第二部分著眼于測量流體流速而不是物體存在。在這里找到第一部分http://cqxgywz.com/article/202510/474945.htm。

感應流體流動

除了基本的物體檢測之外，超聲波換能器還用于液體和氣體流速（速度）的非侵入性、非接觸式測量。對于這些應用，傳感器在更高的頻率下工作，通常高于 200 kHz，以提供所需的測量分辨率。

圖 1.超聲波流量計的原理是基于聲能隨著流體流動而傳播與逆流傳播時的速度差異。（圖片：EFunda)

在典型的流量應用中，兩個傳感器的放置距離已知，如圖 1 所示。然后可以計算出聲音在兩個換能器之間兩個方向傳播所需的距離和傳輸時間，因為移動的流體在每個方向上以不同的速度攜帶超聲波能量。

該時間差與管道中液體或氣體的速度成正比。確定流速 （Vf） 以以下等式開頭：

Vf= K × Δt/TL

其中 K 是所用體積和時間單位的校準系數，Δt 是上游和下游傳輸時間之間的時間差，TL是零流量傳輸時間。

當然，在這個基本方程中添加了各種補償和校正系數，以調整流體溫度、傳導器和管道之間的角度等。在實踐中，超聲波流量計需要現實世界的“硬件”和配件，如圖 2 所示。

圖 2.基于超聲波的實際傳輸時間流量計需要接線原理圖未顯示的各種配件和連接;請注意雙超聲波傳感器。（圖片：電路摘要)

傳輸時間流量計適用于粘性液體，前提是最小流量時的雷諾數小于 4,000（層流）或高于 10,000（湍流），但它們在這兩個區域之間的過渡區域具有顯著的非線性。它們通常用于測量石油工業中原油和簡單餾分的流量，也廣泛用于測量低至 –300°C 的低溫液體，以及用于熔融金屬流量計——顯然是兩種極端溫度。

請注意，還有另一種基于超聲波的流體流量測量方案，它使用多普勒效應和由于流體流量引起的相關頻移。然而，這種方法需要能夠準確測量頻率而不是時間的換能器，并且與所示的傳輸時間方法相比，在原理和實現上有很大不同。

PUI 提供專為傳輸時間流體流動應用而設計的超聲波傳感器。他們的 UTR-18225K-TT 工作頻率為 225 ± 15 kHz，具有該應用所需的窄波束角僅為 ±15°，這是更高工作頻率的結果之一。該發射/接收傳感器的直徑為 18 mm，深度為 9 mm，電容為 2200 pF。它可以用 12 V 驅動P-P方波序列和高達 100 VP-P在低占空比下。

它還需要驅動和信號調理電路

基于超聲波的檢測系統不僅僅是壓電傳感器本身。需要適當且截然不同的電路來滿足傳感器在發射模式下的驅動要求，以及在接收模式下進行低電平模擬前端 （AFE） 信號調理。雖然一些用戶構建自己的電路，但可以使用 IC 方便地提供基本的驅動和 AFE 功能以及附加功能。

例如，德州儀器 （TI） 的 PGA460 是一款 5.00 mm × 4.40 mm 16 引腳 IC，設計用于 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器等傳感器。這款高度集成的系統級IC提供片上超聲波傳感器驅動器和信號調理器，并包括一個先進的DSP內核，如圖3所示。

它具有互補的低側驅動器對，可以在基于變壓器的拓撲中驅動傳感器，通過使用升壓變壓器獲得更高的驅動電壓，或者在直接驅動拓撲中使用外部高側 FET 來驅動傳感器，以獲得更低的驅動電壓。模擬前端由一個低噪聲放大器和一個可編程時變增益級組成，饋入模擬/數字轉換器 （ADC）。數字化信號在DSP內核中進行處理，使用時變閾值進行近場和遠場目標檢測。

請注意，PGA460 提供的時變增益是某些超聲波換能器安裝所需的功能，在這些設備中，傳輸信號及其返回信號都會被它們所穿過的介質衰減。它有助于克服聲信號能量在介質（空氣、流體如水）中傳播時不可避免但事先已知的衰減因子;對于醫用超聲系統來說，這是一個特別關鍵的問題。

對于這些中等衰減情況，衰減和傳播速度都是已知的，因此可以通過“增加”AFE增益與時間的關系來補償不可避免的損耗，從而有效地抵消衰減與距離的關系。結果是，無論檢測距離如何，系統信噪比 （SNR） 都最大化，并且系統可以處理更寬的接收信號動態范圍。

為了進一步探索這些傳感器的用途，德州儀器 （TI） 提供了 PGA460PSM-EVM 評估模塊，該模塊可與圖 4 中的 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器配合使用。

圖 4.PGA460PSM-EVM 評估模塊基于 PGA460，使用 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz 超聲波收發器簡化了對超聲波系統作的探索和研究（圖片來源：德州儀器 （TI）)

該模塊只需要幾個外部組件和一個電源即可運行（圖 11）。它由從基于PC的圖形用戶界面（GUI）接收的命令控制，并將數據返回到GUI以進行顯示和進一步分析。除了基本功能和作參數的設置外，它還允許用戶顯示超聲波回波剖面和測量結果。

圖 5.PGA460PSM-EVM 評估模塊連接到帶有 GUI 的 PC，允許用戶作和控制傳感器并查看關鍵波形等功能。（圖片來源：德州儀器)

結論

壓電超聲波換能器提供了一種方便有效的方法來感應附近的物體，甚至測量與它們的距離。它們可靠、相對易于應用、對用戶安全，并且沒有射頻頻譜或 EMI/RFI 監管問題。在不同的布置中，它們也可用于流體流量的非接觸式測量。用于發送和接收功能的接口IC簡化了將它們集成到系統中的過程，同時提供了設置作參數的靈活性。