超聲波測量原理及常見超聲波傳感器布置

超聲波技術已在民用、醫療和軍事應用中有上百年的歷史。幾乎每個人都經歷過醫療超聲波技術（如B超）。目前，最新的超聲波應用已發展到工業和汽車市場的自動化中。

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

流量計量是以每小時升（lph）或加侖/分鐘（gpm）為單位測量液體或氣體的流量。流量計可用于住宅和工業環境中，包括住宅和工業儀表中的簡易功用表（氣表、水表、熱量計）或危險液體或氣體用混合器（石油、采礦、廢水處理、油漆、化學品）；見圖1和圖2。在結構上，流量計包括三個單元：傳感器單元、計量單元和通信單元。這些單元或功能塊中的每一個都可以是機械式或電子式。

圖1&2：住宅和工業應用中的流量計示例

在大部分流量計的設計中，其活動部件都會使用機械感測。例如，使用電感電容器（LC）、巨磁電阻（GMR）、隧道式磁阻（TMR）或霍爾效應傳感器捕獲螺旋槳或葉輪的運動，該運動根據流量而變化，并被轉換成數據并傳遞給測量單元。因為有活動部件，所以可能會出現磨損和不準確的情況。

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，介質污染、污垢積聚以及部件的結垢和老化也會影響測量精度，很可能導致傳感器結果不準確，因此還需要定期對流量計進行重新校準。圖3所示為帶有LC傳感器的旋轉式水表 。

圖3：使用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，并調整介質和管道腐蝕污染的影響。超聲波儀表沒有活動部件，因此無需重新校準。

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激發超聲波傳感器從而產生相應頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個對立的方向在不同時段發射聲波并測量聲波傳輸時間（記為上行傳輸時間和下行傳輸時間,TOF,Time of flight）。通過計算上下行傳輸時間的絕對時間差，進而計算出實際流量。

安裝在流管內部或外部的一對或多對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類型。通常，待測流體為液體時使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體為氣體時使用頻率小于等于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撲

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

TI的 MSP430FR6047 微控制器（MCU）是一款用于液體計量的高度集成的片上系統（SoC），專門針對使用超聲波傳感技術測量精確TOF的需求量身定制，具有基于模擬數字轉換器（ADC）的波形捕獲技術。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

一對超聲波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(USS)連接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對每個傳感器進行獨立的激勵和響應捕獲。USS再將捕獲的波形采用多種數字信號處理算法進行下一步處理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技術和處理方法能夠得到一流的分辨率（<5ps） —— 對住宅和工業應用中的液體和氣體流量檢測是一個突破性系統設計。

由于目前大多數超聲波流量計都是電池供電的，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，從而能夠達到10多年的使用壽命。此外，您可以輕松地將此方案擴展到熱量計。

用于流量測量的超聲波傳感集成了以下優勢：尺寸更小、成本更低、精度和穩定性提高、延長產品壽命、可與智能電網連接等。