液位传感、流量传感和流体识别应用的超声波传感基础
液位传感、流量传感和流体识别应用的超声波传感基础
在世界各地的许多市场，如工业和制造业、汽车、医疗、能源和智能电网应用，对准确可靠传感器的需求正在增长。这些传感器的设计者和最终用户正在依靠使用更少功率、提供更高精度的新技术，这些技术将消除移动部件，并允许在偏远地区和不太理想的条件下进行传感。
传感器技术最有效的领域之一是超声波，这是一门测量发送和接收超声波信号之间的时间间隔的科学，通常被称为“飞行时间”（TOF）。
本应用说明介绍了德州仪器超声波传感解决方案（TDC1000和TDC7200）如何应用于液位传感、流量传感和流体识别等热门应用。
超声波传感原理的一般理论
对于液位、流体识别和距离应用中的单个传感器，TDC1000 AFE会激励传感器，并在回波返回后检测回波，如图1所示。AFE通过一系列脉冲和频率在kHz到MHz范围内的脉冲来激励换能器。TDC1000允许最大31个脉冲激励传感器，其频率范围从31.25 kHz到4 MHz。
传感器的激励用START脉冲标记，而回波用STOP脉冲表示。
START和STOP飞行时间（TOF）之间的时间差表示液位、流体ID/浓度和距离。
图1. 超声波如何用于单传感器测量
对于双换能器应用，如流量计（图2），TDC1000 AFE以俯仰和捕获的方式使用换能器。在这种方法中，换能器A由TDC1000激励，而换能器B充当接收器以产生STOP脉冲。激励脉冲和STOP脉冲之间的飞行时间（TOLAB）表示换能器之间的距离。需要进行差分ToF，即TOFAB–TOFBA，以找到两个换能器之间的介质（水或气体）流量。
图2. 超声波如何用于双传感器测量
关于超声波如何用于液位传感、流体识别、流量计量和距离传感应用的更多信息将在下一节中讨论。
TDC1000：超声波模拟前端和TDC7200：时间数字转换器TI的TDC1000（图3）是一种模拟前端IC，用于驱动传感应用中的超声波换能器。作为TI的首款超声波传感AFE，TDC1000提供了许多关键功能和优势，包括极低的睡眠功率和可编程模式，可实现最低功率的解决方案，提高流量计应用的电池寿命。与配套设备TI的TDC7200时间数字转换器（图4）一起，该解决方案在皮秒范围内为零流量和低流量提供了高水平的精度。
图3.TDC1000框图
图4.TDC7200框图
TDC1000为您提供了针对多个传输脉冲、信号阈值和增益的编程灵活性，以适应多种应用和系统以及不同的储罐或管道尺寸。TI为您提供的最有价值的功能之一是完整的系统解决方案。TI Designs库为您提供完整的参考设计，包括AFE、TDC、MCU、无线、电源和易于实现的测量和传感解决方案的源代码。TI的超声波设计之一是TIDA-00322，这是一种使用超声波的汽车液位/质量测量。
应用1：液位
TDC1000是许多传感应用的理想选择，其中一些最常见的应用涉及流体管理。图5显示了检测容器中液位的示意图。超声波传感器安装在储罐的底部或顶部，以确定液位。
TDC1000，超声波AFE，用1到31个脉冲激励非侵入式换能器。传感器将高频脉冲（通常为1MHz）连续传输到流体中。然后，TDC1000报告波传输到液体表面并反射回传感器所需的飞行时间（TOF）。参考流体中的声速并使用方程TOF=（2*液位）/（流体声速），可以高精度地计算液体表面与传感器的精确距离。
例如，假设换能器安装在水箱底部，TDC1000报告的TOF为1毫秒。
例如，假设换能器安装在水箱底部，TDC1000报告的TOF为1 ms。知道25°C时声音通过水的速度约为1480 m/s，液位可计算为：
TOF=（2*液位）/（流体声速）（1）
液位=（TOF*流体声速）/2（2）
液位=（1ms*1480 m/s）/2（3）
液位=0.74m
图5. 超声波液位测量
应用号2：流体识别/浓缩
现在，让添加到该级别的应用程序中，看看流体识别（ID）是如何工作的。流体ID与液位检测相同，只是传感器通常安装在储罐侧面，如图6所示。
TDC1000再次激励传感器，然后它报告波传输和反射所需的时间。由于确切的距离是已知的，并且飞行时间（TOF）是测量的，因此可以计算通过流体的声速，并对照查找表进行检查以识别流体。
例如，假设储罐的距离为0.1m，TDC1000报告的TOF为134µs，可以计算流体声速为：
TOF=（2*距离）/（流体声速）（5）
流体声速=（2*距离）/（TOF）（6）
流体声速=（2*0.1 m）/（134µs）（7）
流体声速=1490 m/s（8）
使用查找表，知道温度约为25°C，可以计算出储罐内的未知液体是油。
图6.使用超声波进行流体识别/浓缩
应用号3：流量计
另一个关键应用——尤其是在能源市场中——是流量测量。对于这种应用，传感器可以非侵入性地并排安装（图7），也可以以相反的角度安装。
TDC1000激励两个传感器，并报告沿流动方向和逆流动方向传播的传输时间的差异。换能器A在上游循环期间作为发射器操作，在下游循环期间作为接收器操作，并且换能器B在上游循环中作为接收器操作并且在下游循环中作为发射器操作。超声波流量计通过在一对换能器之间交替发射和接收周期并准确测量两个方向的飞行时间（TOF）来工作。
准确度对于零流量测量非常重要，因此皮秒时间捕获至关重要。因此，TDC7200时间-数字转因此，TDC7200时间-数字转换器被引入作为秒表装置。其他不需要皮秒精度的应用程序可以直接使用MCU作为时间-数字转换器。
例如，假设以下参数是已知的：
•管道直径D=5 cm
•换能器之间的长度=10 cm
•TDC1000报告从换能器a到B的飞行时间（TOLAB）为101.3512µs
•TDC1000报告从换能器a到B的飞行时间（TOLAB）为101.3515µs
•25°c时的声速c=1480 m/s
可以使用以下方程计算水通过管道的速度：换器被引入作为秒表装置。
可以使用以下方程将该速度转换为升/小时（l/h）：
图7. 超声波流量计
应用4：距离/接近感测
图8显示了另一个非常流行的超声波传感示例——接近和距离传感。该应用程序的概念与液位检测相同，但现在在空气中而不是在流体中进行测量。
对于这个应用领域，有两个来自德州仪器的设备需要考虑。每个装置（TDC1000和PGA450）的工作原理相似，但各有其独特的优点。简而言之，TDC1000最适合以更高的精度（优于1cm）检测较短距离的物体，而PGA450则非常适合在数米处以厘米的精度检测物体。同样，TDC1000和PGA450 AFE激励传感器，然后传感器将高频（通常为40kHz）传输到空气中。发射的波击中目标物体，然后返回传感器，然后TDC1000报告该飞行时间，并可以计算距离。
例如，假设TDC1000报告的TOF为2 ms，并且知道25°C下空气中的声速约为346 m/s，则物体的距离可以计算为：
TOF=（2*距离）/（声速）（18）
距离=（TOF*声速）/2（19）
距离=（2ms*346 m/s）/2（20）
距离=0.346 m
图8. 使用超声波进行接近/距离感测
结论
液位传感、流体识别、流量计量和距离传感只是TDC系列和TI其他技术的一些应用，它们可以为您带来传感器解决方案中具有高精度和低功耗的完整灵活解决方案。
参考文献链接
https://www.ti.com/lit/an/snaa220a/snaa220a.pdf?ts=1707634042292
