性绝缘层，且为传感阵元的两端预留直径与传感阵元的宽度相等的通孔。

每个传感阵元的两端连接柔性导线，且柔性导线位于柔性绝缘层上，并将所有柔性导线的接头汇聚至柔性超声阵列传感器的外置接头上。

在柔性绝缘层上覆盖声阻尼层。

其中，传感阵元是通过喷涂的方式附着于声匹配层上，柔性绝缘层的材质为聚乙烯醇PVA。

具体的，本发明实施例提供的柔性超声传感接收装置中使用具备高度柔性特性的超声阵列传感器，该传感器包括声匹配层、柔性绝缘层和声阻尼层，以及层间排列的多个传感阵元和柔性导线。

声匹配层：为了提升声波传导性能，本发明实施例采用聚酰亚胺薄膜（PI膜）作为声匹配层的主要材料，该层不仅承载传感阵元，还能有效接收声波信号。

传感阵元：在声匹配层上布置N个传感阵元，每个阵元由柔性聚合物基体（例如，聚乙烯吡咯烷酮（PVP））和纳米导电颗粒（例如，石墨烯（Graphene））构成。阵元的尺寸可以根据测量目标中的声波波长进行调整，以确保传感器在不同模式下的良好性能。

柔性绝缘层：本发明实施例中引入柔性绝缘层，其主要作用在于保护和隔离传感阵元。以每个传感阵元层设置64个传感阵元为例，绝缘层内部设置128个通孔，通过这些通孔为阵元的两极布置导线，以完成传感器的电气连接。

如果柔性超声阵列传感器中设置多个传感阵元层，那么相邻传感阵元层之间所铺设的柔性绝缘层则采用上一自然段中相同的方式进行处理，即为其所覆盖的传感阵元层设置相应数量的通孔以及布置导线。

柔性导线：在柔性绝缘层设置了128个通孔，分布在64个阵元的两侧，用于连接柔性导线到阵元两端。采用印刷技术在绝缘层表面铺设柔性导线，并通过电缆线引出至接线口，以实现可靠的电气连接。

声阻尼层：采用橡胶作为声阻尼层的材料，旨在吸收声波并减少回波对信号的干扰。此层还具备保护功能，有效减轻因摩擦损伤而对探头使用寿命造成的影响。如果柔性超声阵列传感器中设置多个传感阵元层，则只在最后一个柔性绝缘层上覆盖声阻尼层。

下面对柔性超声阵列传感器的制备流程进行介绍，图8（a）为传感阵元制备模具的示意图，图8（b）为传感阵元制备模具覆盖声匹配层的示意图，首先将厚度为0.02mm的聚酰亚胺（PI）薄膜切割成长60mm、宽20mm的矩形基底，用作声匹配层。确保其紧密贴合在加热台上，控制加热台温度为80℃，使用相应模具覆盖声匹配层，以辅助阵元的成型。

接下来，将模具覆盖在声匹配层上，调整喷枪角度，选择加入Graphene与PVP的无水乙醇油墨进行喷涂。喷涂完成后，剥除模具，将制作好的结构放进真空箱中进行24小时的干燥，以得到附着有阵元的稳定声匹配层，制备过程如图9（a）所示，图9（b）为成型后的阵元示意图。

进一步的，将附着有阵元的下层外壳再次放置在加热台上，使用均匀喷涂PVA-无水乙醇油墨的方法，使中层均匀覆盖0.5mm厚的PVA，在每个阵元两端留下直径与阵元宽度相等的通孔。图10（a）为绝缘层成型结果主视图，图10（b）为绝缘层成型结果俯视图。

然后，再利用3D打印技术将导线打印在绝缘层上，从每个阵元的两端引出，导线汇聚在探头右侧，并连接至转接头，图11为布置柔性导线后的示意图。

如果柔性超声阵列传感器只设置一个传感阵元层，则直接在布置柔性导线后的柔性绝缘层的上层覆盖由橡胶构成的声阻尼层即可；如果柔性超声阵列传感器需要设置多个传感阵元层，则在柔性绝缘层上方铺设一排与下层阵元呈预设夹角（例如，夹角90度）的新阵元，然后再在新阵元层上方布置柔性绝缘层，以此类推，得到所需数量的传感阵元层之后，再在覆盖最后一个传感阵元层的柔性绝缘层的上层覆盖由橡胶构成的声阻尼层，以减小回波对信号的影响，最终得到制备完成的柔性超声传感器部分，图12（a）为制备完成的只设置一个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的主视图，图12（b）为制备完成的只设置一个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的俯视图。

图13为柔性超声阵列传感器的接口示意图，图14为所有匹配电阻的接口示意图，根据上文中的描述可知，第n个阵元的A接头和电源Vcc之间存在第一开关；第n个阵元的B接头和匹配电阻的C接头之间存在第二开关；匹配电阻n的D接头和压控电阻之间存在第三开关。

在单个方向铺设阵元的探头（也即，只设置一个传感阵元层的探头）由于其角度限制，仅在垂直于阵元方向的平面上具有良好的成像效果，而正交的阵元排布可以在原有的基础上获得与原有平面方向正交的声场信息。图15为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的主视图，如图15所示，通过在原有的阵元上方铺设一层薄的绝缘层，之后在绝缘层上方铺设一排正交于下层阵元的新阵元，设置互相垂直的两个传感阵元层的探头可以增加数据采集的角度。图16为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的在X方向的侧视图，图17为设置互相垂直的两个传感阵元层的柔性超声阵列传感器的在Y方向的侧视图。

除了上文中所介绍的可选实施方案外，用户还可以通过优化传感阵元尺寸和/或铺设方式，从多个角度采集被测试样的超声信息，从而提升成像的精度。如图18所示，可以铺设等间隔，方向与x轴分别呈60°、-60°、180°夹角的上、中、下共三层阵元，图18中用直线简化代替传感阵元。

综上所述，相比于独立工作的传感器，本发明提供的传感器在使用过程更为灵活，确保了传感器即使在垂直阵元方向出现大的弯曲形变时，也不容易破裂或损坏，这不仅延长了传感器的使用寿命，还增强了其工作的稳定性。并且，柔性超声传感接收装置能够在多样化的检测场景中，通过反馈调节方式来匹配合适的电阻值，这在多阵元同时运行时能显著提高检测效率，其至少三种运行模式能够支持灵活调整探头的工作状态，从而在灵敏度和精度之间实现平衡，满足用户的多种检测需求。

实施例二

本发明实施例还提供了一种柔性超声传感接收***，该柔性超声传感接收***包括上述实施例一所提供的柔性超声传感接收装置，还包括：信号解析装置。

信号解析装置与柔性超声传感接收装置相连接，用于接收并解析柔性超声传感接收装置的输出信号。本发明实施例未对信号解析装置进行改进，其相关结构可参考现有的设备。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种柔性超声传感接收装置，其特征在于，包括：微控制器、开关控制模块和多个传感匹配电路；每个所述传感匹配电路包括：传感阵元、匹配电阻、压控电阻和初始化开关；

每个所述传感匹配电路与所述微控制器和所述开关控制模块的电路连接方式相同；所有所述传感阵元构成一个柔性超声阵列传感器；

所述微控制器的驱动端与所述开关控制模块的受控端相连接，所述开关控制模块的第一控制端与所述初始化开关的受控端相连接；

所述传感阵元的第一端与电源相连接，所述传感阵元的第二端分别与所述匹配电阻的第一端、所述初始化开关的第一端和外部信号解析装置的信号接收端相连接；

所述匹配电阻的第二端与所述压控电阻的第一端相连接，所述压控电阻的第二端与接地端相连接；

所述初始化开关的第二端与所述微控制器的第一反馈端相连接，所述微控制器的第一控制端与所述压控电阻的受控端相连接；

在将所述柔性超声阵列传感器铺设于待检测区域之后，所述微控制器通过所述开关控制模块控制所述初始化开关闭合，所述微控制器根据所述第一反馈端的电压值和所述电源的电压值调节自身第一控制端的输出电压，以调整所述压控电阻的阻值，在确定所述第一反馈端的电压值的二倍与所述电源的电压值之间的差值小于预设阈值的情况下，所述微控制器通过所述开关控制模块控制所述初始化开关断开。

2.根据权利要求1所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述传感匹配电路还包括：第一开关；

所述第一开关的第一端与所述电源相连接，所述第一开关的第二端与所述传感阵元的第一端相连接；所述第一开关的受控端与所述开关控制模块的第二控制端相连接。

3.根据权利要求2所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述传感匹配电路还包括：第二开关和第三开关；所述柔性超声传感接收装置还包括：多个第四开关和多个第五开关，所述第四开关和所述第五开关的数量相等，且等于所述传感匹配电路的数量减一；

所述第二开关的第一端与所述传感阵元的第二端相连接，所述第二开关的第二端与所述匹配电阻的第一端相连接；

所述第三开关的第一端与所述匹配电阻的第二端相连接，所述第三开关的第二端与所述压控电阻的第一端相连接；

相邻传感匹配电路之间设置所述第四开关和所述第五开关，所述第四开关的第一端与第一传感匹配电路中传感阵元的第二端相连接，所述第四开关的第二端与第二传感匹配电路中传感阵元的第一端相连接；所述第一传感匹配电路与所述第二传感匹配电路为相邻传感匹配电路；

所述第五开关的第一端与所述第一传感匹配电路中匹配电阻的第一端相连接，所述第五开关的第二端与所述第二传感匹配电路中匹配电阻的第二端相连接；

所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的通断均受控于所述开关控制模块。

4.根据权利要求3所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述柔性超声传感接收装置的工作模式至少包括：常规相控阵模式、等效阵元相控阵模式和单通道模式。

5.根据权利要求1所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，

在确定所述第一反馈端的电压值的二倍小于所述电源的电压值的情况下，所述微控制器向上调节自身第一控制端的电压值，以使所述压控电阻的阻值增大；

在确定所述第一反馈端的电压值的二倍大于所述电源的电压值的情况下，所述微控制器向下调节自身第一控制端的电压值，以使所述压控电阻的阻值减小。

6.根据权利要求1所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述柔性超声阵列传感器中包括至少一个传感阵元层，相邻传感阵元层之间铺设柔性绝缘层，每个所述传感阵元层包括多个传感阵元，且每个所述传感阵元层中所有传感阵元的尺寸相同，相邻传感阵元之间的间距相同。

7.根据权利要求1所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述柔性超声阵列传感器还包括：声匹配层，柔性绝缘层，柔性导线和声阻尼层；

所述声匹配层用于承载所述传感阵元；

在承载有所述传感阵元的声匹配层上覆盖所述柔性绝缘层，且为所述传感阵元的两端预留直径与所述传感阵元的宽度相等的通孔；

每个所述传感阵元的两端连接柔性导线，且所述柔性导线位于所述柔性绝缘层上，并将所有柔性导线的接头汇聚至所述柔性超声阵列传感器的外置接头上；

在所述柔性绝缘层上覆盖所述声阻尼层。

8.根据权利要求7所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述传感阵元是通过喷涂的方式附着于所述声匹配层上。

9.根据权利要求7所述的柔性超声传感接收装置，其特征在于，所述柔性绝缘层的材质为聚乙烯醇PVA。

10.一种柔性超声传感接收***，其特征在于，所述柔性超声传感接收***包括权利要求1-9中任一项所述的柔性超声传感接收装置，还包括：信号解析装置；

所述信号解析装置与所述柔性超声传感接收装置相连接，用于接收并解析所述柔性超声传感接收装置的输出信号。