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超聲波技術已在(zai)民用、醫療(liao)和軍事應(ying)用中有上百年(nian)的歷史。幾(ji)乎每個人都經歷過醫療(liao)超(chao)(chao)聲波技術(如B超(chao)(chao))。目前，最新(xin)的超(chao)(chao)聲波應(ying)用已發展到工業和汽(qi)車市場的自動化中。

超聲波技術的(de)非接(jie)觸性(xing)質使(shi)其(qi)成為醫療、制藥、軍(jun)事和工廠用(yong)途的(de)絕佳選擇。此外，其(qi)操作(zuo)環境也大大超出人們所了(le)解(jie)的(de)范圍。

流量計量是以每小時升(sheng)(lph)或(huo)(huo)加侖/分(fen)鐘(gpm)為單(dan)(dan)位測(ce)量(liang)液體(ti)(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)(ti)的流量(liang)。流量(liang)計可用(yong)于住宅和工(gong)業(ye)環(huan)境中(zhong)，包括(kuo)住宅和工(gong)業(ye)儀表(biao)(biao)(biao)中(zhong)的簡(jian)易功用(yong)表(biao)(biao)(biao)(氣表(biao)(biao)(biao)、水(shui)表(biao)(biao)(biao)、熱量(liang)計)或(huo)(huo)危險(xian)液體(ti)(ti)或(huo)(huo)氣體(ti)(ti)用(yong)混合器(石油(you)、采礦、廢水(shui)處理、油(you)漆、化學品);見(jian)圖1。在結構上，流量(liang)計包括(kuo)三個單(dan)(dan)元：傳感器單(dan)(dan)元、計量(liang)單(dan)(dan)元和通信單(dan)(dan)元。這些單(dan)(dan)元或(huo)(huo)功能塊(kuai)中(zhong)的每一個都可以是機械式或(huo)(huo)電子式。

圖1：住宅(zhai)和工業應用中的流量計(ji)示例(li)

在(zai)大部分流量計的(de)設計中，其活動(dong)部件都會使用(yong)機械感(gan)測。例如，使用(yong)電(dian)感(gan)電(dian)容(rong)器(LC)、巨磁(ci)電(dian)阻(GMR)、隧道式(shi)磁(ci)阻(TMR)或霍爾效(xiao)應傳感(gan)器捕獲螺旋(xuan)槳或葉輪的(de)運(yun)動(dong)，該運(yun)動(dong)根據流量而變化，并被轉(zhuan)換成數(shu)據并傳遞給測量單元(yuan)。因(yin)為有活動(dong)部件，所以(yi)可能會出現(xian)磨損和(he)不準確的(de)情況。

這(zhe)些儀表的壽命普(pu)遍較短(不(bu)到(dao)7年)，并且不(bu)能檢測(ce)到(dao)低流量或小泄漏。同時，介質污染、污垢(gou)積聚以及部件的結垢(gou)和老(lao)化也會影(ying)響測(ce)量精(jing)度，很(hen)可能導致傳感器(qi)結果不(bu)準(zhun)確，因此還(huan)需(xu)要定期對流量計進行(xing)重(zhong)新(xin)校準(zhun)。圖2所示(shi)為(wei)帶有LC傳感器(qi)的旋(xuan)轉式水表 。

圖2：使用LC傳感(gan)器的旋(xuan)轉式流(liu)量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非(fei)常精確(<±1%)，具有較長使用(yong)壽命(> 10年(nian))，可(ke)以方便地檢測不同成分的(de)(de)液體或(huo)氣體，并調整介質和(he)管道腐蝕污染的(de)(de)影(ying)響。超聲波儀表沒有活動(dong)部件，因(yin)此無需重新校準(zhun)。

用于流量(liang)測量(liang)的(de)(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)頻(pin)率(lv)范圍為100kHz至4MHz。使用一定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)(de)電脈沖信(xin)號激發(fa)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感器從而產(chan)生(sheng)相應頻(pin)率(lv)的(de)(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)，并(bing)使用同一聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)路徑從兩個對立的(de)(de)方向(xiang)在不同時(shi)段發(fa)射聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)并(bing)測量(liang)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)(記為上行傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)和下行傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian),TOF,Time of flight)。通過(guo)計(ji)(ji)算上下行傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)的(de)(de)絕對時(shi)間(jian)差，進而計(ji)(ji)算出(chu)實際流量(liang)。

安(an)裝在流管內(nei)部或外部的(de)一對或多對超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)可(ke)以用(yong)(yong)來測(ce)量TOF。圖3所示為簡易的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)測(ce)量原理和一些常(chang)見的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)布置(zhi)撲。超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)選擇取決于(yu)(yu)待測(ce)流體的(de)介質類型。通常(chang)，待測(ce)流體為液體時(shi)使(shi)用(yong)(yong)頻率大于(yu)(yu)等于(yu)(yu)1MHz的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，待測(ce)流體為氣體時(shi)使(shi)用(yong)(yong)頻率小(xiao)于(yu)(yu)等于(yu)(yu)500kHz的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)。

圖3：超(chao)聲(sheng)波(bo)測量(liang)原(yuan)理和(he)常見的超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感器布置拓撲

TOF測量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的精(jing)確(que)度將直接影響流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的分辨(bian)率和(he)精(jing)度。TOF通常以皮(pi)秒(miao)(ps)或納秒(miao)(ns)計量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)，它的主要參數(shu)包(bao)括(kuo)零(ling)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)漂移(ZFD)、標(biao)準(zhun)偏差(STD)、最小(xiao)和(he)最大可檢(jian)測流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)、流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)、流(liu)(liu)(liu)速、體積、絕對值(zhi)(Abs)TOF和(he)Delta(Δ)TOF。流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)表行業標(biao)準(zhun);最常見的是國際標(biao)準(zhun)化(hua)組織(ISO)4064、國際法制(zhi)計量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)組織(OIML)R49和(he)歐(ou)洲標(biao)準(zhun)(EN)1434。TI的超聲波流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)表方案(an)能夠達(da)到符合標(biao)準(zhun)的高水平(ping)精(jing)度要求。

TI的(de)(de)(de) MSP430FR6047 微控(kong)制器(qi)(MCU)是一款用于液體(ti)計量的(de)(de)(de)高度(du)集成的(de)(de)(de)片上(shang)系統(SoC)，專門(men)針對(dui)使用超(chao)聲波(bo)(bo)傳感(gan)技術(shu)測(ce)量精確TOF的(de)(de)(de)需(xu)求量身定制，具有基(ji)于模(mo)擬(ni)數字轉換(huan)器(qi)(ADC)的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形捕獲技術(shu)。圖(tu)4所(suo)示為MSP430?MCU和(he)超(chao)聲波(bo)(bo)換(huan)能器(qi)的(de)(de)(de)連接示意圖(tu)。

圖(tu)4：MSP430FR6047和超聲波(bo)換能(neng)器連接示意圖(tu)

一(yi)(yi)對(dui)超聲波換能器(qi)可以(yi)直接(jie)與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)(de)(de)超聲波外設(USS)連(lian)接(jie)。USS使用(yong)高(gao)速8MSPS的(de)(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可以(yi)靈活的(de)(de)(de)(de)對(dui)每個傳感器(qi)進行(xing)獨立的(de)(de)(de)(de)激勵和(he)響應(ying)捕獲。USS再將捕獲的(de)(de)(de)(de)波形(xing)采用(yong)多(duo)種數(shu)字(zi)信號處(chu)理(li)算法進行(xing)下一(yi)(yi)步處(chu)理(li)。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的(de)(de)(de)(de)波形(xing)捕獲技術和(he)處(chu)理(li)方(fang)法能夠得到(dao)一(yi)(yi)流的(de)(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)住宅和(he)工業應(ying)用(yong)中的(de)(de)(de)(de)液體和(he)氣體流量(liang)檢測是(shi)一(yi)(yi)個突破性系統設計。

目前大(da)多(duo)數超(chao)聲(sheng)波流量計(ji)都是電池(chi)供電的(de)，然而基(ji)于MSP430FR6047 MCU的(de)超(chao)聲(sheng)波流量表解決方案(an)的(de)平(ping)均耗電量僅(jin)為3 μA，從而能(neng)夠達到(dao)10多(duo)年的(de)使用壽(shou)命(ming)。此外(wai)，您可(ke)以(yi)輕松地將(jiang)此方案(an)擴展到(dao)熱量計(ji)。

用于流量(liang)測量(liang)的超聲波傳感集成了以(yi)下優勢：尺寸(cun)更小、成本更低(di)、精度和穩定(ding)性(xing)提高、延長產品壽(shou)命、可與智能(neng)電網連接等。