由于超聲波換能器的技術(shù)改進(jìn)，使它們更便宜、更精確、尺寸更小，而且隨處可以買(mǎi)到，因此超聲波技術(shù)在流量測量中得到了廣泛的應用。先進(jìn)的集成模擬電路使得超聲波換能器波形的實(shí)時(shí)捕獲和處理更加容易，從而可以獲得準確的TOF信息。此外，超聲波流量計更精確，尺寸更小，而且沒(méi)有任何活動(dòng)部件，使其成為制造商更換機械式流量計的絕佳選擇。然而，制造商仍然要仔細了解管道設計和換能器安裝定位，以確保超聲波技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)在流量測量中得到充分利用。

 

在工業(yè)市場(chǎng)上，半導體芯片組在機械設備向機電或純電子設備的轉變中發(fā)揮著(zhù)巨大作用。每個(gè)細分市場(chǎng)都可分解為許多應用，芯片制造商會(huì )針對每個(gè)應用而設計特定的產(chǎn)品。

 

任何應用領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步通常都包括一些較小的進(jìn)步，這些技術(shù)進(jìn)步要么是連續的，要么是同時(shí)發(fā)生。例如，應用程序的自動(dòng)化通常需要感測一個(gè)或多個(gè)參數，然后進(jìn)行處理，最終將導致控制和/或通信。技術(shù)先進(jìn)的傳感器可提高一些參數規格，例如更高的性能、更小的尺寸、更低的功耗和成本，以及更高的整體運行效率。在處理、控制類(lèi)型和與外界通信的類(lèi)似技術(shù)改進(jìn)將進(jìn)一步提高這些參數規格。

 

為了使電網(wǎng)更高效、更堅固和更安全，適應現代化需求，這方面的努力將使電子設備使用量的大幅增加，從而為創(chuàng )新、增加功能，以及減小尺寸和成本創(chuàng )造了機會(huì )。節能運動(dòng)要求將傳統電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)融合，形成互聯(lián)電網(wǎng)。智能儀表是電力和能源領(lǐng)域很不可或缺的部分，這一細分領(lǐng)域的全球半導體價(jià)值每年超過(guò)20億美元。智能儀表進(jìn)一步分為電表、水表、燃氣表和供暖儀表。

 

超聲波或超聲技術(shù)已在一些民用、醫療和軍事領(lǐng)域使用了100多年。幾乎每個(gè)人在其一生中都會(huì )用到醫療超聲波技術(shù)。然而，其最近的應用案例是在工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域實(shí)現了自動(dòng)化。我們很驚訝地看到這項技術(shù)在一系列真正多樣化的應用中已經(jīng)占據一席之地。超聲波技術(shù)的無(wú)創(chuàng )（無(wú)腐蝕性）和非接觸式特性使其成為醫療、制藥、軍事和工廠(chǎng)應用的理想選擇。

 

在工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)，可以發(fā)現超聲波技術(shù)用于距離測量、占用檢測、水平檢測、成分分析、流速測量、停車(chē)輔助、著(zhù)陸輔助和后備箱開(kāi)啟輔助等。超聲波傳感器也稱(chēng)為超聲波換能器，可在人類(lèi)聽(tīng)不到的頻率之外工作，其工作頻率在20千赫到幾兆赫茲之間。

 

大多數超聲換能器使用壓電材料制造，當施加電脈沖時(shí)，就產(chǎn)生機械振動(dòng)或超聲波。一些換能器還能夠將機械振動(dòng)轉換回電能。換能器大致分為三種類(lèi)型：

•發(fā)送器將電信號轉換為超聲波。

•接收器將超聲波轉換為電信號。

•收發(fā)器可以發(fā)送和接收超聲波。

對接收到的電信號進(jìn)行后加工處理，就可以得到適合工業(yè)或汽車(chē)應用的相關(guān)的若干分量。其中最常見(jiàn)和最重要的一個(gè)分量就是超聲波飛行時(shí)間（TOF），它是指超聲波從傳感器發(fā)射到目標物體，然后再從物體反射回傳感器的往返時(shí)間估計。這是在智能儀表中使用超聲波技術(shù)的基本原理，用來(lái)測量用水、煤氣或供暖（無(wú)論是侵入式還是非侵入式）的流量，并將消費數據呈現給消費者以方便計費。

 

流量測量是對液體或氣體流量的量化（體積或速度），測量單位類(lèi)似于升/分鐘（或秒或小時(shí)）或平方米/秒。流量計的范圍比較廣泛，從家庭用的簡(jiǎn)單公用儀表（煤氣/水/供暖），到有害液體或氣體（石油、采礦、廢水處理、油漆和化學(xué)品等）的工業(yè)儀表或混合器。

 

在結構上，流量計包括傳感器單元、測量單元和控制/通信單元，這每一個(gè)單元又可進(jìn)一步分為機械或電子。圖1比較了構成傳感器單元的不同類(lèi)型的流量計傳感技術(shù)。超聲波類(lèi)型的流量計具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖1：液體或氣體流量傳感方法的比較
 

采用TOF或超聲波的流量計通過(guò)計算發(fā)射和接收的超聲信號的時(shí)間差（傳播延遲）來(lái)測量流量。為了將其應用于流量測量，設計人員使用一對相同的收發(fā)器型換能器，分別在上游和下游方向上激勵它們。當沿著(zhù)與流體流動(dòng)一致的方向傳播時(shí)，超聲波傳播得較快，而在與流體流動(dòng)相反的方向上，超聲波傳播得較慢。因此，需要至少一對換能器，但有些拓撲結構使用更多換能器。

 

圖2示出了超聲波檢測流量的典型概念，可選擇換能器在管道中的放置位置。

 

超聲波傳感器的選擇取決于需要流速測量的介質(zhì)類(lèi)型。通常，液體傳感使用頻譜中較高頻率的傳感器（> 1 MHz），而氣體介質(zhì)使用頻譜低端（<500 kHz）的傳感器。此外，用于流量測量的超聲波技術(shù)要求任何兩個(gè)換能器之間要有一條直接路徑，這需要對容納換能器的流體管道進(jìn)行仔細的機械構造設計。超聲波技術(shù)在有氣泡的情況下不起作用，因為氣泡可能導致超聲信號的顯著(zhù)衰減。

 

圖2：流量計的超聲波傳感和管道內安裝位置的常見(jiàn)拓撲結構示例

 

圖3示出了一種通用的管道設計，換能器放置在底部，有反射材料以確保超聲波信號能夠在換能器（圖中的XDCR1和XDCR2）之間傳播。

 

圖3：安裝有一對換能器的通用流量管
 

 

其中Δt是TOF，c是在管道內介質(zhì)中傳播的超聲波信號的速度，v是流速，L是管道的傳播長(cháng)度，T12是上游的傳播時(shí)間，T21是下游的傳播時(shí)間。

 

有幾種方法可以確定TOF信息，但所有方法都需要能夠處理?yè)Q能器的輸出。圖4顯示了一種典型輸出。

 

圖4：超聲換能器受到電激勵時(shí)的典型響應

 

對這一波形的處理提供了求解方程1和2所需的信息。有幾種方法可以處理波形，其中包括時(shí)間-數字轉換（TDC）、過(guò)零檢測和波形捕獲等。每種方法都各有利弊。

 

芯片供應商使用各種架構來(lái)解決超聲波流量測量問(wèn)題。有些廠(chǎng)商使用分立模擬元件，后面跟著(zhù)數字處理器。其他廠(chǎng)商則試圖將模擬元件集成到數字處理器中以形成單芯片方案。在波形捕獲方法中，使用快速模擬電路捕獲整個(gè)超聲信號，再使用模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，然后數字信號處理算法即可獲得TOF信息。

 

芯片供應商使用各種架構來(lái)解決超聲波流量測量問(wèn)題。有些廠(chǎng)商使用分立模擬元件，后面跟著(zhù)數字處理器。其他廠(chǎng)商則試圖將模擬元件集成到數字處理器中以形成單芯片方案。在波形捕獲方法中，使用快速模擬電路捕獲整個(gè)超聲信號，再使用模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，然后數字信號處理算法即可獲得TOF信息。

 

由于超聲波換能器的技術(shù)改進(jìn)，使它們更便宜、更精確、尺寸更小，而且隨處可見(jiàn)，因此超聲波技術(shù)在流量測量中得到了廣泛的應用。先進(jìn)的集成模擬電路使得超聲波換能器波形的實(shí)時(shí)捕獲和處理更加容易，從而可以獲得準確的TOF信息。此外，超聲波流量計更精確，尺寸更小，而且沒(méi)有任何活動(dòng)部件，使其成為制造商更換機械式流量計的絕佳選擇。然而，制造商仍然要仔細了解管道設計和換能器安裝定位，以確保超聲波技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)在流量測量中得到充分利用。