超声波测量原理及常见超声波传感器布置

超声波技术已在民用、医疗和军事应用中有上百年的历史。几乎每个人都经历过医疗超声波技术（如B超）。目前，最新的超声波应用已发展到工业和汽车市场的自动化中。

超声波技术的非接触性质使其成为医疗、制药、军事和工厂用途的绝佳选择。此外，其操作环境也大大超出人们所了解的范围。

流量计量是以每小时升（lph）或加仑/分钟（gpm）为单位测量液体或气体的流量。流量计可用于住宅和工业环境中，包括住宅和工业仪表中的简易功用表（气表、水表、热量计）或危险液体或气体用混合器（石油、采矿、废水处理、油漆、化学品）；见图1和图2。在结构上，流量计包括三个单元：传感器单元、计量单元和通信单元。这些单元或功能块中的每一个都可以是机械式或电子式。

图1&2：住宅和工业应用中的流量计示例

在大部分流量计的设计中，其活动部件都会使用机械感测。例如，使用电感电容器（LC）、巨磁电阻（GMR）、隧道式磁阻（TMR）或霍尔效应传感器捕获螺旋桨或叶轮的运动，该运动根据流量而变化，并被转换成数据并传递给测量单元。因为有活动部件，所以可能会出现磨损和不准确的情况。

这些仪表的寿命普遍较短（不到7年），并且不能检测到低流量或小泄漏。同时，介质污染、污垢积聚以及部件的结垢和老化也会影响测量精度，很可能导致传感器结果不准确，因此还需要定期对流量计进行重新校准。图3所示为带有LC传感器的旋转式水表 。

图3：使用LC传感器的旋转式流量计

超声波传感避免了上述几个问题。该传感技术非常精确（<±1％），具有较长使用寿命（> 10年），可以方便地检测不同成分的液体或气体，并调整介质和管道腐蚀污染的影响。超声波仪表没有活动部件，因此无需重新校准。

用于流量测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。使用一定频率的电脉冲信号激发超声波传感器从而产生相应频率的超声波，并使用同一声波传输路径从两个对立的方向在不同时段发射声波并测量声波传输时间（记为上行传输时间和下行传输时间,TOF,Time of flight）。通过计算上下行传输时间的绝对时间差，进而计算出实际流量。

安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可以用来测量TOF。图4所示为简易的超声波测量原理和一些常见的超声波传感器布置扑。超声波传感器的选择取决于待测流体的介质类型。通常，待测流体为液体时使用频率大于等于1MHz的超声波传感器，待测流体为气体时使用频率小于等于500kHz的超声波传感器。

图4：超声波测量原理和常见的超声波传感器布置拓扑

TOF测量的精确度将直接影响流量计量的分辨率和精度。TOF通常以皮秒（ps）或纳秒（ns）计量，它的主要参数包括零流量漂移（ZFD）、标准偏差（STD）、最小和最大可检测流量、流量、流速、体积、绝对值（Abs）TOF和Delta（Δ）TOF。流量表行业标准；最常见的是国际标准化组织（ISO）4064、国际法制计量组织（OIML）R49和欧洲标准（EN）1434。TI的超声波流量表方案能够达到符合标准的高水平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制器（MCU）是一款用于液体计量的高度集成的片上系统（SoC），专门针对使用超声波传感技术测量精确TOF的需求量身定制，具有基于模拟数字转换器（ADC）的波形捕获技术。图5所示为MSP430™MCU和超声波换能器的连接示意图。

图5：MSP430FR6047和超声波换能器连接示意图

一对超声波换能器可以直接与MSP430FR6047 MCU集成的超声波外设(USS)连接。USS使用高速8MSPS的Σ-Δ ADC可以灵活的对每个传感器进行独立的激励和响应捕获。USS再将捕获的波形采用多种数字信号处理算法进行下一步处理。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕获技术和处理方法能够得到一流的分辨率（<5ps） —— 对住宅和工业应用中的液体和气体流量检测是一个突破性系统设计。

由于目前大多数超声波流量计都是电池供电的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超声波流量表解决方案的平均耗电量仅为3 μA，从而能够达到10多年的使用寿命。此外，您可以轻松地将此方案扩展到热量计。

用于流量测量的超声波传感集成了以下优势：尺寸更小、成本更低、精度和稳定性提高、延长产品寿命、可与智能电网连接等。