定量超声法是近年发展起来的经济有效的骨密度测量新方法，与传统测量方法相比，定量超声法具有廉价、便携、无电离辐射、操作简单、精密度高等优势。目前国内使用的定量超声测量仪主要依赖进口，对定量超声测量仪的研究还处于萌芽阶段。超声波传感器是定量超声测量仪的关键部件，其性能和品质直接影响着整机性能。研制高性能的超声波传感器对开发整个定量超声测量系统具有极其重要的意义，其关键技术是找出主要部件设计参数和传感器性能之间的关系，以及合理设计传感器的收发电路。

 

超声波骨密度传感器结构示意图(见图1)，它是一种单晶片、非聚焦的收发两用直探头。

 

 

其中，超声换能器是探头的功能部件和重要组成部件，主要完成声能与电能之间的互相转换。换能器的主要构件包括压电元件、匹配层、背衬块和聚焦件。

压电元件作为超声换能器的主要部件，主要实现电能和声能之间的相互转换，依据测量人体跟骨所需要的探测深度和压电材料的性能参数选用频率为0．5MHz的压电陶瓷PZT-5作为压电元件直径20mm，厚度3．8mm。

 

匹配层采用氧化铝刚玉保护膜作为压电晶片和人体组织之间的匹配层，既起到保护压电晶片的作用，又解决人体软组织的声特性阻抗(约1．5×106Pa·s／m)与压电陶瓷片的声特性阻抗(30×106Pa·s／m)的匹配问题。背衬块位于压电元件的背后，主要功能是将后向辐射的声能几乎全部吸收以消除后向干扰。这里采用环氧树脂和钨粉直接混合调配的方法制作背衬块，并通过改变它们的配比来研究背衬块对换能器性能的影响。

 

钨粉比例对传感器性能的影响

制作6组传感器，每组传感器背衬块中的钨粉比例逐渐增加，钨粉比例分别为30％、40％、50％、60％、70％、80％，单层匹配层(兼作保护膜)。用超声耦合剂将每组发射和接收传感器直接耦合，用研制的配套电路对六组进行性能测试。

多次实验得出6组传感器输出波形电压平均幅值和振荡次数随钨粉比例增加的变化关系(见图2，3）。

 

 

由图3可知，随着背衬块中钨粉比例的增加，超声信号峰-峰和振荡次数都逐渐减小，且近似成线性关系。表明背衬块阻抗愈大，阻尼愈明显，增加阻抗能使波束收敛得到尖的窄脉冲，轴向分辨力也越好，但波形的幅值减小，辐射效率和换能器的灵敏度降低。因此，在制作背衬块时要合理选择阻抗，在灵敏度和脉冲宽度之间要进行很好的折衷。

 

匹配层层数对传感器性能的影响

制作两组传感器，一组加单层匹配层，另一组加双层匹配层，背衬块钨粉比例均为80％。用耦合剂将两组传感器直接耦合，对两组传感器进行性能测试。

 

反复实验后，取两组不同匹配层数的传感器波形数据的平均值(见表1)。由表1可知，增加匹配层数可减少振荡次数，得到尖的窄脉冲，使整机具有较好的轴向分辨力，但换能器的灵敏度降低，这与钨粉比例对传感器性能的影响很相似。

 

 

综合实验结果，采用含有60％钨粉的单匹配层传感器进行实验，窄脉冲的分辨力和换能器的灵敏度达到预期的效果。