Ранний доступ · курсы проходят проверку инженерами-практиками
Service EngineerAcademy
01Урок 1 / 8 · 25 min

Как устроен датчик: от линзы до контактов разъёма

Назвать каждый слой и каждый узел матричного датчика от линзы до разъёма, объяснить, как каждый из них влияет на изображение, и предсказать, какой симптом даст повреждение слоя или узла, — чтобы все дальнейшие проверки и решения о ремонте опирались на конструкцию.

Почему сначала конструкция

На Уровне 1 вы научились относиться к датчику как к первому и самому хрупкому звену цепочки и отличать неисправность датчика от неисправности аппарата. Этот курс ведёт внутрь датчика. Собирать датчики вы не будете и в большинстве случаев не будете их даже вскрывать, но каждое решение следующих семи уроков — что значит карта тестера, почему важен пузырь под линзой, почему дешёвая переклейка может погубить датчик, почему чреспищеводный датчик после одного укуса становится угрозой электробезопасности — вытекает из того, как датчик собран.

Датчик с решёткой — это пакет слоёв. Со стороны пациента внутрь: акустическая линза, один или несколько согласующих слоёв, пьезоэлементы с электродами, демпфирующий слой (бэкинг) за ними, гибкая плата или проводники от каждого элемента, экранирование, корпус, который всё это держит, разгрузочная втулка, кабель с отдельным коаксиальным проводником на каждый канал и разъём с сотнями контактов. В некоторых датчиках есть ещё электроника: коммутаторы в разъёме или целая ступень формирования луча в рукоятке. У каждой из этих частей своя задача, и каждая отказывает своим узнаваемым образом.

Активный слой: элементы, пропилы и электроды

Сердце датчика — тонкая пластина пьезоматериала, обычно керамики цирконата-титаната свинца (ЦТС, PZT) или керамико-полимерного композита, а в некоторых датчиках высокого класса — монокристалла. Напряжение на пластине меняет её толщину; приходящая волна давления, наоборот, создаёт на ней небольшое напряжение. Толщина пластины задаёт резонансную частоту: чем тоньше пластина, тем выше частота. Поэтому у высокочастотных линейных датчиков самый тонкий и самый хрупкий активный слой.

Чтобы получить решётку, пластину тонкой пилой режут на узкие полоски. Каждая полоска — элемент; пропилы между ними (kerf) заполнены мягким материалом с большим затуханием, чтобы соседние элементы не звенели вместе. В типичной линейной или конвексной решётке от сотни до нескольких сотен элементов; у фазированной — меньше элементов, и они уже; у матричной — тысячи элементов, уложенных сеткой. У каждого элемента сигнальный электрод с одной стороны и общий земляной с другой, обычно со стороны пациента. Земляная сторона соединена с внутренним экраном датчика.

Для сервиса важны две вещи. Первая: элементы и соединения между слоями хрупкие. Чтобы треснула керамика или оторвалось тонкое соединение электрода на краю элемента, при падении не обязательно должен треснуть корпус. Вторая: каждый элемент — маленький конденсатор. Именно так тестер находит обрыв: у элемента с перебитым проводником на разъёме уже не видно его нормальной ёмкости.

Согласующие слои, линза и демпфер

Акустические импедансы керамики и ткани сильно различаются, поэтому при прямом контакте керамики с кожей большая часть энергии отражалась бы на границе. Один или несколько согласующих слоёв толщиной примерно в четверть длины волны и с импедансом между керамикой и тканью пропускают звук. Они приклеены к элементам и друг к другу. Когда эти клеевые соединения разрушаются — от падения, от нагрева или от химии, проникшей через линзу, — между слоями образуется тонкая плёнка воздуха или жидкости. Воздух отражает почти всё, поэтому участок расслоения становится слабой или мёртвой зоной на изображении, часто неровной и часто растущей месяцами.

Акустическая линза — поверхность контакта с пациентом. Обычно это силиконовый компаунд в форме цилиндра, который фокусирует луч в плоскости элевации, то есть поперёк узкой стороны решётки. Толщина и кривизна линзы задают фокус по элевации, а материал подобран так, чтобы скорость звука и затухание были известны. Поэтому линза — не косметическая крышка. Линза-замена толще, с другой кривизной или из другого компаунда меняет фокус и чувствительность, даже если на первый взгляд картинка «нормальная». Линза — это ещё и первый слой электрической изоляции между пациентом и элементами, а силикон проницаем для некоторых химических веществ. Отсюда важность совместимости дезсредств.

За элементами стоит демпфер — тяжёлый материал с сильным затуханием. Он гасит звон каждого элемента после зондирующего импульса и поглощает звук, уходящий назад. Хорошее демпфирование даёт короткие импульсы и хорошее осевое разрешение. Сам по себе демпфер отказывает редко, но трещина через весь пакет после падения часто проходит и через него.

От элементов до разъёма

Сигнальный электрод каждого элемента через гибкую печатную плату или тонкие проводники, припаянные или приваренные по краю решётки, соединён со своим микрокоаксиальным проводником в кабеле. Кабель датчика общего назначения несёт больше сотни таких проводников, каждый тоньше волоса, плюс экраны и несколько линий управления. Все они тысячи раз в день изгибаются у двух разгрузочных втулок — там они и рвутся. Оборванный проводник даёт на изображении ровно тот же симптом, что и мёртвый элемент: узкий вертикальный провал в неизменном месте. Различить их можно только электрическим измерением или изгибая кабель и глядя на изображение.

У кабеля общий оплёточный или фольговый экран, соединённый через разъём с защитным заземлением аппарата, и наружная оболочка, которая входит в изоляцию между пользователем, пациентом и проводниками. Поэтому прорезанная или раздавленная оболочка — это и источник шумов, и проблема безопасности.

В разъёме стоит печатная плата с полем контактов, механический замок и схема идентификации — микросхема памяти или кодовые резисторы, по которым аппарат узнаёт подключённый датчик. В некоторых датчиках в разъёме или рукоятке есть ещё высоковольтные коммутаторы или мультиплексоры. Они позволяют датчику, у которого элементов больше, чем каналов в аппарате, выбирать активную группу элементов для каждой строки. Неисправность такого коммутатора выглядит как группа мёртвых элементов или как неисправность канала аппарата — ещё одна причина проверить датчик на втором аппарате, прежде чем приговаривать плату формирователя луча.

Датчики с электроникой внутри

Матричные и некоторые другие современные датчики несут в рукоятке часть формирователя луча: специализированные микросхемы, которые объединяют сигналы небольших групп элементов ещё до кабеля. Только так тысячи элементов можно обслужить кабелем разумной толщины. Такие датчики потребляют питание, греются в работе, чувствительны к электростатическому разряду на разъёме, и обычным тестером датчиков их нельзя осмысленно проверить поэлементно. В механических объёмных датчиках есть мотор, датчик положения (энкодер) и иногда датчик температуры. В чреспищеводных — датчик температуры в дистальном конце и механика управления изгибом в рукоятке. Каждому из этих семейств посвящён отдельный урок.

Для вас вывод простой: чем больше электроники внутри датчика, тем меньше может проверить выездной инженер и тем меньше смысла в любом ремонте вне производителя или специализированной мастерской.

Как читать симптом по конструкции

Когда пакет слоёв стоит перед глазами, симптомы раскладываются сами. Узкий вертикальный провал в неизменном месте — один элемент или один проводник. Группа соседних провалов — треснувший участок решётки, порванная гибкая плата, группа проводников у разгрузочной втулки или неисправный коммутатор. Широкая слабая зона с размытым краем — расслоение согласующих слоёв или линзы. Потеря чувствительности везде, без провалов, — износ линзы, неподходящая линза после ремонта, старение активного слоя или проблема на стороне аппарата. Шум, который меняется при движении кабеля, — повреждённый экран или проводник. «Датчик не распознан» — разъём, схема идентификации, контакты или порт.

Зондирующие импульсы приходят на элементы от высоковольтного источника передатчика аппарата; современные микросхемы импульсных генераторов для УЗИ обычно рассчитаны на импульсы примерно до ±100 В. Поэтому жидкость в разъёме или замыкание в кабеле могут нагрузить источник передатчика настолько, что остановится весь аппарат. И поэтому датчик с повреждённым разъёмом никогда нельзя «просто попробовать» на втором, исправном аппарате, пока его не проверили.

Узел по частямДатчик в разборе: от стороны пациента до разъёма
ДетальЧто делаетКак отказывает
01Акустическая линзаКонтакт с пациентом, фокус по элевации и первый слой изоляцииПорезы, износ, набухание от химии, отслоение по краям
02Согласующие слоиПропускают звук между керамикой и тканью без большого отраженияРасслоение после падений, нагрева или химии: слабые и мёртвые зоны
03Пьезоэлементы и пропилыПревращают импульсы в звук, а эхо — обратно в напряжениеТрещины от удара, деполяризация от перегрева: мёртвые и слабые элементы
04Демпфер (бэкинг)Гасит звон и поглощает звук, уходящий назад, — короткие импульсыРедко сам по себе; трескается вместе с решёткой при сильном падении
05Гибкая плата и соединения элементовСоединяют каждый элемент с его проводником в кабелеОбрывы на краю решётки: одиночные или групповые мёртвые каналы
06Корпус и внутренний экранМеханическая защита, герметизация, экранированиеТрещины и разошедшиеся швы пропускают жидкость; сколы у рабочей поверхности
07Разгрузочные втулкиРаспределяют изгиб кабеля у рукоятки и у разъёмаНадрыв или затвердевание; проводники рвутся сразу за ними
08Многожильный кабельМикрокоаксиал на каждый канал, общий экран, изолирующая оболочкаОбрывы жил, раздавленная или прорезанная оболочка, повреждённый экран: провалы и шум
09Разъём со схемой идентификацииПоле контактов, замок, опознавание датчикаПогнутые или окисленные контакты, попадание жидкости, сбой ID: «датчик не распознан»
10Коммутаторы, мультиплексоры или формирователь в рукоятке (если есть)Выбирают группы элементов или предварительно объединяют сигналыВыпадение групп, ошибки распознавания, повреждение статикой; ремонт только у специалиста
из практики

Провалы, которые не были элементами

Отделение сообщило о трёх узких тёмных линиях рядом друг с другом на конвексном датчике. Предыдущий инженер прочёл это как «мёртвые элементы» и выставил счёт на новый датчик. Следующий инженер повторил проверку «в воздухе» и увидел те же три провала, а затем аккуратно поизгибал кабель сразу за разгрузочной втулкой рукоятки: провалы замерцали, а при одном угле исчезли. На другом аппарате датчик вёл себя так же. Разгрузочная втулка была жёсткой и слегка надорванной. Тестер в ремонтной мастерской показал целые элементы и три оборванных проводника в кабеле у рукоятки. Кабель заменили, датчик прошёл акустические и электрические испытания мастерской и вернулся в работу за малую долю цены нового.

Неподвижный вертикальный провал может быть и элементом, и проводником. Изгиб кабеля при наблюдении за изображением и электрическая проверка элементов их различают. От этого зависит выбор между ремонтом кабеля и новым датчиком.

Из практики сервиса

Конвекс, который читался как линейный

Портативный аппарат то не определял датчики, то определял их неверно: конвексный появлялся как линейный, линейный — как внутриполостной, в обоих портах. Датчики были оригинальными и правильно работали на другом аппарате. Инженер объяснил отделению, что каждый датчик несёт в разъёме идентификационные данные, которые аппарат считывает при подключении. Если датчик исправен на другом аппарате, а несколько датчиков неверно читаются во всех портах, подозревается тракт считывания в самом аппарате. Плата коннекторов аппарата оказалась неисправной и была заменена, после чего каждый датчик правильно определялся в каждом порту.

Распознавание датчика зависит и от цепи идентификации датчика, и от тракта считывания аппарата; если несколько исправных датчиков неверно читаются во всех портах, виноват аппарат, а не датчики.

Чек-лист на объекте

  • Прежде чем судить о симптоме, представьте пакет слоёв: линза, согласующие слои, элементы, демпфер, гибкая плата, кабель, разъём.
  • Для каждого неподвижного провала спрашивайте: элемент, проводник, коммутатор или канал аппарата?
  • Отметьте, есть ли внутри датчика электроника (коммутаторы, формирователь в рукоятке, мотор, датчики) — она ограничивает возможности проверки.
  • Относитесь к линзе как к акустической детали с заданным фокусом, а не как к крышке.
  • Никогда не пробуйте датчик с повреждённым разъёмом на втором аппарате до проверки.

Проверьте себя

1. На датчике широкая слабая зона с размытыми краями, за несколько месяцев она выросла. Узких провалов нет. Какой слой вероятнее всего виноват?
2. Дешёвая мастерская заменила изношенную линзу более толстой из другого компаунда. Изображение «выглядит нормально». Чего следует ожидать?
3. Как тестер датчиков обнаруживает оборванный проводник между разъёмом и элементом?
4. Почему датчик с жидкостью в разъёме может остановить исправный в остальном аппарат?
5. С матричным датчиком проблема изображения. Почему обычный поэлементный тестер датчиков здесь мало полезен?
Следующий урок →