一、超聲波TOF測(cè)量技術(shù)原理

超聲波飛行時(shí)間（TOF）技術(shù)通過計(jì)算超聲波發(fā)射與回波接收的時(shí)間差，結(jié)合介質(zhì)聲速特性，實(shí)現(xiàn)液位、流量、濃度等參數(shù)的精準(zhǔn)檢測(cè)。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

◆非接觸式測(cè)量：適用于腐蝕性液體、高溫高壓等復(fù)雜工況。

◆高適應(yīng)性：可穿透透明/半透明介質(zhì)，適配多相流檢測(cè)。

◆高性價(jià)比：相比激光或雷達(dá)方案，成本更低且易于集成。

典型應(yīng)用場(chǎng)景：

液位檢測(cè)：儲(chǔ)罐液位監(jiān)控、水庫水文監(jiān)測(cè)。

流量檢測(cè)：管道內(nèi)液體/氣體流速測(cè)量。

濃度檢測(cè)：溶液濃度分析（如糖度、酸堿度）。

二、瑞盟超聲波TOF方案核心器件解析

1.信號(hào)采集：SAR ADC與Σ-Δ ADC

瑞盟提供兩類ADC芯片，覆蓋高速與高精度需求：

◆SAR ADC系列：

MS5173M/MS5172M：12位分辨率，1MSPS采樣率，低功耗設(shè)計(jì)，適用于快速動(dòng)態(tài)信號(hào)采集。

MS5182N/MS5189N：16位分辨率，200kSPS采樣率，支持差分輸入，抗干擾性強(qiáng)。

◆Σ-Δ ADC系列：

MS5146T/MS5147T/MS5148T：24位超高分辨率，內(nèi)置PGA（可編程增益放大器），噪聲低至1.5μV，適用于微弱信號(hào)檢測(cè)（如低濃度溶液聲速變化）。

2.時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）：MS1030與MS5350

MS1030（兼容MS1022）是一款針對(duì)超聲波流量高精度測(cè)量電路，它具有高精度，高穩(wěn)定性，高效率的特點(diǎn)。它的測(cè)量精度15ps，測(cè)量范圍500ns-4ms@4MHz。在第一波模式情況下，內(nèi)部比較器的offset可編程范圍為±127mV，而且還另外增加了-128/124mV的比較偏置電壓；單向測(cè)量回波最多達(dá) 8個(gè)回波脈沖，內(nèi)嵌順逆流自動(dòng)測(cè)量模式，測(cè)量完成后，順流和逆流的 8個(gè)回波脈沖值及 8個(gè)回波脈沖的和均有獨(dú)立的結(jié)果寄存器。該測(cè)量模式既提高精度，也大大降低了測(cè)量功耗。該電路的封裝管腳和 MS1022完全兼容，客戶在替換上非常便捷。

MS5350是一款高精度時(shí)間測(cè)量電路，它具有高精度，高穩(wěn)定性，高效率的特點(diǎn)；它的測(cè)量精度高達(dá)15PS，測(cè)量范圍在4MHz時(shí)從500nS到16mS，在第一波模式情況下，內(nèi)部比較器的offset可編程范圍為±127mV，而且還另外增加了±64mV的比較偏置電壓；測(cè)量最多 8個(gè)回波脈沖，測(cè)量完成后 8個(gè)回波脈沖值及 8個(gè)回波脈沖的和均有獨(dú)立的結(jié)果寄存器，該測(cè)量模式既提高精度，也大大降低了測(cè)量功耗。

3.模擬前端（AFE）：MS1000TA與MS1011TA

◆MS1000TA（同TDC1000）是一款超聲波測(cè)量模擬前端芯片，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)和消費(fèi)類電子。該芯片具有高度的靈活性，發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)、頻率、增益及信號(hào)閾值均可配置。同時(shí)，接收通道參數(shù)也可以靈活配置，從而適用于不同尺寸容器、不同液體介質(zhì)的測(cè)量。

MS1000TA有多種工作模式，從而最大化地降低功耗，所以它是低功耗流量計(jì)、距離測(cè)量等設(shè)備的理想選擇。MS1000TA內(nèi)置低噪聲放大器，使其在低流量測(cè)量條件下，也可以實(shí)現(xiàn)非常低的噪聲，從而保證皮秒級(jí)的分辨率和精確度。測(cè)量距離最大可達(dá)4毫秒×聲速，發(fā)射通道支持單通道和雙通道，頻率范圍31.25kHz到4MHz，最大可發(fā)射31個(gè)脈沖，接收通道：STOP信號(hào)的抖動(dòng)50ps，內(nèi)置低噪聲運(yùn)放與可編程的放大倍數(shù)運(yùn)放，可通過外接濾波電路方式實(shí)現(xiàn)噪聲濾波，比較器閾值可配置，雙向/單端飛行時(shí)間測(cè)量可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，可選擇長(zhǎng)距離測(cè)量模式或短距離測(cè)量模式，溫度測(cè)量：可接PT1000/500兩種RTD電阻。

◆MS1011TA是一款超聲波測(cè)量模擬前端芯片，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)和消費(fèi)類電子。MS1011有多種工作模式，從而最大化地降低功耗，所以它是低功耗流量計(jì)等設(shè)備的理想選擇。MS1011內(nèi)置低噪聲放大器，使其在低流量測(cè)量條件下，也可以實(shí)現(xiàn)非常低的噪聲，從而保證皮秒級(jí)的分辨率和精確度。測(cè)量距離最大可達(dá)4毫秒×聲速，發(fā)射通道支持單傳感器應(yīng)用，頻率范圍31.25kHz到4MHz，最大可發(fā)射31個(gè)脈沖，接收通道：STOP信號(hào)的抖動(dòng)50ps，內(nèi)置低噪聲運(yùn)放與可編程放大倍數(shù)的運(yùn)放，可通過外接濾波電路方式實(shí)現(xiàn)噪聲濾波，比較器閾值可配置，溫度測(cè)量：可接PT1000/500兩種RTD電阻。

三、技術(shù)方案優(yōu)勢(shì)

全鏈路覆蓋：從超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)理到高精度時(shí)間/模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供完整芯片級(jí)支持。

靈活配置：SAR ADC與Σ-Δ ADC可選，滿足不同場(chǎng)景的速度與精度平衡需求。

工業(yè)級(jí)可靠性：工作溫度范圍-40℃～125℃，符合工業(yè)設(shè)備嚴(yán)苛環(huán)境要求。

四、典型應(yīng)用案例

案例1：化工儲(chǔ)罐液位監(jiān)測(cè)

◆方案設(shè)計(jì)：采用MS1000TA驅(qū)動(dòng)40kHz超聲波探頭，MS5173M進(jìn)行回波信號(hào)數(shù)字化，MS1030實(shí)現(xiàn)時(shí)間差測(cè)量。精度可達(dá)±1mm，支持液位超限報(bào)警功能。

案例2：管道氣體流量測(cè)量

◆方案設(shè)計(jì)：使用MS1011TA調(diào)理多普勒效應(yīng)信號(hào)，MS5148T進(jìn)行24位高精度采樣，結(jié)合MS5350計(jì)算流速。動(dòng)態(tài)范圍達(dá)100:1，適配大流量波動(dòng)場(chǎng)景。

案例3：溶液濃度在線檢測(cè)

◆方案設(shè)計(jì)：基于聲速與濃度相關(guān)性，利用MS5189N采集超聲波傳播時(shí)間，通過算法反推濃度值。支持0.1%濃度分辨率，適用于食品加工與制藥行業(yè)。

五、技術(shù)支持與采購渠道

杭州瑞盟科技有限公司授權(quán)代理商深圳市億旸科技有限公司提供方案定制、樣片申請(qǐng)與批量供應(yīng)服務(wù)。

聯(lián)系人：朱一帆 電話：18126125171 13714033198（微信同號(hào)） 郵箱：709365451@qq.com

結(jié)語

杭州瑞盟通過高性能ADC、TDC與AFE芯片的組合，為超聲波TOF測(cè)量提供高性價(jià)比、高可靠性的解決方案，助力工業(yè)自動(dòng)化與智能傳感設(shè)備升級(jí)。

（注：文中技術(shù)參數(shù)來源于瑞盟科技官網(wǎng)及公開數(shù)據(jù)手冊(cè)，實(shí)際設(shè)計(jì)需以官方技術(shù)文檔為準(zhǔn)。）

審核編輯 黃宇