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超聲波技術已在(zai)民用、醫療和(he)軍事(shi)應用中(zhong)有上百年的歷史。幾乎每個(ge)人都經歷過醫療超(chao)聲(sheng)波技術(如B超(chao))。目前，最新的超(chao)聲(sheng)波應用已發展到工(gong)業和(he)汽車市(shi)場的自動化中(zhong)。

超聲波技術的非接觸(chu)性質使其成為醫療、制藥(yao)、軍事和工廠用途的絕佳選擇。此外，其操作環境(jing)也大大超出人們所了(le)解的范圍。

流量計量是以(yi)每(mei)小時(shi)升(lph)或(huo)加侖/分鐘(zhong)(gpm)為(wei)單(dan)(dan)位測量(liang)(liang)液體(ti)或(huo)氣(qi)(qi)體(ti)的流量(liang)(liang)。流量(liang)(liang)計可用(yong)于住(zhu)宅(zhai)和(he)工(gong)業環境中，包括(kuo)住(zhu)宅(zhai)和(he)工(gong)業儀表中的簡易功(gong)用(yong)表(氣(qi)(qi)表、水(shui)表、熱量(liang)(liang)計)或(huo)危險液體(ti)或(huo)氣(qi)(qi)體(ti)用(yong)混合器(石油(you)、采(cai)礦、廢水(shui)處理、油(you)漆、化學品);見圖1。在結(jie)構(gou)上，流量(liang)(liang)計包括(kuo)三個(ge)單(dan)(dan)元：傳感器單(dan)(dan)元、計量(liang)(liang)單(dan)(dan)元和(he)通信(xin)單(dan)(dan)元。這些單(dan)(dan)元或(huo)功(gong)能(neng)塊中的每(mei)一個(ge)都可以(yi)是機械式(shi)或(huo)電子(zi)式(shi)。

圖1：住宅(zhai)和工業應用中的流量(liang)計示例

在大部(bu)分(fen)流量計(ji)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)中，其活動(dong)部(bu)件(jian)都會(hui)使用機(ji)械(xie)感測(ce)。例(li)如(ru)，使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(zu)(GMR)、隧(sui)道式(shi)磁阻(zu)(TMR)或霍爾效應傳(chuan)(chuan)感器捕獲螺旋槳或葉輪(lun)的(de)(de)(de)運動(dong)，該運動(dong)根據(ju)流量而變化，并(bing)被轉換成數(shu)據(ju)并(bing)傳(chuan)(chuan)遞給測(ce)量單元。因為有活動(dong)部(bu)件(jian)，所以(yi)可(ke)能會(hui)出現磨損和不準確的(de)(de)(de)情(qing)況。

這些儀表的(de)壽命普遍較短(duan)(不(bu)到(dao)7年)，并且不(bu)能(neng)檢測到(dao)低流(liu)量(liang)或小泄漏(lou)。同時(shi)，介(jie)質污染(ran)、污垢積聚(ju)以及部件的(de)結(jie)垢和老(lao)化也會影響測量(liang)精度，很可能(neng)導(dao)致傳(chuan)感器(qi)結(jie)果不(bu)準(zhun)確，因此還需要(yao)定期(qi)對流(liu)量(liang)計進行重新校準(zhun)。圖2所示為(wei)帶有LC傳(chuan)感器(qi)的(de)旋(xuan)轉式水表 。

圖(tu)2：使用(yong)LC傳感器的旋轉式流量計

超聲波傳感避免了上述幾個問題。該傳感技術非常精(jing)確(que)(<±1%)，具有較(jiao)長(chang)使用壽命(> 10年)，可(ke)以方便地檢測(ce)不同成(cheng)分的液體或(huo)氣體，并調整介質和(he)管道(dao)腐蝕(shi)污染的影(ying)響。超聲波儀表(biao)沒有活動部件，因此無(wu)需(xu)重新(xin)校準(zhun)。

用(yong)(yong)于流(liu)量(liang)測量(liang)的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)頻(pin)率(lv)(lv)范圍為100kHz至4MHz。使(shi)用(yong)(yong)一定頻(pin)率(lv)(lv)的(de)電(dian)脈沖信號激發超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)感(gan)器從而(er)產(chan)生(sheng)相應頻(pin)率(lv)(lv)的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)，并(bing)使(shi)用(yong)(yong)同(tong)一聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)輸路徑從兩個(ge)對立的(de)方向(xiang)在不同(tong)時(shi)(shi)段(duan)發射聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)并(bing)測量(liang)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)輸時(shi)(shi)間(jian)(記為上行傳(chuan)(chuan)輸時(shi)(shi)間(jian)和下行傳(chuan)(chuan)輸時(shi)(shi)間(jian),TOF,Time of flight)。通(tong)過計(ji)算(suan)上下行傳(chuan)(chuan)輸時(shi)(shi)間(jian)的(de)絕對時(shi)(shi)間(jian)差，進而(er)計(ji)算(suan)出實際流(liu)量(liang)。

安裝在流(liu)(liu)管內部或(huo)外部的(de)一對或(huo)多對超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器可(ke)以用來測(ce)(ce)量TOF。圖3所示為(wei)簡易的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)測(ce)(ce)量原理和一些常見的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器布置撲。超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器的(de)選擇取決于(yu)待(dai)測(ce)(ce)流(liu)(liu)體的(de)介(jie)質(zhi)類型。通常，待(dai)測(ce)(ce)流(liu)(liu)體為(wei)液體時使(shi)用頻率(lv)大于(yu)等于(yu)1MHz的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器，待(dai)測(ce)(ce)流(liu)(liu)體為(wei)氣體時使(shi)用頻率(lv)小(xiao)于(yu)等于(yu)500kHz的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)傳感(gan)器。

圖(tu)3：超聲波測(ce)量原理和常(chang)見(jian)的超聲波傳感(gan)器布(bu)置(zhi)拓(tuo)撲(pu)

TOF測量(liang)(liang)的(de)(de)精(jing)確度將直接影響流(liu)量(liang)(liang)計量(liang)(liang)的(de)(de)分辨率(lv)和精(jing)度。TOF通常以(yi)皮秒(miao)(miao)(ps)或納秒(miao)(miao)(ns)計量(liang)(liang)，它的(de)(de)主要參數包括零流(liu)量(liang)(liang)漂移(ZFD)、標(biao)準(zhun)偏(pian)差(STD)、最(zui)小和最(zui)大(da)可檢測流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)量(liang)(liang)、流(liu)速、體積(ji)、絕(jue)對值(zhi)(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)表行(xing)業標(biao)準(zhun);最(zui)常見的(de)(de)是國(guo)(guo)際標(biao)準(zhun)化(hua)組(zu)(zu)織(ISO)4064、國(guo)(guo)際法制計量(liang)(liang)組(zu)(zu)織(OIML)R49和歐洲標(biao)準(zhun)(EN)1434。TI的(de)(de)超聲(sheng)波流(liu)量(liang)(liang)表方案能(neng)夠達到符(fu)合標(biao)準(zhun)的(de)(de)高水(shui)平精(jing)度要求。

TI的(de)(de) MSP430FR6047 微控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(MCU)是一款用(yong)于液體計量(liang)的(de)(de)高度集成的(de)(de)片(pian)上系統(SoC)，專門針對使用(yong)超聲(sheng)波(bo)傳感技術測量(liang)精確TOF的(de)(de)需求(qiu)量(liang)身定制(zhi)，具有基于模擬數字轉換器(qi)(qi)(ADC)的(de)(de)波(bo)形捕獲技術。圖4所示為MSP430?MCU和超聲(sheng)波(bo)換能(neng)器(qi)(qi)的(de)(de)連接示意圖。

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

一(yi)對超聲波(bo)換能器可(ke)以直接與MSP430FR6047 MCU集成的(de)(de)(de)(de)超聲波(bo)外設(she)(USS)連(lian)接。USS使用(yong)(yong)高(gao)速8MSPS的(de)(de)(de)(de)Σ-Δ ADC可(ke)以靈活的(de)(de)(de)(de)對每個(ge)傳感器進行(xing)獨立的(de)(de)(de)(de)激勵(li)和響應(ying)捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)。USS再將捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)(de)(de)波(bo)形采(cai)用(yong)(yong)多種數字(zi)信號處(chu)理(li)算法進行(xing)下一(yi)步處(chu)理(li)。MSP430FR6047 MCU中采(cai)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)波(bo)形捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)技術和處(chu)理(li)方(fang)法能夠得到一(yi)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)分辨率(<5ps) —— 對住(zhu)宅和工業應(ying)用(yong)(yong)中的(de)(de)(de)(de)液體(ti)和氣體(ti)流(liu)(liu)量檢測是一(yi)個(ge)突破性系統(tong)設(she)計。

目前大多數超聲波流量(liang)計(ji)(ji)都是電(dian)(dian)池供電(dian)(dian)的(de)(de)(de)，然而基(ji)于MSP430FR6047 MCU的(de)(de)(de)超聲波流量(liang)表(biao)解決方(fang)案(an)的(de)(de)(de)平均耗(hao)電(dian)(dian)量(liang)僅為3 μA，從而能夠達到10多年的(de)(de)(de)使用壽命。此外，您可以輕松地將(jiang)此方(fang)案(an)擴展到熱量(liang)計(ji)(ji)。

用于(yu)流量測量的超(chao)聲波(bo)傳感(gan)集(ji)成(cheng)了以下優勢：尺(chi)寸更小、成(cheng)本更低、精度和穩(wen)定性提高、延長產品(pin)壽命、可與智能電(dian)網連接等(deng)。