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超声波传感器在流量测量中的原理解析

因为超声波换能器的技巧改进,使它们更便宜、更正确、尺寸更小,而且随处可以买到,是以超声波技巧在流量丈量中获得了广泛的利用。先辈的集成模拟电路使得超声波换能器波形的实时捕获和处置惩罚加倍轻易,从而可以得到准确的TOF信息。此外,超声波流量计更正确,尺寸更小,而且没有任何活动部件,使其成为制造商替换机器式流量计的绝佳选择。然而,制造商仍旧要仔细懂得管道设计和换能器安装定位,以确保超声波技巧的所有优点在流量丈量中获得充分使用。

在工业市场上,半导体芯片组在机器设备向机电或纯电子设备的转变中发挥着伟大年夜感化。每个细分市场都可分化为许多利用,芯片制造商会针对每个利用而设计特定的产品。

任何利用领域的技巧进步平日都包括一些较小的进步,这些技巧进步要么是继续的,要么是同时发生。例如,利用法度榜样的自动化平日必要感测一个或多个参数,然落后行处置惩罚,终极将导致节制和/或通信。技巧先辈的传感器可前进一些参数规格,例如更高的机能、更小的尺寸、更低的功耗和资源,以及更高的整体运行效率。在处置惩罚、节制类型和与外界通信的类似技巧改进将进一步前进这些参数规格。

为了使电网更高效、更稳固和更安然,适该今世化需求,这方面的努力将使电子设备应用量的大年夜幅增添,从而为立异、增添功能,以及减小尺寸和资源创造了时机。节能运动要求将传统电网与散播式电网交融,形成互联电网。智能仪表是电力和能源领域很弗成或缺的部分,这一细分领域的举世半导体代价每年跨越20亿美元。智能仪表进一步分为电表、水表、燃气表和供暖仪表。

超声波或超声技巧已在一些夷易近用、医疗和军事领域应用了100多年。险些每小我在其平生中都邑用到医疗超声波技巧。然而,其近来的利用案例是在工业和汽车领域实现了自动化。我们很惊疑地看到这项技巧在一系列真正多样化的利用中已经盘踞一席之地。超声波技巧的无创(无腐蚀性)和非打仗式特点使其成为医疗、制药、军事和工厂利用的抱负选择。

在工业和汽车市场,可以发明超声波技巧用于间隔丈量、占用检测、水平检测、因素阐发、流速丈量、泊车帮助、着陆帮助和后备箱开启帮助等。超声波传感器也称为超声波换能器,可在人类听不到的频率之外事情,其事情频率在20千赫到几兆赫兹之间。

大年夜多半超声换能器应用压电材料制造,当施加电脉冲时,就产活力器振动或超声波。一些换能器还能够将机器振动转换回电能。换能器大年夜致分为三种类型:

•发送器将电旌旗灯号转换为超声波。

•接管器将超声波转换为电旌旗灯号。

收发器可以发送和接管超声波。

对接管到的电旌旗灯号进行后加工处置惩罚,就可以获得得当工业或汽车利用的相关的多少分量。此中最常见和最紧张的一个分量便是超声波飞行光阴(TOF),它是指超声波从传感器发射到目标物体,然后再从物体反射回传感器的来回光阴预计。这是在智能仪表中应用超声波技巧的基滥觞基本理,用来丈量用水、煤气或供暖(无论是侵入式照样非侵入式)的流量,并将破费数据出现给破费者以方便计费。

流量丈量是对液体或气体流量的量化(体积或速率),丈量单位类似于升/分钟(或秒或小时)或平方米/秒。流量计的范围对照广泛,从家庭用的简单公用仪表(煤气/水/供暖),到有害液体或气体(煤油、采矿、废水处置惩罚、油漆和化学品等)的工业仪表或混杂器。

在布局上,流量计包括传感器单元、丈量单元和节制/通信单元,这每一个单元又可进一步分为机器或电子。图1对照了构成传感器单元的不合类型的流量计传感技巧。超声波类型的流量计具有多个优点。

图1:液体或气体流量传感措施的对照

采纳TOF或超声波的流量计经由过程谋略发射和接管的超声旌旗灯号的光阴差(传播延迟)来丈量流量。为了将其利用于流量丈量,设计职员应用一对相同的收发器型换能器,分手在上游和下流偏向上勉励它们。当沿着与流体流动同等的偏向传播时,超声波传播得较快,而在与流体流动相反的偏向上,超声波传播得较慢。是以,必要至少一对换能器,但有些拓扑布局应用更多换能器。

图2示出了超声波检测流量的范例观点,可选择换能器在管道中的放置位置。

超声波传感器的选择取决于必要流速丈量的介质类型。平日,液体传感应用频谱中较高频率的传感器(》 1 MHz),而气体介质应用频谱低端(《500 kHz)的传感器。此外,用于流量丈量的超声波技巧要求任何两个换能器之间要有一条直接路径,这必要对容纳换能器的流体管道进行仔细的机器构造设计。超声波技巧在有气泡的环境下不起感化,由于气泡可能导致超声旌旗灯号的明显衰减。

图2:流量计的超声波传感和管道内安装位置的常见拓扑布局示例

图3示出了一种通用的管道设计,换能器放置在底部,有反射材料以确保超声波旌旗灯号能够在换能器(图中的XDCR1和XDCR2)之间传播。

图3:安装有一对换能器的通用流量管

此中Δt是TOF,c是在管道内介质中传播的超声波旌旗灯号的速率,v是流速,L是管道的传播长度,T12是上游的传播光阴,T21是下流的传播光阴。

有几种措施可以确定TOF信息,但所有措施都必要能够处置惩罚换能器的输出。图4显示了一种范例输出。

图4:超声换能器受到电勉励时的范例相应

对这一波形的处置惩罚供给了求解方程1和2所需的信息。有几种措施可以处置惩罚波形,此中包括光阴-数字转换(TDC)、过零检测和波形捕获等。每种措施都各有利弊。

芯片供应商应用各类架构来办理超声波流量丈量问题。有些厂商应用分立模拟元件,后面随着数字处置惩罚器。其他厂商则试图将模拟元件集成到数字处置惩罚器中以形成单芯片规划。在波形捕获措施中,应用快速模拟电路捕获全部超声旌旗灯号,再应用模数转换器将模拟旌旗灯号转换为数字旌旗灯号,然后数字旌旗灯号处置惩罚算法即可得到TOF信息。

芯片供应商应用各类架构来办理超声波流量丈量问题。有些厂商应用分立模拟元件,后面随着数字处置惩罚器。其他厂商则试图将模拟元件集成到数字处置惩罚器中以形成单芯片规划。在波形捕获措施中,应用快速模拟电路捕获全部超声旌旗灯号,再应用模数转换器将模拟旌旗灯号转换为数字旌旗灯号,然后数字旌旗灯号处置惩罚算法即可得到TOF信息。

因为超声波换能器的技巧改进,使它们更便宜、更正确、尺寸更小,而且随处可见,是以超声波技巧在流量丈量中获得了广泛的利用。先辈的集成模拟电路使得超声波换能器波形的实时捕获和处置惩罚加倍轻易,从而可以得到准确的TOF信息。此外,超声波流量计更正确,尺寸更小,而且没有任何活动部件,使其成为制造商替换机器式流量计的绝佳选择。然而,制造商仍旧要仔细懂得管道设计和换能器安装定位,以确保超声波技巧的所有优点在流量丈量中获得充分使用。

滥觞;互联网

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