超聲傳感技術利用超聲波的飛行時間（TOF）與管段內介質流速相關，求得超聲波順流和逆流方向傳播的時間差，最終來測量和計算流量。此技術在測量寬流速變化范圍時非常出色，同時能夠處理水和油等液體及空氣與甲烷等氣體。

基于 TOF 的超聲波測量方式是根據上游和下游方向超聲信號傳播時間的差異來測量流速。超聲波在介質流動方向上的傳播速度較快，而在逆流動方向時傳播速度較慢。無論換能器放置在管道內還是夾在管道外，此項技術均可正常應用。此測量方式要求在兩個換能器之間具有直接通路，這就需要仔細選擇安裝換能器的管道機械構造。如果液體中有氣泡出現，此項技術就失去了作用，因為它會對超聲波信號造成重大衰減。

由于超聲波信號在單一介質與在多種混合介質中的傳播速度不同，因此基于 TOF 的超聲技術還可用于分析介質成分。

超聲波流量計配置

基于 TOF 的超聲波流量計具有兩種構造：插入式和外夾式。插入式流量計屬于侵入式，其中傳感器安裝在管道內并與液體發生接觸；外夾式流量計屬于非侵入式，其傳感器安裝在管外表面上，可穿透管壁進行聲波測量。

插入式呈對角線安裝的換能器布局

插入式流量計可以呈對角線安裝，讓傳感器直接相對，如上圖所示。或者，超聲波也可以通過管道表面反射從發射傳感器到達接收傳感器，如下圖所示。在大口徑流量計應用中，通常采用兩對換能器，以提升性能，解決下下圖所示大口徑信號衰減較大的問題。

插入式相互反射的換能器布局

幾種插入式布局的換能器配置

下圖展示了一種外夾式傳感器的配置，由于超聲波需要穿透管道材料，因此會發生更大幅度的信號衰減。

外夾式傳感器部署

超聲波流量計面臨的一大主要挑戰是需要在每小時幾升到上萬升的大流速范圍內保持精度。在一些應用中，另一個挑戰是在 0°C 到 85°C 的溫度范圍內保證流速精度。由于流體中超聲波的速度隨流體的溫度變化而變化，因此在流體溫度發生變化時，傳播時間的差異會給流速測量帶來誤差。一般來說，如果不考慮溫度，則會產生超過5%的流速計算誤差。為了提高精度，系統將需要安裝一個溫度傳感器。

不過，我們設計一種不需要測量溫度的檢測方法。這種方法需要使用上行和下行傳播的絕對時間或 TOF和時間差來計算該介質的流速。

基于模數轉換器（ADC）的處理優勢

我們可以使用多種不同的方法來獲取上行和下行的飛行時間 TOF。一種方法是利用時間數字轉換（TDC）檢測信號的過零點。另一種方法是將模數轉換（ADC）采樣到換能器接收的信號做相關運算。

TDC技術判斷信號的是否超過閾值，然后計算該信號的過零點，如下圖所示。

基于過零的TDC技術

在基于相關性的 ADC 技術中，會采集并存儲上下行兩路換能器所接收信號的完整波形。然后對數據進行處理，確定 TOF 的差值。

基于 ADC 的方法與 TDC 方法相比，具有三大優勢：

? 性能。互相關算法還提供抑制噪聲的低通濾波。采用 TI MSP430FR6047 MCU 中的低功耗加速器可高效實現這一運算。互相關算法還可以降低3到4倍的由噪音引起的標準差。相關濾波器還可抑制線路噪聲等干擾。

? 信號幅值變化的魯棒性。基于互相關算法的技術對接收信號的幅值、換能器間的差異及溫度變化不敏感。在高流速下，會頻繁觀測到信號幅值的變化。當傳感器性能隨著時間推移而降低時，魯棒性將是一項重大優勢，因為某些應用流量計的使用壽命會超過 10 年。

? 基于ADC的處理可獲取信號包絡。獲得信號幅值信息，有助于我們調整傳感器頻率。同時，您可以利用包絡在長時間范圍內的緩慢變化來檢測傳感器的老化情況。基于 ADC 的方法也適用于自動增益控制（AGC）。如果傳感器增益隨時間呈下降趨勢（重申，是因為老化而下降），它能夠增強接收到的信號。由于基于相關性的算法可以在維持輸出信號電平的情況下使用放大后的接收信號，所以即使傳感器老化，系統性能也不會隨著時間的推移而降低。

互相關算法計算dTOF框圖

絕對 TOF 測量

測量絕對 TOF 時不需要使用溫度傳感器和計算水中的聲速。有多種方法可以準確計算絕對 TOF。一種方法是計算接收信號的包絡然后以該包絡變化率的最大值處作為計量點。絕對 TOF 就是該包絡穿越閾值后的時間偏移，如下圖所示。

ADC采樣用于絕對TOF計算的波形和包絡，底部窗格給出了初始波形的放大版本

查看TI用于流量計量的超聲傳感技術

有助于實現高性能的超聲波流量計應用功能模塊是模擬前端（AFE）的一部分，稱為超聲波傳感解決方案（USS）IP 模塊，它獨立于 MSP430? MCU 的中央處理單元（CPU）運行。下圖顯示了原理框圖。超聲波傳感模塊包括通用 USS 電源（UUPS）、電源定序器（PSQ）、可編程脈沖發生器（PPG）、物理驅動器和阻抗匹配網絡（PHY）、可編程增益放大器（PGA）、高速鎖相環（HSPLL）、sigma-delta 高速（SDHS）ADC 和采集定序器（ASQ）。

超聲波傳感模塊具有自己的電源軌，可以獨立于MSP430FR6047 MCU 上的其他模塊進行上電和斷電。您還可以在不影響器件上任何其他模塊的條件下對其進行重置。

超聲波傳感模塊中的阻抗匹配，對在隨時間和水溫變化的 deltaTOF 測量中獲得非常低的漂移具有至關重要的作用。這樣也可以檢測極低的流速。

TI最新基于 ADC 的超聲傳感技術能夠使智能水流量計具有高精度和高準確性。通過在 MSP430FR6047 MCU 中集成超聲波傳感模塊和低功耗加速器，可以在保持低功耗的同時實現這一性能。