超聲波測量原理及常見超聲波傳感器布置

超聲波技術(shù)已在民用、醫(yī)療和軍事應(yīng)用中有上百年的歷史。幾乎每個(gè)人都經(jīng)歷過醫(yī)療超聲波技術(shù)（如B超）。目前，最新的超聲波應(yīng)用已發(fā)展到工業(yè)和汽車市場的自動(dòng)化中。

超聲波技術(shù)的非接觸性質(zhì)使其成為醫(yī)療、制藥、軍事和工廠用途的絕佳選擇。此外，其操作環(huán)境也大大超出人們所了解的范圍。

流量計(jì)量是以每小時(shí)升（lph）或加侖/分鐘（gpm）為單位測量液體或氣體的流量。流量計(jì)可用于住宅和工業(yè)環(huán)境中，包括住宅和工業(yè)儀表中的簡易功用表（氣表、水表、熱量計(jì)）或危險(xiǎn)液體或氣體用混合器（石油、采礦、廢水處理、油漆、化學(xué)品）；見圖1和圖2。在結(jié)構(gòu)上，流量計(jì)包括三個(gè)單元：傳感器單元、計(jì)量單元和通信單元。這些單元或功能塊中的每一個(gè)都可以是機(jī)械式或電子式。

圖1&2：住宅和工業(yè)應(yīng)用中的流量計(jì)示例

在大部分流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，其活動(dòng)部件都會(huì)使用機(jī)械感測。例如，使用電感電容器（LC）、巨磁電阻（GMR）、隧道式磁阻（TMR）或霍爾效應(yīng)傳感器捕獲螺旋槳或葉輪的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)根據(jù)流量而變化，并被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并傳遞給測量單元。因?yàn)橛谢顒?dòng)部件，所以可能會(huì)出現(xiàn)磨損和不準(zhǔn)確的情況。

這些儀表的壽命普遍較短（不到7年），并且不能檢測到低流量或小泄漏。同時(shí)，介質(zhì)污染、污垢積聚以及部件的結(jié)垢和老化也會(huì)影響測量精度，很可能導(dǎo)致傳感器結(jié)果不準(zhǔn)確，因此還需要定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。圖3所示為帶有LC傳感器的旋轉(zhuǎn)式水表 。

圖3：使用LC傳感器的旋轉(zhuǎn)式流量計(jì)

超聲波傳感避免了上述幾個(gè)問題。該傳感技術(shù)非常精確（<±1％），具有較長使用壽命（> 10年），可以方便地檢測不同成分的液體或氣體，并調(diào)整介質(zhì)和管道腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒有活動(dòng)部件，因此無需重新校準(zhǔn)。

用于流量測量的超聲波頻率范圍為100kHz至4MHz。使用一定頻率的電脈沖信號(hào)激發(fā)超聲波傳感器從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個(gè)對(duì)立的方向在不同時(shí)段發(fā)射聲波并測量聲波傳輸時(shí)間（記為上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間,TOF,Time of flight）。通過計(jì)算上下行傳輸時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用來測量TOF。圖4所示為簡易的超聲波測量原理和一些常見的超聲波傳感器布置撲。超聲波傳感器的選擇取決于待測流體的介質(zhì)類型。通常，待測流體為液體時(shí)使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體為氣體時(shí)使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。

圖4：超聲波測量原理和常見的超聲波傳感器布置拓?fù)?/strong>

TOF測量的精確度將直接影響流量計(jì)量的分辨率和精度。TOF通常以皮秒（ps）或納秒（ns）計(jì)量，它的主要參數(shù)包括零流量漂移（ZFD）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（STD）、最小和最大可檢測流量、流量、流速、體積、絕對(duì)值（Abs）TOF和Delta（Δ）TOF。流量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；最常見的是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）4064、國際法制計(jì)量組織（OIML）R49和歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）1434。TI的超聲波流量表方案能夠達(dá)到符合標(biāo)準(zhǔn)的高水平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器（MCU）是一款用于液體計(jì)量的高度集成的片上系統(tǒng)（SoC），專門針對(duì)使用超聲波傳感技術(shù)測量精確TOF的需求量身定制，具有基于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形捕獲技術(shù)。圖5所示為MSP430?MCU和超聲波換能器的連接示意圖。

圖5：MSP430FR6047和超聲波換能器連接示意圖

一對(duì)超聲波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(shè)(USS)連接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行獨(dú)立的激勵(lì)和響應(yīng)捕獲。USS再將捕獲的波形采用多種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行下一步處理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技術(shù)和處理方法能夠得到一流的分辨率（<5ps） —— 對(duì)住宅和工業(yè)應(yīng)用中的液體和氣體流量檢測是一個(gè)突破性系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于目前大多數(shù)超聲波流量計(jì)都是電池供電的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超聲波流量表解決方案的平均耗電量僅為3 μA，從而能夠達(dá)到10多年的使用壽命。此外，您可以輕松地將此方案擴(kuò)展到熱量計(jì)。

用于流量測量的超聲波傳感集成了以下優(yōu)勢：尺寸更小、成本更低、精度和穩(wěn)定性提高、延長產(chǎn)品壽命、可與智能電網(wǎng)連接等。