超声波传感第 2 部分：动态流体流动

第二部分着眼于测量流体流速而不是物体存在。在这里找到第一部分https://www.eepw.com.cn/article/202510/474945.htm。

感应流体流动

除了基本的物体检测之外，超声波换能器还用于液体和气体流速（速度）的非侵入性、非接触式测量。对于这些应用，传感器在更高的频率下工作，通常高于 200 kHz，以提供所需的测量分辨率。

图 1.超声波流量计的原理是基于声能随着流体流动而传播与逆流传播时的速度差异。（图片：EFunda)

在典型的流量应用中，两个传感器的放置距离已知，如图 1 所示。然后可以计算出声音在两个换能器之间两个方向传播所需的距离和传输时间，因为移动的流体在每个方向上以不同的速度携带超声波能量。

该时间差与管道中液体或气体的速度成正比。确定流速 （Vf） 以以下等式开头：

Vf= K × Δt/TL

其中 K 是所用体积和时间单位的校准系数，Δt 是上游和下游传输时间之间的时间差，TL是零流量传输时间。

当然，在这个基本方程中添加了各种补偿和校正系数，以调整流体温度、传导器和管道之间的角度等。在实践中，超声波流量计需要现实世界的“硬件”和配件，如图 2 所示。

图 2.基于超声波的实际传输时间流量计需要接线原理图未显示的各种配件和连接;请注意双超声波传感器。（图片：电路摘要)

传输时间流量计适用于粘性液体，前提是最小流量时的雷诺数小于 4,000（层流）或高于 10,000（湍流），但它们在这两个区域之间的过渡区域具有显着的非线性。它们通常用于测量石油工业中原油和简单馏分的流量，也广泛用于测量低至 –300°C 的低温液体，以及用于熔融金属流量计——显然是两种极端温度。

请注意，还有另一种基于超声波的流体流量测量方案，它使用多普勒效应和由于流体流量引起的相关频移。然而，这种方法需要能够准确测量频率而不是时间的换能器，并且与所示的传输时间方法相比，在原理和实现上有很大不同。

PUI 提供专为传输时间流体流动应用而设计的超声波传感器。他们的 UTR-18225K-TT 工作频率为 225 ± 15 kHz，具有该应用所需的窄波束角仅为 ±15°，这是更高工作频率的结果之一。该发射/接收传感器的直径为 18 mm，深度为 9 mm，电容为 2200 pF。它可以用 12 V 驱动P-P方波序列和高达 100 VP-P在低占空比下。

它还需要驱动和信号调理电路

基于超声波的检测系统不仅仅是压电传感器本身。需要适当且截然不同的电路来满足传感器在发射模式下的驱动要求，以及在接收模式下进行低电平模拟前端 （AFE） 信号调理。虽然一些用户构建自己的电路，但可以使用 IC 方便地提供基本的驱动和 AFE 功能以及附加功能。

例如，德州仪器 （TI） 的 PGA460 是一款 5.00 mm × 4.40 mm 16 引脚 IC，设计用于 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器等传感器。这款高度集成的系统级IC提供片上超声波传感器驱动器和信号调理器，并包括一个先进的DSP内核，如图3所示。

它具有互补的低侧驱动器对，可以在基于变压器的拓扑中驱动传感器，通过使用升压变压器获得更高的驱动电压，或者在直接驱动拓扑中使用外部高侧 FET 来驱动传感器，以获得更低的驱动电压。模拟前端由一个低噪声放大器和一个可编程时变增益级组成，馈入模拟/数字转换器 （ADC）。数字化信号在DSP内核中进行处理，使用时变阈值进行近场和远场目标检测。

请注意，PGA460 提供的时变增益是某些超声波换能器安装所需的功能，在这些设备中，传输信号及其返回信号都会被它们所穿过的介质衰减。它有助于克服声信号能量在介质（空气、流体如水）中传播时不可避免但事先已知的衰减因子;对于医用超声系统来说，这是一个特别关键的问题。

对于这些中等衰减情况，衰减和传播速度都是已知的，因此可以通过“增加”AFE增益与时间的关系来补偿不可避免的损耗，从而有效地抵消衰减与距离的关系。结果是，无论检测距离如何，系统信噪比 （SNR） 都最大化，并且系统可以处理更宽的接收信号动态范围。

为了进一步探索这些传感器的用途，德州仪器 （TI） 提供了 PGA460PSM-EVM 评估模块，该模块可与图 4 中的 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器配合使用。

图 4.PGA460PSM-EVM 评估模块基于 PGA460，使用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超声波收发器简化了对超声波系统作的探索和研究（图片来源：德州仪器 （TI）)

该模块只需要几个外部组件和一个电源即可运行（图 11）。它由从基于PC的图形用户界面（GUI）接收的命令控制，并将数据返回到GUI以进行显示和进一步分析。除了基本功能和作参数的设置外，它还允许用户显示超声波回波剖面和测量结果。

图 5.PGA460PSM-EVM 评估模块连接到带有 GUI 的 PC，允许用户作和控制传感器并查看关键波形等功能。（图片来源：德州仪器)

结论

压电超声波换能器提供了一种方便有效的方法来感应附近的物体，甚至测量与它们的距离。它们可靠、相对易于应用、对用户安全，并且没有射频频谱或 EMI/RFI 监管问题。在不同的布置中，它们也可用于流体流量的非接触式测量。用于发送和接收功能的接口IC简化了将它们集成到系统中的过程，同时提供了设置作参数的灵活性。