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超聲波技術已在(zai)民用、醫療和(he)軍事應用中有上百(bai)年的(de)歷史(shi)。幾乎每個人(ren)都經歷過醫療超(chao)聲(sheng)波技術(如B超(chao))。目前，最(zui)新的(de)超(chao)聲(sheng)波應用已發(fa)展到工(gong)業和(he)汽(qi)車(che)市場的(de)自(zi)動化中。

超聲波(bo)技術(shu)的(de)(de)非接觸(chu)性質(zhi)使其成為醫療、制藥、軍事和工廠用途的(de)(de)絕佳(jia)選擇。此外，其操作(zuo)環境也大大超出人們所(suo)了解的(de)(de)范圍(wei)。

流量計量是以每(mei)小時升(lph)或(huo)加侖/分(fen)鐘(gpm)為單(dan)位測量液體(ti)(ti)或(huo)氣體(ti)(ti)的流量。流量計(ji)(ji)可(ke)用(yong)于住(zhu)宅(zhai)和工業環境中(zhong)，包括住(zhu)宅(zhai)和工業儀(yi)表(biao)中(zhong)的簡(jian)易功用(yong)表(biao)(氣表(biao)、水(shui)表(biao)、熱量計(ji)(ji))或(huo)危險液體(ti)(ti)或(huo)氣體(ti)(ti)用(yong)混合器(石油(you)、采礦、廢水(shui)處理、油(you)漆、化學品);見圖(tu)1。在結構(gou)上，流量計(ji)(ji)包括三個(ge)單(dan)元(yuan)：傳(chuan)感器單(dan)元(yuan)、計(ji)(ji)量單(dan)元(yuan)和通信單(dan)元(yuan)。這些單(dan)元(yuan)或(huo)功能塊(kuai)中(zhong)的每(mei)一(yi)個(ge)都(dou)可(ke)以是機(ji)械(xie)式或(huo)電子(zi)式。

圖(tu)1：住宅和(he)工業(ye)應用中的流(liu)量計示例

在大部(bu)分流(liu)量計(ji)的(de)(de)設計(ji)中，其活動部(bu)件(jian)都會(hui)使用機械(xie)感測。例如(ru)，使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道(dao)式磁阻(TMR)或(huo)霍爾(er)效(xiao)應傳感器捕獲(huo)螺旋(xuan)槳或(huo)葉輪的(de)(de)運動，該運動根據流(liu)量而變化，并(bing)被轉換成數據并(bing)傳遞給測量單(dan)元。因為有(you)活動部(bu)件(jian)，所(suo)以可能(neng)會(hui)出現磨損和(he)不準(zhun)確的(de)(de)情況。

這些儀(yi)表的(de)壽命普遍較短(duan)(不到7年)，并(bing)且不能檢測(ce)到低流(liu)量或小泄漏。同時，介質污染、污垢積聚以及部(bu)件的(de)結(jie)垢和老化也(ye)會影響測(ce)量精度，很可能導致傳感器結(jie)果(guo)不準確，因此還需要(yao)定期對流(liu)量計(ji)進行重新校(xiao)準。圖2所示為帶(dai)有LC傳感器的(de)旋(xuan)轉(zhuan)式(shi)水表 。

圖2：使用LC傳(chuan)感器(qi)的旋轉式流量(liang)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(ju)有較長使用(yong)壽(shou)命(ming)(> 10年(nian))，可以方便(bian)地檢測不同成分的液體或氣體，并調(diao)整介質和管道腐蝕污染的影響。超聲波(bo)儀表沒有活動(dong)部(bu)件，因此(ci)無需重新校準。

用于流量(liang)測量(liang)的超(chao)聲(sheng)波(bo)頻(pin)率范圍(wei)為100kHz至4MHz。使用一定頻(pin)率的電脈沖信(xin)號激發(fa)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器從而產生相應頻(pin)率的超(chao)聲(sheng)波(bo)，并使用同(tong)(tong)一聲(sheng)波(bo)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)路(lu)徑(jing)從兩個對(dui)立的方向在不同(tong)(tong)時段(duan)發(fa)射聲(sheng)波(bo)并測量(liang)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時間(jian)(jian)(記(ji)為上行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時間(jian)(jian)和下(xia)行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時間(jian)(jian),TOF,Time of flight)。通過計算(suan)上下(xia)行(xing)傳(chuan)輸(shu)(shu)(shu)時間(jian)(jian)的絕對(dui)時間(jian)(jian)差，進(jin)而計算(suan)出(chu)實際流量(liang)。

安裝在流(liu)管內部或外部的(de)(de)一(yi)(yi)對或多對超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)器可以用(yong)(yong)來測(ce)量(liang)TOF。圖(tu)3所(suo)示(shi)為簡易的(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)測(ce)量(liang)原理和一(yi)(yi)些常見的(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)器布(bu)置撲。超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)器的(de)(de)選擇取決于(yu)待測(ce)流(liu)體(ti)的(de)(de)介(jie)質類型。通常，待測(ce)流(liu)體(ti)為液體(ti)時(shi)使(shi)用(yong)(yong)頻(pin)率大(da)于(yu)等(deng)于(yu)1MHz的(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)器，待測(ce)流(liu)體(ti)為氣體(ti)時(shi)使(shi)用(yong)(yong)頻(pin)率小于(yu)等(deng)于(yu)500kHz的(de)(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳感(gan)器。

圖(tu)3：超(chao)聲波測量(liang)原理和常(chang)見的超(chao)聲波傳(chuan)感(gan)器(qi)布置拓撲

TOF測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的精確度將直接影(ying)響流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)的分辨(bian)率和精度。TOF通常以皮秒(miao)(ps)或(huo)納秒(miao)(ns)計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)，它的主要參數(shu)包括零流量(liang)(liang)(liang)(liang)漂移(ZFD)、標(biao)(biao)準(zhun)偏差(STD)、最小和最大(da)可檢(jian)測(ce)(ce)流量(liang)(liang)(liang)(liang)、流量(liang)(liang)(liang)(liang)、流速、體積、絕對(dui)值(Abs)TOF和Delta(Δ)TOF。流量(liang)(liang)(liang)(liang)表行業(ye)標(biao)(biao)準(zhun);最常見(jian)的是國(guo)際標(biao)(biao)準(zhun)化組(zu)織(zhi)(ISO)4064、國(guo)際法制計(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)組(zu)織(zhi)(OIML)R49和歐洲標(biao)(biao)準(zhun)(EN)1434。TI的超聲波(bo)流量(liang)(liang)(liang)(liang)表方案能夠達到(dao)符合標(biao)(biao)準(zhun)的高水平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器(qi)(MCU)是(shi)一款(kuan)用于(yu)液體(ti)計(ji)量(liang)的高(gao)度(du)集成的片(pian)上系(xi)統(SoC)，專門針對使用超聲波(bo)傳感技術(shu)測量(liang)精確(que)TOF的需求量(liang)身(shen)定制，具有基于(yu)模擬(ni)數字(zi)轉換(huan)器(qi)(ADC)的波(bo)形捕獲技術(shu)。圖(tu)4所示為(wei)MSP430?MCU和超聲波(bo)換(huan)能器(qi)的連接示意(yi)圖(tu)。

圖4：MSP430FR6047和(he)超聲波(bo)換能器連接示意圖

一(yi)對(dui)超(chao)聲(sheng)波(bo)換能(neng)(neng)器可以直接(jie)與MSP430FR6047 MCU集成(cheng)的超(chao)聲(sheng)波(bo)外(wai)設(she)(USS)連(lian)接(jie)。USS使用(yong)高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活(huo)的對(dui)每個(ge)傳感器進行(xing)(xing)獨立(li)的激勵和(he)響(xiang)應捕獲。USS再將捕獲的波(bo)形(xing)采用(yong)多種數字信號處(chu)(chu)理(li)(li)(li)算法(fa)進行(xing)(xing)下一(yi)步處(chu)(chu)理(li)(li)(li)。MSP430FR6047 MCU中采用(yong)的波(bo)形(xing)捕獲技術(shu)和(he)處(chu)(chu)理(li)(li)(li)方(fang)法(fa)能(neng)(neng)夠得(de)到一(yi)流的分辨率(<5ps) —— 對(dui)住宅和(he)工業(ye)應用(yong)中的液體(ti)和(he)氣體(ti)流量檢測是一(yi)個(ge)突破(po)性(xing)系統設(she)計。

目前大多數超聲波(bo)流量計(ji)都是電池供電的(de)，然而基于MSP430FR6047 MCU的(de)超聲波(bo)流量表(biao)解決(jue)方(fang)案(an)的(de)平均耗電量僅為3 μA，從而能夠達到10多年(nian)的(de)使用壽(shou)命。此(ci)外，您(nin)可(ke)以輕松地將此(ci)方(fang)案(an)擴(kuo)展(zhan)到熱量計(ji)。

用于流(liu)量測量的(de)超聲波傳感集成了(le)以下優勢：尺寸更小(xiao)、成本更低、精度和(he)穩定性提高、延長產品壽命(ming)、可與智能電(dian)網連接等。