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超聲波技術已(yi)在民用、醫(yi)療和軍事應(ying)(ying)用中有上百(bai)年的歷史。幾乎每個(ge)人都經歷過醫(yi)療超(chao)聲(sheng)波技(ji)術(如B超(chao))。目前，最新的超(chao)聲(sheng)波應(ying)(ying)用已(yi)發展到工(gong)業和汽車市場(chang)的自(zi)動化(hua)中。

超聲波技術的非接觸性(xing)質使其成為醫療、制藥、軍事和(he)工廠用(yong)途的絕佳選擇。此外，其操作環境也(ye)大大超出人(ren)們(men)所了解(jie)的范圍(wei)。

流量計量是以每小(xiao)時(shi)升(lph)或加侖(lun)/分鐘(gpm)為(wei)單(dan)(dan)位測(ce)量(liang)(liang)液體或氣(qi)體的(de)流(liu)(liu)量(liang)(liang)。流(liu)(liu)量(liang)(liang)計可(ke)用于住宅和工(gong)業環境中，包(bao)括(kuo)住宅和工(gong)業儀表(biao)中的(de)簡(jian)易功用表(biao)(氣(qi)表(biao)、水表(biao)、熱量(liang)(liang)計)或危(wei)險液體或氣(qi)體用混合(he)器(石油、采礦、廢水處(chu)理、油漆(qi)、化學(xue)品);見(jian)圖1。在(zai)結構上，流(liu)(liu)量(liang)(liang)計包(bao)括(kuo)三個(ge)單(dan)(dan)元：傳(chuan)感器單(dan)(dan)元、計量(liang)(liang)單(dan)(dan)元和通信單(dan)(dan)元。這些單(dan)(dan)元或功能塊中的(de)每一個(ge)都(dou)可(ke)以是機械式(shi)或電子式(shi)。

圖1：住宅和工業應用中的流量計(ji)示例(li)

在(zai)大部分流(liu)量(liang)計的設(she)計中，其活動(dong)部件都會使用(yong)機械感(gan)(gan)測。例如，使用(yong)電(dian)感(gan)(gan)電(dian)容器(LC)、巨磁電(dian)阻(GMR)、隧(sui)道式磁阻(TMR)或霍爾(er)效應傳(chuan)感(gan)(gan)器捕獲螺旋(xuan)槳或葉輪的運動(dong)，該運動(dong)根據(ju)流(liu)量(liang)而變化，并被(bei)轉換成數據(ju)并傳(chuan)遞給測量(liang)單元。因為有活動(dong)部件，所(suo)以可(ke)能(neng)會出現磨損和(he)不準確的情況。

這(zhe)些儀(yi)表(biao)的(de)壽命(ming)普遍較短(duan)(不(bu)到7年(nian))，并且不(bu)能檢(jian)測到低流(liu)(liu)量(liang)或小泄漏(lou)。同時，介質(zhi)污染、污垢(gou)積聚(ju)以及部(bu)件的(de)結(jie)垢(gou)和老化也會影響測量(liang)精度，很可能導(dao)致傳(chuan)感(gan)器結(jie)果不(bu)準(zhun)(zhun)確，因此還需要定期對流(liu)(liu)量(liang)計進行(xing)重新校準(zhun)(zhun)。圖2所示(shi)為(wei)帶有(you)LC傳(chuan)感(gan)器的(de)旋轉(zhuan)式水表(biao) 。

圖2：使用LC傳(chuan)感器的旋轉式流量計

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(shi)用壽命(> 10年)，可(ke)以(yi)方便(bian)地檢測不同成(cheng)分的(de)液體(ti)或氣體(ti)，并(bing)調整介質和管道腐蝕污染(ran)的(de)影響。超聲波儀表沒有活動(dong)部件，因此無需重新校準。

用于流(liu)量測量的超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)頻(pin)率范圍為(wei)100kHz至4MHz。使用一定(ding)頻(pin)率的電脈(mo)沖信(xin)號(hao)激發超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)感器從而(er)產生(sheng)相(xiang)應頻(pin)率的超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)，并使用同一聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)輸路徑從兩個對(dui)(dui)立(li)的方向(xiang)在不同時段發射聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)并測量聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)輸時間(記為(wei)上行傳(chuan)輸時間和下行傳(chuan)輸時間,TOF,Time of flight)。通過計(ji)算上下行傳(chuan)輸時間的絕對(dui)(dui)時間差，進而(er)計(ji)算出實際流(liu)量。

安裝在(zai)流管內部或外部的(de)一對(dui)(dui)或多對(dui)(dui)超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)可以用(yong)來測(ce)量(liang)TOF。圖3所示為(wei)簡易的(de)超聲波(bo)(bo)(bo)測(ce)量(liang)原理和一些(xie)常(chang)見的(de)超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)布置(zhi)撲。超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)選擇取(qu)決于待測(ce)流體的(de)介(jie)質類型。通常(chang)，待測(ce)流體為(wei)液體時使用(yong)頻率大(da)于等(deng)于1MHz的(de)超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，待測(ce)流體為(wei)氣體時使用(yong)頻率小于等(deng)于500kHz的(de)超聲波(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)。

圖3：超(chao)聲波測量原(yuan)理(li)和常(chang)見的超(chao)聲波傳(chuan)感器布置(zhi)拓(tuo)撲

TOF測(ce)量(liang)(liang)的(de)精確(que)度(du)將直(zhi)接影響流(liu)量(liang)(liang)計量(liang)(liang)的(de)分辨率和精度(du)。TOF通常以皮秒(ps)或納(na)秒(ns)計量(liang)(liang)，它的(de)主要(yao)參數(shu)包括零(ling)流(liu)量(liang)(liang)漂移(ZFD)、標準(zhun)偏差(STD)、最小(xiao)和最大可檢測(ce)流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)速、體積、絕對值(zhi)(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)表行業標準(zhun);最常見的(de)是國際標準(zhun)化組(zu)織(ISO)4064、國際法(fa)制計量(liang)(liang)組(zu)織(OIML)R49和歐洲標準(zhun)(EN)1434。TI的(de)超聲波流(liu)量(liang)(liang)表方案能(neng)夠達到符(fu)合(he)標準(zhun)的(de)高水平精度(du)要(yao)求。

TI的(de) MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一款用(yong)于液(ye)體計量(liang)的(de)高度集成的(de)片上系統(tong)(SoC)，專門針(zhen)對使用(yong)超聲波傳感技術測量(liang)精(jing)確TOF的(de)需求量(liang)身定制，具有基于模擬數字(zi)轉(zhuan)換(huan)器(ADC)的(de)波形(xing)捕獲(huo)技術。圖(tu)4所(suo)示為MSP430?MCU和超聲波換(huan)能器的(de)連接示意圖(tu)。

圖(tu)4：MSP430FR6047和(he)超(chao)聲波換能器連(lian)接示意圖(tu)

一(yi)對(dui)超(chao)聲波(bo)換能器(qi)可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的(de)超(chao)聲波(bo)外設(USS)連(lian)接。USS使用(yong)高速8MSPS的(de)Σ-Δ ADC可以靈(ling)活的(de)對(dui)每個傳(chuan)感器(qi)進(jin)行(xing)獨立的(de)激(ji)勵和(he)(he)(he)響應(ying)捕獲。USS再將(jiang)捕獲的(de)波(bo)形(xing)采(cai)用(yong)多種(zhong)數字信號(hao)處(chu)理(li)算法進(jin)行(xing)下一(yi)步處(chu)理(li)。MSP430FR6047 MCU中采(cai)用(yong)的(de)波(bo)形(xing)捕獲技(ji)術和(he)(he)(he)處(chu)理(li)方法能夠得到一(yi)流的(de)分辨(bian)率(<5ps) —— 對(dui)住宅(zhai)和(he)(he)(he)工業應(ying)用(yong)中的(de)液體和(he)(he)(he)氣體流量檢測是一(yi)個突破性系統設計。

目(mu)前大多數超聲(sheng)波(bo)流量(liang)計都是(shi)電(dian)池供電(dian)的(de)(de)，然而(er)基于MSP430FR6047 MCU的(de)(de)超聲(sheng)波(bo)流量(liang)表解決方案(an)的(de)(de)平均耗電(dian)量(liang)僅(jin)為3 μA，從而(er)能夠達(da)到(dao)10多年的(de)(de)使用壽命。此外，您可以輕松地(di)將此方案(an)擴展到(dao)熱(re)量(liang)計。

用于流量測量的超(chao)聲波(bo)傳感(gan)集成(cheng)(cheng)了以下優(you)勢：尺寸更小(xiao)、成(cheng)(cheng)本(ben)更低、精度和穩定性(xing)提高、延長產品壽(shou)命、可(ke)與智能電網連接等。