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超聲波技術已(yi)(yi)在民(min)用、醫療(liao)和(he)(he)軍(jun)事(shi)應用中(zhong)有上百年的(de)(de)歷(li)史。幾乎每個(ge)人都(dou)經(jing)歷(li)過(guo)醫療(liao)超聲(sheng)波技(ji)術(如B超)。目前，最新的(de)(de)超聲(sheng)波應用已(yi)(yi)發展到(dao)工(gong)業和(he)(he)汽車市場的(de)(de)自(zi)動(dong)化(hua)中(zhong)。

超(chao)聲波技術的(de)非(fei)接觸性質使其成為(wei)醫療、制藥、軍(jun)事和工廠用途的(de)絕佳選擇(ze)。此外，其操作環(huan)境也大大超(chao)出人(ren)們所了(le)解(jie)的(de)范(fan)圍。

流量計量是以每小時升(sheng)(lph)或加侖(lun)/分鐘(gpm)為(wei)單(dan)位測(ce)量(liang)液體(ti)(ti)或氣體(ti)(ti)的流(liu)(liu)量(liang)。流(liu)(liu)量(liang)計(ji)可用(yong)于住宅和(he)工(gong)業(ye)環境中，包括(kuo)住宅和(he)工(gong)業(ye)儀表(biao)中的簡(jian)易功用(yong)表(biao)(氣表(biao)、水(shui)表(biao)、熱量(liang)計(ji))或危險液體(ti)(ti)或氣體(ti)(ti)用(yong)混合(he)器(石油(you)(you)、采礦、廢(fei)水(shui)處理(li)、油(you)(you)漆(qi)、化學品(pin));見圖1。在結(jie)構上(shang)，流(liu)(liu)量(liang)計(ji)包括(kuo)三個單(dan)元(yuan)：傳(chuan)感器單(dan)元(yuan)、計(ji)量(liang)單(dan)元(yuan)和(he)通(tong)信(xin)單(dan)元(yuan)。這些單(dan)元(yuan)或功能(neng)塊(kuai)中的每一個都可以是機械式或電子式。

圖1：住(zhu)宅和(he)工業應用(yong)中的流量計示例

在大部(bu)分(fen)流量計(ji)的(de)設計(ji)中(zhong)，其活(huo)動(dong)部(bu)件都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)機械(xie)感測。例如，使(shi)用(yong)電感電容器(LC)、巨(ju)磁電阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或(huo)霍(huo)爾效應傳(chuan)感器捕(bu)獲螺旋槳或(huo)葉(xie)輪的(de)運(yun)動(dong)，該(gai)運(yun)動(dong)根(gen)據(ju)流量而變(bian)化，并被轉(zhuan)換成數據(ju)并傳(chuan)遞給測量單元(yuan)。因為有活(huo)動(dong)部(bu)件，所以可能會(hui)出現磨損和不準確的(de)情(qing)況。

這(zhe)些儀(yi)表(biao)的(de)壽(shou)命普遍較短(不到7年)，并且不能檢測到低流量(liang)或(huo)小泄漏。同時，介質污(wu)染、污(wu)垢(gou)積聚以及部件的(de)結垢(gou)和老化(hua)也(ye)會影響測量(liang)精度，很可(ke)能導(dao)致傳感(gan)器結果不準(zhun)確(que)，因此還需(xu)要定期(qi)對流量(liang)計進(jin)行(xing)重新校準(zhun)。圖2所示為帶有LC傳感(gan)器的(de)旋轉式(shi)水表(biao) 。

圖2：使(shi)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(jing)確(<±1%)，具有(you)較長使用壽命(> 10年)，可以方便地檢測不同成(cheng)分的(de)(de)液體或氣體，并調整介質和管道(dao)腐蝕污染的(de)(de)影響。超聲波儀表沒有(you)活動部件，因此(ci)無(wu)需(xu)重新(xin)校準(zhun)。

用于(yu)流量測(ce)量的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)頻(pin)率范圍為100kHz至4MHz。使(shi)用一定頻(pin)率的(de)電脈沖信號激發(fa)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器從而產生相應頻(pin)率的(de)超聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)，并(bing)使(shi)用同一聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸路徑從兩個對立(li)的(de)方向在不同時(shi)段發(fa)射聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)并(bing)測(ce)量聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸時(shi)間(記(ji)為上行(xing)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸時(shi)間和(he)下行(xing)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸時(shi)間,TOF,Time of flight)。通過計算上下行(xing)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸時(shi)間的(de)絕對時(shi)間差，進而計算出實(shi)際流量。

安裝(zhuang)在(zai)流管內部(bu)或外部(bu)的(de)(de)一(yi)(yi)對或多對超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)(gan)器可以(yi)用來測(ce)量(liang)TOF。圖3所示為簡易的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)測(ce)量(liang)原理(li)和一(yi)(yi)些常見的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)(gan)器布置撲。超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)(gan)器的(de)(de)選(xuan)擇取決于(yu)(yu)(yu)待(dai)(dai)測(ce)流體(ti)的(de)(de)介質類(lei)型(xing)。通常，待(dai)(dai)測(ce)流體(ti)為液體(ti)時使用頻率(lv)大于(yu)(yu)(yu)等于(yu)(yu)(yu)1MHz的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)(gan)器，待(dai)(dai)測(ce)流體(ti)為氣體(ti)時使用頻率(lv)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)等于(yu)(yu)(yu)500kHz的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)傳感(gan)(gan)器。

圖3：超聲波測量原(yuan)理和常見的超聲波傳(chuan)感器布置(zhi)拓撲

TOF測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)精確度(du)(du)將直接影響流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)分(fen)辨率和(he)(he)精度(du)(du)。TOF通常以皮秒(miao)(miao)(ps)或納秒(miao)(miao)(ns)計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)，它的(de)主要(yao)參數包(bao)括零(ling)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)漂(piao)移(yi)(ZFD)、標(biao)準偏差(STD)、最(zui)小和(he)(he)最(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(jue)對值(zhi)(Abs)TOF和(he)(he)Delta(Δ)TOF。流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)表(biao)行業標(biao)準;最(zui)常見的(de)是(shi)國際(ji)(ji)標(biao)準化組織(ISO)4064、國際(ji)(ji)法制計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)組織(OIML)R49和(he)(he)歐洲(zhou)標(biao)準(EN)1434。TI的(de)超聲波(bo)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)表(biao)方(fang)案能夠(gou)達到符合標(biao)準的(de)高水平精度(du)(du)要(yao)求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器(qi)(MCU)是一款用于液(ye)體計量(liang)(liang)的高度(du)集成的片上系(xi)統(SoC)，專門針對使用超(chao)聲波(bo)(bo)傳感技(ji)術(shu)測量(liang)(liang)精確TOF的需求量(liang)(liang)身定(ding)制，具有(you)基(ji)于模擬數字(zi)轉換(huan)器(qi)(ADC)的波(bo)(bo)形捕(bu)獲(huo)技(ji)術(shu)。圖(tu)4所示(shi)為MSP430?MCU和超(chao)聲波(bo)(bo)換(huan)能器(qi)的連接(jie)示(shi)意圖(tu)。

圖4：MSP430FR6047和(he)超(chao)聲波換能器連接(jie)示意圖

一對(dui)超聲(sheng)波(bo)換能(neng)器(qi)可以直接(jie)與MSP430FR6047 MCU集成的(de)超聲(sheng)波(bo)外設(USS)連接(jie)。USS使用(yong)高(gao)速8MSPS的(de)Σ-Δ ADC可以靈活(huo)的(de)對(dui)每個傳感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)獨(du)立的(de)激勵和(he)響應捕(bu)獲(huo)(huo)。USS再(zai)將捕(bu)獲(huo)(huo)的(de)波(bo)形采用(yong)多種(zhong)數(shu)字(zi)信號處(chu)理算法進(jin)行(xing)下(xia)一步處(chu)理。MSP430FR6047 MCU中(zhong)采用(yong)的(de)波(bo)形捕(bu)獲(huo)(huo)技術(shu)和(he)處(chu)理方法能(neng)夠得(de)到(dao)一流的(de)分辨率(<5ps) —— 對(dui)住宅和(he)工(gong)業應用(yong)中(zhong)的(de)液體和(he)氣體流量檢(jian)測(ce)是一個突破(po)性系(xi)統設計。

目(mu)前大多數超(chao)聲(sheng)波流(liu)量計都是電池供電的(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)超(chao)聲(sheng)波流(liu)量表解(jie)決方案(an)的(de)平均耗電量僅為3 μA，從而能夠(gou)達到10多年的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命。此外，您可以輕(qing)松地將此方案(an)擴展到熱量計。

用于流量測量的超(chao)聲波傳感集(ji)成了以下(xia)優(you)勢：尺寸更小、成本更低、精(jing)度(du)和(he)穩定性提高、延長(chang)產品壽命(ming)、可與智能(neng)電網連接等。