超声功率计量器具检定系统表实验报告(支撑材料)

1、超声功率计量器具检定系统表实验报告及支撑材料检定系统表起草组2019-9-131超声功率计量器具检定系统表的修订支撑材料一、毫瓦级、瓦级超声功率基准与副基准频率范围修订支撑材料修订内容：将 JJG 2050-1990中规定 (0.5 10) MHz 修改为 (0.5 25) MHz。依据：在 2010 年，BIPM/CIPM 组织的超声功率国际关键比对 （CCAUV .U-K3 ）中，参加国家（计量院）包括德国（PTB）、中国（ NIM ）、英国（ NPL）、日本（ NMIJ ）、印度（ NPLI）、土耳其（UME ）、意大利（INRIM ）、俄罗斯（VNIIFTRI ）、韩国（KRISS）、

2、巴西（INMETRO ）、澳大利亚（NMIA ），比对的频率范围如下：在 2014 年，超声功率国际关键比对 -补充比对（ CCAUV .U-K3.1）中，参加国家（计量院）包括德国（PTB）、日本（NMIJ ）、印度（ NPLI）、意大利（INRIM ）、韩国（ KRISS）、新加坡（ CMC A*star ）、巴西（ INMETRO ），比对的频率范围如下：在 2018 年，亚太区域组织的超声功率国际关键比对 （）中，参加国家（计量院）包括韩国（KRISS）、中国（ NIM ）、德国（PTB）、日本（ NMIJ ）、2印度泰国（ NIMT ），比对的频率范围如下：由此可见，历年来国际范围的

3、超声功率比对频率范围一般都超出10 MHz ，且瓦级超声功率比对一般在 （13） MHz 内进行。 IEC 61161 Ultrasonics Power measurementRadiation force balances and performance requirements规定：因此，国际标准范围内将毫瓦级超声功率的频率范围限定在（0.525）MHz ，将瓦级超声功率的频率范围限定在（ 0.755）MHz 。为和国际比对及国际标准保持一致，并考虑到目前国家已建立的毫瓦级、 瓦级超声功率基准与副基准实际使用情况。进行了如下使用范围的规定：(1).毫瓦级超声功率基准与副基准（辐射力天平法

4、）：频率范围（ 0.525） MHz ，功率范围（ 1500）mW ，不确定度 5%（ k=2）；(2).瓦级超声功率基准与副基准（辐射力天平法）：频率范围（ 0.755）MHz ，功率范围 500 mW20 W，不确定度 5%（ k=2）；其中功率范围和不确定度水平未作修改，并和CMC 能力保持一致。二、新增基于量热法的瓦级超声功率基准/标准方法的支撑材料现行的超声功率计量器具检定系统表JJG 2050-1990，至今已有近 30 年历史。针对的方法只限于辐射力天平法，超声功率范围的上限仅为20 瓦，频率范围仅限于 10 MHz 以下。但随着超声波技术在医学领域的应用发展，越来越多的超声3波

5、技术被用于医用临床诊断、理疗与治疗，对超声功率测量提出了更多的挑战，主要表现在：频率范围更宽、功率范围更大、声场形态更加多样。目前我国较大量使用的超声碎石仪、高强度聚焦超声手术机等超声治疗设备的输出超声功率，已经超过 100 瓦甚至几百瓦，远超出目前超声功率检定系统表中规定的功率上限。为了更好的开展医用超声设备的质控，保障安全诊断与精准治疗， 有必要提高超声功率的上限，以满足理疗和治疗超声功率量值溯源需求。 IEC 62555 Ultrasonics Power measurementHigh intensity therapeutic ultrasound (HITU) transducer

6、s and systems规定：其中治疗超声的频率范围为（0.55） MHz ，并将声功率范围提升到了500W 。在 2010 年，欧盟计量规划组织 （EUROMET ）范围内组织了高强度治疗超声功率的研究性比对，参加国家（计量院）包括德国（PTB）、意大利（ INRIM ）、土耳其（ UME ）和英国（ NPL），比对频率为 1.1 MHz 、1.5 MHz 和 3.3 MHz ，功率范围为（ 5150）W 。文献可参见： K.V. Jenderka, G. Durando, B Karaboce, S Rajagopal and A Shaw, Inter-laboratory compa

7、rison of HITU power measurement methods and capabilities, Advanced Metrology for Ultrasound in Medicine (AMUM 2010), Journal of Physics: Conference series 279 (2010) 012015.42019 年，亚太计量规划组织（ APMP）组织了高强度治疗超声功率的研究性比对，参加国家（计量院）包括中国（ NIM ）、日本（ NMIJ ）和韩国（ KRISS），比对频率和功率范围为：自 2010 年，英国国家物理实验室（ NPL）的 Adam

8、Shaw 研究了基于浮力量热法的 HITU 功率测量方法，并在国际计量期刊 Metrologia 发表：5其报道的浮力量热法功率范围为1 W350 W。文献可参见：(1). Adam Shaw, A buoyancy method for the measurement of total ultrasound power generated by HIFU transducers, Ultrasound in Medicine and Biology, 34(8):1327-1342, 2008.(2). Srinath Rajagopal, Adam Shaw, The buoyancy m

9、ethod - a potential new primary ultrasound power standard, Metrologia 49 (2012) 327-339.中国计量科学研究院也对基于浮力变化的量热法进行了研究，并验证了200W 范围内超声功率的有效性，并初步达到建立基准的能力，具体研究内容见附录 A。综合以上分析，因此，将基于浮力量热法的瓦级超声功率测量方法纳入了检定系统表中，以满足日益增长的理疗和治疗超声功率量值溯源需求。修订的检定系统表中的技术指标描述为：瓦级超声功率基准（浮力量热法） ：频率范围（ 0.755）MHz ，功率范围（ 20200）W ，不确定度 5%（k

10、=2）；6附录 A基于浮力量热法的瓦级超声功率测量方法本附录中，对于测量系统搭建主要包括盛有蓖麻油吸收靶的设计与加工，换能器激励信号所需仪器平台搭建， 以及电子天平数据采集和保存分析。 在系统设计和搭建中遵循设备功能满足实验要求，操作简单等原则。1. 蓖麻油吸收靶的设计和加工根据量热法测量原理，设计开口的有机玻璃圆桶， 其直径 300 mm，高 220 mm。圆桶壁内加入厚度为 0.125 mm 的 Mylar 膜，起到保温，防止热量损失的作用。为了让薄膜容易密封开口， 设计带有螺纹的有机玻璃圆环起到固定和压紧薄膜使吸收靶内蓖麻油不易流出。图 1吸收靶工装实物图2. 整体测量系统搭建将加工的蓖

11、麻油吸收靶利用连接装置悬挂到 Mettler-Toledo 电子天平上，该天平灵敏度为 1 mg，最大量程为 2300 mg。换能器激励信号由信号发生器 （ Agilent 33250A）与功率放大器（ AR 800A3 ）产生，并且利用 URE3 电压表检测功率放大器的输出电压。电子天平通过 RS232 串口线连接到上位机，经 VC+6.0 编写程序实现数据通讯。 为防止空气流动对连接装置的干扰，在连接装置周围固定有机玻璃板。整体测量系统搭建如图2 所示。7图 2 基于浮力量热法的测量装置3. 蓖麻油参数测量根据浮力量热法的声功率测量原理，蓖麻油的密度， 体积热容和体积膨胀系数需要计算或测量

12、。蓖麻油密度测量将实验中使用的蓖麻油测量其密度，测量结果如表1 所示，表 1不同温度下蓖麻油密度测量值样品测试温度密度值 1密度值 2密度值（）（ g/cm3）（g/cm3）（ g/cm3）180.9609800.9609810.960981190.9603000.9602970.960299蓖麻油200.9596070.9596180.959613210.9589310.9589340.958933220.9582480.9582510.958250因此，根据表 1 的数据，可以拟合得到任意温度下的蓖麻油密度值。其蓖麻油密度与温度拟合公式（1）所示：-0.0006828T +0.97327蓖

13、麻油体积膨胀系数拟合计算根据公式，蓖麻油的体积膨胀系数E（ T）推导如下：(1)E(T)1 dV(2)V dT其中，V 蓖麻油的体积，T 蓖麻油的温度。8由于质量，密度与体积的关系，则dVm(3)2 d由式（ 1）到式（ 3）得：E(T )1 m2d1 = 1 dT(4)VdTd根据式（ 4）可得，若知道蓖麻油密度随温度变化率和密度值可以得到蓖麻油在该温度下的体积膨胀系数E。表 2 不同温度下蓖麻油体积膨胀率拟合值温度拟合值密度体积膨胀率（）（ g/cm3）（1/）180.9609810.000710524190.9602980.000711029200.9596150.00071153721

14、0.9589320.000712041220.9582500.000712549因此，蓖麻油主要参量在不同温度下值如表3 所示：表 3 温度范围10 30时蓖麻油密度、体积膨胀系数、比热容值温度密度体积膨胀系数比热容水密度灵敏度 S1（）（ g/cm3）（ 1/）（ J/g/）（g/cm 3）（ mg/J）100.96640.00070652.0730.99970.3526150.96300.00070902.0880.99910.3523200.95960.00071162.1030.99820.3520250.95620.00071412.1190.99700.3514300.95280.

15、00071662.1340.99560.3509不确定度0.5%0.5%1.7%0.05%3.7%4. 研究过程4.1 浮力变化量热法的有效性验证针对频率为 0.99 MHz 的平面活塞换能器，利用辐射力天平法与浮力变化的量热法测量其超声功率。 其中，辐射力天平法采用美国Ohmico 公司的 UPM-DT-19功率计测量超声功率。测量结果见表4：表 4 平面活塞换能器辐射力天平法与浮力变化的量热法测量超声功率比较频率为 0.99 MHz 的平面换能器电压浮力法的量热法辐射力法（ V ）超声功率（ W ）超声功率（ W ）79.5510.105511.135990.1614.105713.994

16、91.9214.980214.877693.6915.450615.464895.4616.05316.155397.2316.424916.627798.9917.069916.9357100.7617.568217.6197102.5317.976518.2012104.318.974219.019106.0719.34519.6033107.8320.092920.0503根据测量结果，首先验证测量结果的稳定性和准确性。针对稳定性，由于同一换能器出厂后其辐射电导是一定值。因此，利用辐射电导检验测量结果的稳定性。针对准确性，将浮力变化的量热法测量的数据与辐射力天平法测量数据进行比较，如果两

17、者数据能够吻合， 那么可以验证方法的有效性，也即测量数据是准确的。辐射电导的公式为G=P/U2 ，其中 P 为超声功率， U 为激励电压有效值。 两种方法的换能器辐射电导如图3 所示：10-3辐射力天平法与浮力变化的量热法辐射电导比较x 10辐射力天平法2.6浮力变化的量热法2.42.2S 2/G 1.81.61.41.2185009000950010000105001100011500120008000U2 /V图 3 辐射力天平法与浮力变化的量热法辐射电导比较从图 3 中看出，两种方法计算的辐射电导有很好的吻合性，验证了浮力变化量热法的有效性；浮力变化量热法在不同电压值下计算的辐射电导几乎

18、成直线，验证了装置的稳定性。4.2 浮力变化的量热法测量超声大功率将利用测量系统测量聚焦换能器超声大功率。 首先，选择了两个聚焦换能器，其中直径为 57 mm 聚焦换能器命名为 1 号，其频率为 1.1 MHz ；直径为 90 mm 聚焦换能器命名为 2 号，其频率为 1.0 MHz 。然后，利用工装将聚焦换能器固定在蓖麻油吸收靶正上方 2 cm 的范围内。最后，根据计算机采集数据计算超声功率。根据浮力变化量热法原理和测量数据，首先给出在测量时间范围内， 天平示值变化图，如图4 所示：超声作用前后天平示值随时间变化g/值示488487.8487.6487.4487.2487平天486.8486

19、.6486.4486.24860102030405060708090100时间 /s图 4 超声波作用前后天平示值变化1 号聚焦换能器测量超声功率范围可以达到138 W，且 A 类相对标准不确定度小于 3%。其测量结果如表5 所示：11表 51 号聚焦换能器超声功率测量结果加载电压超声功率A 类相对（ Vpp ）（ W）不确定度（ %）6011.942.569022.922.469429.84.610836.712.4511839.184.7712050.171.6316597.521.77170102.252.8200138.111.072 号聚焦换能器测量超声功率范围可以达到200 W，且

20、 A 类相对不确定度小于 1%，其测量结果如表 6 所示：。表 6 2 号聚焦换能器超声功率测量结果加载电压超声功率A 类相对（ Vpp ）（ W）不确定度（ %）158.3137.1060.42161.3143.8060.66165.2148.9070.39171.2161.0380.36181.2180.7780.71185.2187.6010.61190.9200.2730.91193.4208.2630.49196.1211.8970.27（ 1） 1 号和 2 号聚焦换能器辐射电导分析对于浮力变化的量热法测量超声功率是否准确， 辐射电导是重要参量。 在不同电压下，若辐射电导变化很小，

21、 那么说明换能器超声功率测量比较稳定和准确。根据辐射电导定义，由超声功率和输入电压值计算不同电压下的辐射电导。12对于换能器已知，其辐射电导在不同电压下应该变化很小。1 号和 2 号聚焦换能器的辐射电导图如图 5 和图 6 所示。从图 5 中可以看出， 1 号换能器辐射电导基本成线性状， 说明对于 1 号换能器其测量结果的有效性。 从图 6 中可以看出， 在不同电压下， 2 号聚焦换能器的辐射电导稳定性更好，其最大偏差为1.2%。1号聚焦换能器浮力变化的量热法辐射电导0.080.070.060.05S/G0.040.030.020.010 500100015002000250030003500

22、400045005000U2 /V图 51 号聚焦换能器辐射电导2号聚焦换能器浮力变化的量热法辐射电导0.080.070.060.05S/G0.040.030.020.010300032003400360038004000420044004600480050002800U2 /V图 6 2 号聚焦换能器辐射电导（ 2） 测量系统测量范围分析在上述分析中，可以根据两个聚焦换能器测量的上限超声功率确定本系统测量范围。从图 7 中可以看出，在（ 10138）W 的范围内， 1 号换能器辐射电导几乎成水平状，因此在这段功率范围内系统测量是准确的；在（137210）W 的范围内，2 换能器辐射电导成水平

23、状， 因此在这段功率范围内系统测量也是准确的。因此，通过上述实验验证，本测量系统可以测量超声功率范围是（10210） W，在此超声功率范围可以满足HIFU 超声功率的测量。130.080.07超声功率（10210 ） W 范围内 1 和2号聚焦换能器辐射电导比较1 号聚焦换能器2 号聚焦换能器S/G0.060.050.040.030.020.0120406080100120140160180200220P /W图 72 号聚焦换能器辐射电导5. 电加热灵敏度本部分主要介绍电加热灵敏测量、计算及修正。如图 8 所示，是连续对蓖麻油加热前后天平示值随时间的变化曲线。 从图 8 中可以看出，在电阻丝

24、工作时间内，天平示值呈明显的下降趋势， 一旦电阻丝停止对蓖麻油加热， 天平示值下降趋势明显消失。电加热天平示数随时间变化g/342.8342.7342.6342.5数 342.4示平 342.3天342.2342.1342341.9050100150200250300350400时间 /t图 8 电加热前后天平示值变化电加热灵敏度 S 电表 7 不同电功率下灵敏度 S 电结果电阻丝灵敏度值 S 电电阻丝两端电组数两端电压功率（ W）（V ）(mg/J)0.35931 组2014.930.35500.34230.36352 组39.959.430.3561140.35390.35900.3572

25、1 组平均值0.3550A 类相对不确2.592 组平均值0.3565定度（ %）0.59电加热灵敏度 S 电 修正从图 9 中可以看出，在电阻丝两端没有加载电压时，天平示值增加，说明天平存在温漂，因此，本文中根据天平温漂斜率修正电加热灵敏度。此时，针对电功率为14.93 W 时，灵敏度数据进行修正，电加热灵敏度修正前后的结果如图 9 和图 10 所示。该组值修正后电加热灵敏度S 电值为 0.3587 mg/J，修正前的数值 为 0.3593 mg/J。电功率为 14.93W 时天平示值修正前的变化曲线530.65530.6g/值示 530.55平天530.5530.4501020304050

26、60时间 /s图 9 修正前天平示值变化电功率为 14.93W 时天平示值修正后的变化曲线530.65530.6g/值示 530.55平天530.5530.450102030405060时间 /s图 10 修正后天平示值变化15将表 7 的两组平均值平均后得到电加热灵敏度S 电 为 0.3558mg/J，而灵敏度S1 值为 0.3518mg/J，两者的相对误差为1.1%，说明两种测量灵敏度的方法吻合得较好。6. 不确定度分析：不确定度分析主要分为两部分进行。首先，采用计算灵敏度的公式时，对浮力变化的量热法进行不确定度分析。其次，采用电加热灵敏度时， 对其进行不确定度分析。从该两种分析可以看出，

27、 对电加热灵敏度不确定度分析表明了整个装置的不确定度。 因此，当采用灵敏度求解超声功率时，可以很容易得到超声换能器的不确定度，或者其稳定程度。不确定度分析的数学模型为：N( h )2 ujuc22(5)j 1xj其中， uc 是合成不确定度， h 是由 xj 影响因素组成的函数。（ 1） 2 号聚焦超声换能器不确定度分析表 8 浮力变化的量热法测量超声功率不确定度评定不确定度源不确定度灵敏度3.7%窗口损失0.3%超声传播损失0.2%热量损失0.1%水温变化0.1%内部组成部分的比热容0.1%未除气的水0.1%环境影响0.1%A 类不确定度0.91%合成不确定度3.84%（ 2）电加热灵敏度不确定度评定：在电加热灵敏度不确定评定时采用1 号聚焦超声换能器测量的数据，且以电功率为 50 W 时为例。由电加热灵敏度公式可知：16s电m(6)p电t根据式（ 6）可得，电加热灵敏度合成不确定度表达式为：us电2c m2 (u m(typeA)2u m( typeB) 2 )cp电2 (up电(typeA)2up电( typeB) 2 )222)2+ct(ut (typeA)ut ( typeB)us