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超聲波技術已(yi)在民用(yong)、醫療(liao)和(he)軍事應(ying)用(yong)中有上百年的歷史。幾(ji)乎(hu)每個人都經歷過(guo)醫療(liao)超聲(sheng)波(bo)技術(shu)(如B超)。目前，最新的超聲(sheng)波(bo)應(ying)用(yong)已(yi)發展到工(gong)業和(he)汽車市(shi)場的自(zi)動化中。

超(chao)聲波技(ji)術的非接觸(chu)性質使其(qi)成為(wei)醫療、制藥、軍事(shi)和工廠用途的絕佳選(xuan)擇。此(ci)外，其(qi)操作環境(jing)也大(da)大(da)超(chao)出人們(men)所(suo)了解的范圍(wei)。

流量計量是以(yi)每小時升(sheng)(lph)或(huo)(huo)(huo)加侖/分鐘(gpm)為單(dan)位(wei)測量液體(ti)(ti)或(huo)(huo)(huo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的流(liu)量。流(liu)量計(ji)可(ke)用于(yu)住(zhu)宅和工業(ye)環境中，包(bao)括(kuo)住(zhu)宅和工業(ye)儀表中的簡易功用表(氣(qi)(qi)表、水表、熱量計(ji))或(huo)(huo)(huo)危險液體(ti)(ti)或(huo)(huo)(huo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)用混(hun)合(he)器(石油、采礦、廢水處理(li)、油漆、化學品);見圖1。在結構上，流(liu)量計(ji)包(bao)括(kuo)三(san)個(ge)單(dan)元(yuan)：傳(chuan)感器單(dan)元(yuan)、計(ji)量單(dan)元(yuan)和通信(xin)單(dan)元(yuan)。這些單(dan)元(yuan)或(huo)(huo)(huo)功能塊中的每一(yi)個(ge)都可(ke)以(yi)是機械式(shi)或(huo)(huo)(huo)電子式(shi)。

圖1：住宅和工(gong)業應用中的流量計示例

在(zai)大(da)部(bu)分流(liu)量(liang)計(ji)的(de)設計(ji)中，其活(huo)動部(bu)件都會使用機(ji)械(xie)感(gan)測(ce)。例如，使用電(dian)(dian)感(gan)電(dian)(dian)容器(LC)、巨磁電(dian)(dian)阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或(huo)(huo)霍爾效應傳感(gan)器捕獲螺旋槳或(huo)(huo)葉輪的(de)運動，該(gai)運動根據(ju)流(liu)量(liang)而變化，并(bing)被轉換(huan)成數(shu)據(ju)并(bing)傳遞(di)給測(ce)量(liang)單元。因為有活(huo)動部(bu)件，所以可能會出現磨損和不準確的(de)情況。

這(zhe)些(xie)儀(yi)表的(de)(de)壽命普(pu)遍較(jiao)短(不(bu)到(dao)7年)，并且不(bu)能檢測到(dao)低流量或小(xiao)泄漏(lou)。同時，介質污染、污垢積聚以及部件的(de)(de)結垢和老化也會(hui)影響測量精度(du)，很可能導致傳感器(qi)結果不(bu)準確，因此還需要定(ding)期對流量計進行重新校(xiao)準。圖(tu)2所示(shi)為帶有(you)LC傳感器(qi)的(de)(de)旋轉式(shi)水(shui)表 。

圖2：使用(yong)LC傳感(gan)器的旋轉(zhuan)式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常(chang)精確(<±1%)，具有(you)(you)較長(chang)使用(yong)壽命(> 10年)，可以方便地檢測(ce)不(bu)同成分的液體或氣體，并調整(zheng)介質和管道腐(fu)蝕污染(ran)的影響。超聲波儀表沒有(you)(you)活(huo)動部件，因此(ci)無需重新校準。

用(yong)于(yu)流量(liang)測量(liang)的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)頻(pin)率范圍為(wei)100kHz至4MHz。使用(yong)一定(ding)頻(pin)率的(de)(de)電脈(mo)沖(chong)信號激(ji)發超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感器(qi)從而產生(sheng)相應頻(pin)率的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)，并(bing)使用(yong)同(tong)一聲(sheng)波(bo)傳(chuan)輸路(lu)徑從兩(liang)個對立的(de)(de)方向在不同(tong)時段發射聲(sheng)波(bo)并(bing)測量(liang)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)輸時間(jian)(記為(wei)上(shang)(shang)行(xing)傳(chuan)輸時間(jian)和下行(xing)傳(chuan)輸時間(jian),TOF,Time of flight)。通過計算(suan)上(shang)(shang)下行(xing)傳(chuan)輸時間(jian)的(de)(de)絕對時間(jian)差，進(jin)而計算(suan)出(chu)實際流量(liang)。

安裝在流管內(nei)部(bu)或外部(bu)的(de)(de)(de)(de)一對(dui)或多對(dui)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器(qi)(qi)可以用(yong)來(lai)測(ce)(ce)量TOF。圖3所示(shi)為(wei)(wei)簡易的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)測(ce)(ce)量原理和一些(xie)常見的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器(qi)(qi)布置(zhi)撲(pu)。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)選擇(ze)取決于(yu)待測(ce)(ce)流體的(de)(de)(de)(de)介質(zhi)類型。通常，待測(ce)(ce)流體為(wei)(wei)液體時使用(yong)頻率(lv)大于(yu)等于(yu)1MHz的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器(qi)(qi)，待測(ce)(ce)流體為(wei)(wei)氣體時使用(yong)頻率(lv)小(xiao)于(yu)等于(yu)500kHz的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器(qi)(qi)。

圖(tu)3：超(chao)聲波(bo)測量原理和常見的(de)超(chao)聲波(bo)傳感器(qi)布置(zhi)拓撲

TOF測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的精確度(du)將(jiang)直接影響流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)的分辨率和(he)精度(du)。TOF通常(chang)以皮(pi)秒(miao)(ps)或(huo)納(na)秒(miao)(ns)計(ji)(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)，它(ta)的主要參數包(bao)括(kuo)零流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)漂移(ZFD)、標(biao)(biao)準偏差(STD)、最(zui)(zui)小和(he)最(zui)(zui)大可檢測(ce)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)、流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)、流(liu)速、體積、絕對值(zhi)(Abs)TOF和(he)Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)表行業標(biao)(biao)準;最(zui)(zui)常(chang)見的是國際標(biao)(biao)準化(hua)組(zu)織(ISO)4064、國際法制計(ji)(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)組(zu)織(OIML)R49和(he)歐洲(zhou)標(biao)(biao)準(EN)1434。TI的超聲波(bo)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)表方(fang)案能(neng)夠(gou)達到符合標(biao)(biao)準的高(gao)水平(ping)精度(du)要求(qiu)。

TI的(de)(de) MSP430FR6047 微控制器(qi)(MCU)是一(yi)款(kuan)用(yong)于液體(ti)計量(liang)的(de)(de)高度集(ji)成(cheng)的(de)(de)片上系統(SoC)，專(zhuan)門針對(dui)使(shi)用(yong)超聲波傳(chuan)感技術(shu)測量(liang)精確(que)TOF的(de)(de)需(xu)求量(liang)身定制，具(ju)有基于模擬數字轉換器(qi)(ADC)的(de)(de)波形捕獲(huo)技術(shu)。圖4所示為MSP430?MCU和超聲波換能器(qi)的(de)(de)連(lian)接(jie)示意(yi)圖。

圖(tu)4：MSP430FR6047和超聲(sheng)波換能器連接示意圖(tu)

一(yi)(yi)對(dui)超聲(sheng)波換能器可以直接(jie)與MSP430FR6047 MCU集成的超聲(sheng)波外設(she)(USS)連接(jie)。USS使(shi)用高(gao)速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對(dui)每個傳(chuan)感(gan)器進(jin)行獨(du)立的激勵(li)和(he)響(xiang)應捕(bu)(bu)獲。USS再將捕(bu)(bu)獲的波形采(cai)用多種數字(zi)信(xin)號處(chu)(chu)理算(suan)法進(jin)行下(xia)一(yi)(yi)步處(chu)(chu)理。MSP430FR6047 MCU中(zhong)采(cai)用的波形捕(bu)(bu)獲技(ji)術和(he)處(chu)(chu)理方法能夠得到(dao)一(yi)(yi)流(liu)的分辨率(lv)(<5ps) —— 對(dui)住宅和(he)工業應用中(zhong)的液體和(he)氣體流(liu)量檢測是一(yi)(yi)個突(tu)破(po)性系統(tong)設(she)計。

目(mu)前大多(duo)(duo)數(shu)超聲波(bo)流量計都是電(dian)(dian)池(chi)供(gong)電(dian)(dian)的(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)超聲波(bo)流量表解(jie)決(jue)方(fang)案的(de)平均耗電(dian)(dian)量僅為(wei)3 μA，從而能夠達(da)到(dao)10多(duo)(duo)年的(de)使用(yong)壽命。此(ci)外，您可以輕松地將此(ci)方(fang)案擴展到(dao)熱量計。

用于流量(liang)測量(liang)的超聲波傳感集成了以下優勢：尺寸更小、成本更低、精度(du)和穩定性提(ti)高、延長產品壽(shou)命、可與智能電網連(lian)接等。