超聲波技(jì)術(shù)已在民用、醫(yī)療和(hé)軍事應用中有(yǒu)上(shàng)百年的曆史。幾乎每個(gè)人(rén)都經曆過醫(yī)療超聲波技(jì)術(shù)(如B超)。目前，最新的超聲波應用已發展到工業和(hé)汽車(chē)市場(chǎng)的自動化中。

超聲波技(jì)術(shù)的非接觸性質使其成為(wèi)醫(yī)療、制(zhì)藥、軍事和(hé)工廠用途的絕佳選擇。此外，其操作(zuò)環境也大(dà)大(dà)超出人(rén)們所了解的範圍。

流量計(jì)量是以每小(xiǎo)時(shí)升(lph)或加侖/分鍾(gpm)為(wèi)單位測量液體(tǐ)或氣體(tǐ)的流量。流量計(jì)可(kě)用于住宅和(hé)工業環境中，包括住宅和(hé)工業儀表中的簡易功用表(氣表、水(shuǐ)表、熱量計(jì))或危險液體(tǐ)或氣體(tǐ)用混合器(qì)(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(gè)單元：傳感器(qì)單元、計(jì)量單元和(hé)通(tōng)信單元。這些(xiē)單元或功能塊中的每一個(gè)都可(kě)以是機械式或電(diàn)子式。

圖1：住宅和(hé)工業應用中的流量計(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)使用機械感測。例如，使用電(diàn)感電(diàn)容器(qì)(LC)、巨磁電(diàn)阻(GMR)、隧道(dào)式磁阻(TMR)或霍爾效應傳感器(qì)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(shù)據并傳遞給測量單元。因為(wèi)有(yǒu)活動部件，所以可(kě)能會(huì)出現磨損和(hé)不準确的情況。

這些(xiē)儀表的壽命普遍較短(duǎn)(不到7年)，并且不能檢測到低(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)老化也會(huì)影(yǐng)響測量精度，很(hěn)可(kě)能導緻傳感器(qì)結果不準确，因此還(hái)需要定期對流量計(jì)進行(xíng)重新校(xiào)準。圖2所示為(wèi)帶有(yǒu)LC傳感器(qì)的旋轉式水(shuǐ)表 。

圖2：使用LC傳感器(qì)的旋轉式流量計(jì)

超聲波傳感避免了上(shàng)述幾個(gè)問題。該傳感技(jì)術(shù)非常精确(<±1%)，具有(yǒu)較長使用壽命(> 10年)，可(kě)以方便地檢測不同成分的液體(tǐ)或氣體(tǐ)，并調整介質和(hé)管道(dào)腐蝕污染的影(yǐng)響。超聲波儀表沒有(yǒu)活動部件，因此無需重新校(xiào)準。

用于流量測量的超聲波頻率範圍為(wèi)100kHz至4MHz。使用一定頻率的電(diàn)脈沖信号激發超聲波傳感器(qì)從而産生(shēng)相應頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個(gè)對立的方向在不同時(shí)段發射聲波并測量聲波傳輸時(shí)間(jiān)(記為(wèi)上(shàng)行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān)和(hé)下行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān),TOF,Time of flight)。通(tōng)過計(jì)算(suàn)上(shàng)下行(xíng)傳輸時(shí)間(jiān)的絕對時(shí)間(jiān)差，進而計(jì)算(suàn)出實際流量。

安裝在流管內(nèi)部或外部的一對或多(duō)對超聲波傳感器(qì)可(kě)以用來(lái)測量TOF。圖3所示為(wèi)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(qì)布置撲。超聲波傳感器(qì)的選擇取決于待測流體(tǐ)的介質類型。通(tōng)常，待測流體(tǐ)為(wèi)液體(tǐ)時(shí)使用頻率大(dà)于等于1MHz的超聲波傳感器(qì)，待測流體(tǐ)為(wèi)氣體(tǐ)時(shí)使用頻率小(xiǎo)于等于500kHz的超聲波傳感器(qì)。

圖3：超聲波測量原理(lǐ)和(hé)常見的超聲波傳感器(qì)布置拓撲

TOF測量的精确度将直接影(yǐng)響流量計(jì)量的分辨率和(hé)精度。TOF通(tōng)常以皮秒(miǎo)(ps)或納秒(miǎo)(ns)計(jì)量，它的主要參數(shù)包括零流量漂移(ZFD)、标準偏差(STD)、最小(xiǎo)和(hé)最大(dà)可(kě)檢測流量、流量、流速、體(tǐ)積、絕對值(Abs)TOF和(hé)Delta(Δ)TOF。流量表行(xíng)業标準;最常見的是國際标準化組織(ISO)4064、國際法制(zhì)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夠達到符合标準的高(gāo)水(shuǐ)平精度要求。

TI的 MSP430FR6047 微控制(zhì)器(qì)(MCU)是一款用于液體(tǐ)計(jì)量的高(gāo)度集成的片上(shàng)系統(SoC)，專門(mén)針對使用超聲波傳感技(jì)術(shù)測量精确TOF的需求量身定制(zhì)，具有(yǒu)基于模拟數(shù)字轉換器(qì)(ADC)的波形捕獲技(jì)術(shù)。圖4所示為(wèi)MSP430™MCU和(hé)超聲波換能器(qì)的連接示意圖。

圖4：MSP430FR6047和(hé)超聲波換能器(qì)連接示意圖

一對超聲波換能器(qì)可(kě)以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(USS)連接。USS使用高(gāo)速8MSPS的Σ-Δ ADC可(kě)以靈活的對每個(gè)傳感器(qì)進行(xíng)獨立的激勵和(hé)響應捕獲。USS再将捕獲的波形采用多(duō)種數(shù)字信号處理(lǐ)算(suàn)法進行(xíng)下一步處理(lǐ)。MSP430FR6047 MCU中采用的波形捕獲技(jì)術(shù)和(hé)處理(lǐ)方法能夠得(de)到一流的分辨率(<5ps) —— 對住宅和(hé)工業應用中的液體(tǐ)和(hé)氣體(tǐ)流量檢測是一個(gè)突破性系統設計(jì)。

目前大(dà)多(duō)數(shù)超聲波流量計(jì)都是電(diàn)池供電(diàn)的，然而基于MSP430FR6047 MCU的超聲波流量表解決方案的平均耗電(diàn)量僅為(wèi)3 μA，從而能夠達到10多(duō)年的使用壽命。此外，您可(kě)以輕松地将此方案擴展到熱量計(jì)。

用于流量測量的超聲波傳感集成了以下優勢：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(kě)與智能電(diàn)網連接等。