【導(dǎo)讀】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，而且隨處可以買到，因此超聲波技術(shù)在流量測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)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(zhǔn)確的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，而且隨處可以買到，因此超聲波技術(shù)在流量測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)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(zhǔn)確的TOF信息。此外，超聲波流量計(jì)更精確，尺寸更小，而且沒有任何活動(dòng)部件，使其成為制造商更換機(jī)械式流量計(jì)的絕佳選擇。然而，制造商仍然要仔細(xì)了解管道設(shè)計(jì)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(cè)量中得到充分利用。
在工業(yè)市場(chǎng)上，半導(dǎo)體芯片組在機(jī)械設(shè)備向機(jī)電或純電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮著巨大作用。每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)都可分解為許多應(yīng)用，芯片制造商會(huì)針對(duì)每個(gè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)特定的產(chǎn)品。
任何應(yīng)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(xù)的，要么是同時(shí)發(fā)生。例如，應(yīng)用程序的自動(dòng)化通常需要感測(cè)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，然后進(jìn)行處理，最終將導(dǎo)致控制和/或通信。技術(shù)先進(jìn)的傳感器可提高一些參數(shù)規(guī)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(yùn)行效率。在處理、控制類型和與外界通信的類似技術(shù)改進(jìn)將進(jìn)一步提高這些參數(shù)規(guī)格。
為了使電網(wǎng)更高效、更堅(jiān)固和更安全，適應(yīng)現(xiàn)代化需求，這方面的努力將使電子設(shè)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(jī)會(huì)。節(jié)能運(yùn)動(dòng)要求將傳統(tǒng)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(xì)分領(lǐng)域的全球半導(dǎo)體價(jià)值每年超過20億美元。智能儀表進(jìn)一步分為電表、水表、燃?xì)獗砗凸┡瘍x表。
超聲波或超聲技術(shù)已在一些民用、醫(yī)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(yī)療超聲波技術(shù)。然而，其最近的應(yīng)用案例是在工業(yè)和汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)化。我們很驚訝地看到這項(xiàng)技術(shù)在一系列真正多樣化的應(yīng)用中已經(jīng)占據(jù)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(yī)療、制藥、軍事和工廠應(yīng)用的理想選擇。
在工業(yè)和汽車市場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)超聲波技術(shù)用于距離測(cè)量、占用檢測(cè)、水平檢測(cè)、成分分析、流速測(cè)量、停車輔助、著陸輔助和后備箱開啟輔助等。超聲波傳感器也稱為超聲波換能器，可在人類聽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(shù)超聲換能器使用壓電材料制造，當(dāng)施加電脈沖時(shí)，就產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)或超聲波。一些換能器還能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換回電能。換能器大致分為三種類型：
•發(fā)送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。
•接收器將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
•收發(fā)器可以發(fā)送和接收超聲波。
對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行后加工處理，就可以得到適合工業(yè)或汽車應(yīng)用的相關(guān)的若干分量。其中最常見和最重要的一個(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(biāo)物體，然后再?gòu)奈矬w反射回傳感器的往返時(shí)間估計(jì)。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(cè)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(fèi)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給消費(fèi)者以方便計(jì)費(fèi)。
流量測(cè)量是對(duì)液體或氣體流量的量化（體積或速度），測(cè)量單位類似于升/分鐘（或秒或小時(shí)）或平方米/秒。流量計(jì)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(jié)構(gòu)上，流量計(jì)包括傳感器單元、測(cè)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(jī)械或電子。圖1比較了構(gòu)成傳感器單元的不同類型的流量計(jì)傳感技術(shù)。超聲波類型的流量計(jì)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(jì)通過計(jì)算發(fā)射和接收的超聲信號(hào)的時(shí)間差（傳播延遲）來(lái)測(cè)量流量。為了將其應(yīng)用于流量測(cè)量，設(shè)計(jì)人員使用一對(duì)相同的收發(fā)器型換能器，分別在上游和下游方向上激勵(lì)它們。當(dāng)沿著與流體流動(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(duì)換能器，但有些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用更多換能器。
圖2示出了超聲波檢測(cè)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(cè)量的介質(zhì)類型。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(cè)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(duì)容納換能器的流體管道進(jìn)行仔細(xì)的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)。超聲波技術(shù)在有氣泡的情況下不起作用，因?yàn)闅馀菘赡軐?dǎo)致超聲信號(hào)的顯著衰減。
圖2：流量計(jì)的超聲波傳感和管道內(nèi)安裝位置的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例
圖3示出了一種通用的管道設(shè)計(jì)，換能器放置在底部，有反射材料以確保超聲波信號(hào)能夠在換能器（圖中的XDCR1和XDCR2）之間傳播。
圖3：安裝有一對(duì)換能器的通用流量管
其中Δt是TOF，c是在管道內(nèi)介質(zhì)中傳播的超聲波信號(hào)的速度，v是流速，L是管道的傳播長(zhǎng)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(lì)時(shí)的典型響應(yīng)
對(duì)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(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）、過零檢測(cè)和波形捕獲等。每種方法都各有利弊。
芯片供應(yīng)商使用各種架構(gòu)來(lái)解決超聲波流量測(cè)量問題。有些廠商使用分立模擬元件，后面跟著數(shù)字處理器。其他廠商則試圖將模擬元件集成到數(shù)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(hào)，再使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后數(shù)字信號(hào)處理算法即可獲得TOF信息。
芯片供應(yīng)商使用各種架構(gòu)來(lái)解決超聲波流量測(cè)量問題。有些廠商使用分立模擬元件，后面跟著數(shù)字處理器。其他廠商則試圖將模擬元件集成到數(shù)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(hào)，再使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后數(shù)字信號(hào)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，因此超聲波技術(shù)在流量測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)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(zhǔn)確的TOF信息。此外，超聲波流量計(jì)更精確，尺寸更小，而且沒有任何活動(dòng)部件，使其成為制造商更換機(jī)械式流量計(jì)的絕佳選擇。然而，制造商仍然要仔細(xì)了解管道設(shè)計(jì)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(cè)量中得到充分利用。
