基于 TOF 的超声波丈量办法是根据上游和下贱方向超声旗子暗记传播韶光的差异来丈量流速。超声波在介质流动方向上的传播速率较快，而在逆流动方向时传播速率较慢。无论换能器放置在管道内还是夹在管道外，此项技能均可正常运用。此丈量办法哀求在两个换能器之间具有直接通路，这就须要仔细选择安装换能器的管道机器布局。如果液体中有气泡涌现，此项技能就失落去了浸染，由于它会对超声波旗子暗记造成重大衰减。
由于超声波旗子暗记在单一介质与在多种稠浊介质中的传播速率不同，因此基于 TOF 的超声技能还可用于剖析介质身分。
超声波流量计配置
基于 TOF 的超声波流量计具有两种布局：插入式和外夹式。插入式流量计属于侵入式，个中传感器安装在管道内并与液体发生打仗；外夹式流量计属于非侵入式，其传感器安装在管外表面上，可穿透管壁进行声波丈量。
插入式呈对角线安装的换能器布局
插入式流量计可以呈对角线安装，让传感器直接相对，如上图所示。或者，超声波也可以通过管道表面反射从发射传感器到达吸收传感器，如下图所示。在大口径流量计运用中，常日采取两对换能器，以提升性能，办理下下图所示大口径旗子暗记衰减较大的问题。
插入式相互反射的换能器布局
几种插入式布局的换能器配置
下图展示了一种外夹式传感器的配置，由于超声波须要穿透管道材料，因此会发生更大幅度的旗子暗记衰减。
外夹式传感器支配
超声波流量计面临的一大紧张寻衅是须要在每小时几升到上万升的大流速范围内保持精度。在一些运用中，另一个寻衅是在 0°C 到 85°C 的温度范围内担保流速精度。由于流体中超声波的速率随流体的温度变革而变革，因此在流体温度发生变革时，传播韶光的差异会给流速丈量带来偏差。一样平常来说，如果不考虑温度，则会产生超过5%的流速打算偏差。为了提高精度，系统将须要安装一个温度传感器。
不过，我们设计一种不须要丈量温度的检测方法。这种方法须要利用上行和下行传播的绝对韶光或 TOF和韶光差来打算该介质的流速。
基于模数转换器(ADC)的处理上风
我们可以利用多种不同的方法来获取上行和下行的翱翔韶光 TOF。一种方法是利用韶光数字转换(TDC)检测旗子暗记的过零点。另一种方法是将模数转换(ADC)采样到换能器吸收的旗子暗记做干系运算。
TDC技能判断旗子暗记的是否超过阈值，然后打算该旗子暗记的过零点，如下图所示。
基于过零的TDC技能
在基于干系性的 ADC 技能中，会采集并存储高下行两路换能器所吸收旗子暗记的完全波形。然后对数据进行处理，确定 TOF 的差值。
基于 ADC 的方法与 TDC 方法比较，具有三大上风：
• 性能。相互干算法还供应抑制噪声的低通滤波。采取 TI MSP430FR6047 MCU 中的低功耗加速器可高效实现这一运算。相互干算法还可以降落3到4倍的由噪音引起的标准差。干系滤波器还可抑制线路噪声等滋扰。
• 旗子暗记幅值变革的鲁棒性。基于相互干算法的技能对吸收旗子暗记的幅值、换能器间的差异及温度变革不敏感。在高流速下，会频繁不雅观测到旗子暗记幅值的变革。当传感器性能随着韶光推移而降落时，鲁棒性将是一项重大上风，由于某些运用流量计的利用寿命会超过 10 年。
• 基于ADC的处理可获取信号包络。得到旗子暗记幅值信息，有助于我们调度传感器频率。同时，您可以利用包络在永劫光范围内的缓慢变革来检测传感器的老化情形。基于 ADC 的方法也适用于自动增益掌握(AGC)。如果传感器增益随韶光呈低落趋势（重申，是由于老化而低落），它能够增强吸收到的旗子暗记。由于基于干系性的算法可以在坚持输出旗子暗记电平的情形下利用放大后的吸收旗子暗记，以是纵然传感器老化，系统性能也不会随着韶光的推移而降落。
相互干算法打算dTOF框图
绝对 TOF 丈量
丈量绝对 TOF 时不须要利用温度传感器和打算水中的声速。有多种方法可以准确打算绝对 TOF。一种方法是打算吸收旗子暗记的包络然后以该包络变革率的最大值处作为计量点。绝对 TOF 便是该包络穿越阈值后的韶光偏移，如下图所示。
ADC采样用于绝对TOF打算的波形和包络，底部窗格给出了初始波形的放大版本
查看TI用于流量计量的超声传感技能
有助于实现高性能的超声波流量计运用功能模块是仿照前端（AFE）的一部分，称为超声波传感办理方案（USS）IP 模块，它独立于 MSP430™ MCU 的中心处理单元（CPU）运行。下图显示了事理框图。超声波传感模块包括通用 USS 电源（UUPS）、电源定序器（PSQ）、可编程脉冲发生器（PPG）、物理驱动器和阻抗匹配网络（PHY）、可编程增益放大器（PGA）、高速锁相环（HSPLL）、sigma-delta 高速（SDHS）ADC 和采集定序器（ASQ）。
超声波传感模块具有自己的电源轨，可以独立于MSP430FR6047 MCU 上的其他模块进行上电和断电。您还可以在不影响器件上任何其他模块的条件下对其进行重置。
超声波传感模块中的阻抗匹配，对在随韶光和水温变革的 deltaTOF 丈量中得到非常低的漂移具有至关主要的浸染。这样也可以检测极低的流速。
TI最新基于 ADC 的超声传感技能能够使智能水流量计具有高精度和高准确性。通过在 MSP430FR6047 MCU 中集成超声波传感模块和低功耗加速器，可以在保持低功耗的同时实现这一性能。请点击阅读原文查看更多资料>>>
（作者：TI MSP430™微掌握器系统和运用工程师Srinivas Lingam）
