超聲波技術已在民用(yòng)、醫(yī)療和(hé)軍事(shì)應用(yòng)中有上(shàng)百年的曆史。幾乎每個人都經曆過醫(yī)療超聲波技術(如B超)。目前，最新的超聲波應用(yòng)已發展到(dào)工(gōng)業和(hé)汽車市場的自(zì)動化中。

超聲波技術的非接觸性質使其成爲醫(yī)療、制藥、軍事(shì)和(hé)工(gōng)廠(chǎng)用(yòng)途的絕佳選擇。此外(wài)，其操作(zuò)環境也(yě)大(dà)大(dà)超出人們所了(le)解的範圍。

流量計(jì)量是以每小(xiǎo)時(shí)升(lph)或加侖/分鐘(zhōng)(gpm)爲單位測量液體或氣體的流量。流量計(jì)可用(yòng)于住宅和(hé)工(gōng)業環境中，包括住宅和(hé)工(gōng)業儀表中的簡易功用(yòng)表(氣表、水(shuǐ)表、熱量計(jì))或危險液體或氣體用(yòng)混合器(石油、采礦、廢水(shuǐ)處理(lǐ)、油漆、化學品);見圖1。在結構上(shàng)，流量計(jì)包括三個單元：傳感器單元、計(jì)量單元和(hé)通信單元。這(zhè)些(xiē)單元或功能(néng)塊中的每一個都可以是機械式或電子式。

圖1：住宅和(hé)工(gōng)業應用(yòng)中的流量計(jì)示例

在大(dà)部分流量計(jì)的設計(jì)中，其活動部件都會(huì)使用(yòng)機械感測。例如，使用(yòng)電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道(dào)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。因爲有活動部件，所以可能(néng)會(huì)出現(xiàn)磨損和(hé)不準确的情況。

這(zhè)些(xiē)儀表的壽命普遍較短(不到(dào)7年)，并且不能(néng)檢測到(dào)低(dī)流量或小(xiǎo)洩漏。同時(shí)，介質污染、污垢積聚以及部件的結垢和(hé)老(lǎo)化也(yě)會(huì)影響測量精度，很(hěn)可能(néng)導緻傳感器結果不準确，因此還需要定期對(duì)流量計(jì)進行重新校準。圖2所示爲帶有LC傳感器的旋轉式水(shuǐ)表 。

圖2：使用(yòng)LC傳感器的旋轉式流量計(jì)

超聲波傳感避免了(le)上(shàng)述幾個問題。該傳感技術非常精确(<±1%)，具有較長使用(yòng)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(hé)管道(dào)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(yòng)于流量測量的超聲波頻率範圍爲100kHz至4MHz。使用(yòng)一定頻率的電脈沖信号激發超聲波傳感器從(cóng)而産生相應頻率的超聲波，并使用(yòng)同一聲波傳輸路徑從(cóng)兩個對(duì)立的方向在不同時(shí)段發射聲波并測量聲波傳輸時(shí)間(記爲上(shàng)行傳輸時(shí)間和(hé)下(xià)行傳輸時(shí)間,TOF,Time of flight)。通過計(jì)算(suàn)上(shàng)下(xià)行傳輸時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間差，進而計(jì)算(suàn)出實際流量。

安裝在流管内部或外(wài)部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用(yòng)來(lái)測量TOF。圖3所示爲簡易的超聲波測量原理(lǐ)和(hé)一些(xiē)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，待測流體爲液體時(shí)使用(yòng)頻率大(dà)于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體爲氣體時(shí)使用(yòng)頻率小(xiǎo)于等于500kHz的超聲波傳感器。

圖3：超聲波測量原理(lǐ)和(hé)常見的超聲波傳感器布置拓撲

TOF測量的精确度将直接影響流量計(jì)量的分辨率和(hé)精度。TOF通常以皮秒(ps)或納秒(ns)計(jì)量，它的主要參數包括零流量漂移(ZFD)、标準偏差(STD)、最小(xiǎo)和(hé)最大(dà)可檢測流量、流量、流速、體積、絕對(duì)值(Abs)TOF和(hé)Delta(Δ)TOF。流量表行業标準;最常見的是國際标準化組織(ISO)4064、國際法制計(jì)量組織(OIML)R49和(hé)歐洲标準(EN)1434。TI的超聲波流量表方案能(néng)夠達到(dào)符合标準的高(gāo)水(shuǐ)平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器(MCU)是一款用(yòng)于液體計(jì)量的高(gāo)度集成的片上(shàng)系統(SoC)，專門(mén)針對(duì)使用(yòng)超聲波傳感技術測量精确TOF的需求量身定制，具有基于模拟數字轉換器(ADC)的波形捕獲技術。圖4所示爲MSP430™MCU和(hé)超聲波換能(néng)器的連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和(hé)超聲波換能(néng)器連接示意圖

一對(duì)超聲波換能(néng)器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外(wài)設(USS)連接。USS使用(yòng)高(gāo)速8MSPS的Σ-Δ ADC可以靈活的對(duì)每個傳感器進行獨立的激勵和(hé)響應捕獲。USS再将捕獲的波形采用(yòng)多種數字信号處理(lǐ)算(suàn)法進行下(xià)一步處理(lǐ)。MSP430FR6047 MCU中采用(yòng)的波形捕獲技術和(hé)處理(lǐ)方法能(néng)夠得到(dào)一流的分辨率(<5ps) —— 對(duì)住宅和(hé)工(gōng)業應用(yòng)中的液體和(hé)氣體流量檢測是一個突破性系統設計(jì)。

目前大(dà)多數超聲波流量計(jì)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爲3 μA，從(cóng)而能(néng)夠達到(dào)10多年的使用(yòng)壽命。此外(wài)，您可以輕松地将此方案擴展到(dào)熱量計(jì)。

用(yòng)于流量測量的超聲波傳感集成了(le)以下(xià)優勢：尺寸更小(xiǎo)、成本更低(dī)、精度和(hé)穩定性提高(gāo)、延長産品壽命、可與智能(néng)電網連接等。