基于超声波的水流量设计)
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超声波的多普勒测管道流速流量的发射接收电路以及其信号处理等设计
超声波多普勒测流速流量设计核心超声波传感器收发装置1.1超声波传感器超声波的发射与接收都是通过换能器实现的，换能器的材质、工作频率、晶片直径极大的影响了发射的效率及回波接收的质量，因此选择合适的换能器对于整个系统能否按预期目标工作来说是至关重要的。
1）换能器材质的确定压电换能器，使用的材料有压电单晶体、压电陶瓷、压电半导体、压电高分子聚合物和复合压电材料。
压电换能器以介电损耗小、机电耦合系数比较大和足够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材料，已日趋广泛地用于超声波换能器。
课题选用其中的压电陶瓷超声换能器，有压电性能好，生产和机械加工方便等优点，在各种超声检测中都有广泛的应用。
2）超声波换能器工作频率的选择工作频率的选择需考虑以下因素：●工作频率高，分辨力高，有利于增大信噪比及提取所需信号；●工作频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，声能集中，有利于接收回波；●工作频率增加，声能急剧衰减。
工作频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对测量有利；但工作频率高时，能力衰减大，又对检测不利。
因此，应综合考虑，选择适中的频率。
本课题选择的超声换能器工作频率为1MHz。
3）超声波换能器晶片直径的确定超声波换能器直径D一般为毫米，晶片大小对超声检测具有一定的影响。
晶片直径的选择需考虑以下因素：●晶片直径D增加，半扩散角减小，声束指向性变好，声能集中，对检测有利；●晶片直径D增加，辐射的声能大，换能器扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小；如上所述，换能器晶片直径对声束指向性、远距离扫查范围都有较大的影响。
经过考虑，本课题选择晶片直径D为。
综合考虑，本课题最终确定选用压电陶瓷换能器，其工作频率为1MHz，晶片直径为。
2多普勒法测量原理多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。
超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。
超声波流量计原理
超声波流量计原理以《超声波流量计原理》为标题，写一篇3000字的中文文章一、超声波流量计：超声波流量计是一种用于测量流体流量的仪器，它可以测量液体、气体和蒸汽的流量。
它是一种无接触的测量方式，利用超声波传播的原理，以及它们穿过流体和固体中的传播时间，来测定流量。
超声波流量计包括一个发射器和一个接收器，它们之间可以设置在不同的位置。
当发射器发出超声波时，接收器会接收到发射器发出的声波。
当发射器发出的超声波穿过流体和固体，传播到接收器时，会测定它们的时间差，从而确定流体的流量。
超声波流量计的设计需要考虑到两个主要的基本原理：一是用超声波来测量流体的流动，另一个是超声波的传播速度。
二、超声波的传播速度：超声波的传播速度取决于其穿过的物体的性质，它可以通过固体、液体、蒸气或其他介质而流动。
例如，当超声波在水中传播时，其传播速度可以达到1500m/s。
超声波在水中的传播速度，有一定的温度和压力依赖性。
例如，当温度升高时，超声波的传播速度也会升高，反之亦然。
而升高的压力会导致超声波的传播速度降低。
同样，在流体中的粘度也会影响超声波传播速度。
三、超声波流量计的工作原理：超声波流量计通过发射器发出超声波，当超声波穿过流体和固体传播到接收器时，由于超声波传播速度的变化，可以测定它们的时间差，从而确定流量大小。
超声波流量计装有一个定时器，它能够测量超声波传播的时间。
根据定时器测得的时间差，可以计算出流量的大小，从而得到流量的实时信息。
四、超声波流量计的优点：1、超声波流量计有较高的测量精度，可以测量出较小的流量变化。
2、超声波流量计的无接触测量方式可以避免流体的污染和破坏，使得测量更加精确。
3、超声波流量计的测量可以抵抗压力的变化和温度变化，具有较高的稳定性和重复性。
4、超声波流量计可以长期稳定地工作，且不会造成任何损害。
五、超声波流量计的应用：超声波流量计主要用于各种流体的流量测量，诸如液体、气体和蒸汽等，其应用领域包括：1、用于对液体流量的测量，如水、天然气、油、油产品等；2、用于对气体流量的测量，如空气、煤气、煤粉等；3、用于对蒸汽流量的测量；4、用于工业流体的监测和控制；5、用于燃烧反应器中的流体流量检测；6、用于冶金工业、石油工业和热电厂的流量测量。
超声波流量计的测流原理和应用.
超声波流量计的测流原理和应用1 引言利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。
基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。
2超声波流量计的测量原理超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。
传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。
其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1 时差法测量原理时差法测量流体流量的原理如图1 所示。
它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点, 测量它的顺流传播时间t1 和逆流传播时间t2 的差值, 从而计算流体流动的速度和流量。
图 1 超声波流量计测流原理图设静止流体中声速为c,流体流动速度为v,把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成9角，换能器的距离为L。
从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1 为：从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：一般c>>v，则时差为：单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。
大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。
应用公式(5) 、(6) 可测得流量Q。
以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S 为两声道之间的过水断面面积。
图2多声道超声波流量计测流原理图2.2 多普勒法测量原理多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。
超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。
入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。
由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
超声波流量计量程范围
超声波流量计量程范围
超声波流量计是一种流量测量设备，用于测量液体和气体的流速、流量以及瞬时流量。
它采用了超声波技术，无需插入式流量计，可以测量管道内的任何流体，比如水、汽油、柴油、液化气等。
超声波流量计的量程一般有两种：标准量程和扩展量程。
标准量程的流速范围从0.2m/s至25m/s，流量范围从0.1m3/h至5000m3/h，可以满足大部分常见的应用场合。
扩展量程的流速范围从0.1m/s至100m/s，流量范围从0.1m3/h至10000m3/h，可以满足更高要求的应用场合。
超声波流量计的量程范围可以根据客户的需要而定，也可以根据具体应用场合选择合适的量程范围。
例如，在工业应用中，需要测量的流量范围可以比较大，这时候可以使用扩展量程的超声波流量计；如果是家庭用户消费的流量范围，则可以采用标准量程的超声波流量计。
超声波流量计的量程范围还可以根据环境温度来确定。
当环境温度较低时，可以采用低量程范围；当环境温度较高时，可以采用高量程范围。
超声波流量计的量程范围是非常丰富的，可以根据客户的需求和应用场合，以及环境温度来确定合适的量程范围。
它可以满足不同的
应用需求，是一种非常有效的流量测量设备。
超声波流量计原理
超声波流量计原理
以《超声波流量计原理》为标题，写一篇3000字的中文文章
超声波流量计是一种采用超声波技术测量流体流量的设备，其原理基于定理，即“声速与气体密度和温度有关”。
超声波流量计是按照它们波速的不同而被不同物质所承担，可适用于各种液体、气体流量的测量。
超声波流量计的原理：流体流量的测量，是基于声速的变化而发生的，超声波流量计就是依据这一定理来实现的。
超声波发射器将一束连续的超声波波束发射到流体中，穿过流体后返回一定的时间，此时，流量计中的接收器将接收到同一时间发出的超声波信号，由此可以计算出流体流量。
当超声波发射出去时，由于穿过流体中的液体及气体具有不同的物理特性，会使超声波的传播速度受到影响，从而有效的改变超声波的传播时间。
因此，当超声波发射到流体后，经过距离L时间后，超声波返回到探头所需时间就会改变，即：
时间差＝(L÷声速)×要测量流体流速
其中，L为超声波从发射探头传播到接收探头的距离，声速为流体中超声波的传播速度，流速为流体流量。
超声波流量计采用此原理，将流量信号转换成时间信号，反映流体流量，实现流体流量的测量。
超声波流量计的优点：它的结构简单，不需要接触流体；无论流体的粘度和比重如何，也可以测定；它数据的准确性高，使用方便，可以用于各种管道内流体的流量测量；信号模拟电路设计复杂，稳定
性好。
它可以应用于水处理、电网、化工、液压控制、风电场等领域的流量控制和测量中。
从上面可以看出，超声波流量计具有良好的性能，广泛应用于各类管道内流体的流量控制和测量，是一种比较通用的流量传感器。
它对流量的测量更为准确、可靠、稳定、可靠，能够有效地满足各种流量测量需要。
超声波明渠流量计 原理
超声波明渠流量计原理
超声波明渠流量计是一种用来测量水流量的设备，其工作原理是利用超声波的传播速度与流速之间的关系来计算流量。
超声波明渠流量计由发射器和接收器组成。
发射器发送超声波脉冲，脉冲被水面反射并传回接收器。
通过计算超声波传播的时间，可以确定超声波在水中传播的距离。
根据超声波在水中传播的时间与距离的关系，可以推导出水流速度。
当流速发生变化时，超声波传播的时间也会发生变化，从而可以通过测量时间的差异来计算流速的变化。
通过在明渠中采集多个点的流速数据，可以得到整个明渠截面上的流速分布情况。
进一步积分计算，可以得到明渠中的总流量。
整个过程是自动化完成的，可以实时监测流量变化。
超声波明渠流量计具有测量精度高、响应快、无需直接接触液体等优点，适用于各种不同类型的明渠，如河流、渠道、水库等。
总的来说，超声波明渠流量计利用超声波在水中传播的时间与距离的关系来计算水流速度，并进一步计算流量。
其高精度和实时性使其在水资源管理和水利工程中得到广泛应用。
基于超声波技术的流体流量检测算法研究
基于超声波技术的流体流量检测算法研究在工业控制、环保、交通等领域中，精确地检测流体的流量是比较重要的一项技术任务，对于这个问题的解决，基于超声波技术的流量检测算法逐渐被业界所重视，得到了广泛的应用。
那么，基于超声波技术的流体流量检测算法究竟是如何实现的呢？一、工作原理及应用场景基于超声波技术的流体检测系统可以通过超声波测量流速，从而计算得出流量。
当超声波沿着流体方向传播时，它会遇到来自流体中小颗粒和气泡等散射体的阻挡而发生散射和回声。
在传感器的接收器处，它会接收到超声波反射回来的信号，这个信号同样经过散射体，接收到反射波就能测量出时间差，并通过此来计算出流体流速。
由于基于超声波检测的流量计具有非侵入性、高精度、稳定性和可靠性好等特点，所以被广泛应用于化工、石油化工、水泥、食品和医药等领域。
二、算法探讨基于超声波技术的流量检测算法主要分为单路径、多路径探头和声束式三类。
单路径探头是基于一组超声波波速来测量液体的流速，并计算出液体的流量，这种方法适用于低流速的液体流量测量；多路径探头是基于多组超声波波速来测量液体的流速，并计算出液体的流量，这种方法适用于高流速的液体流量测量；声束式则是探头朝向液体流向，发射出一个宽度很窄的超声波束，如超声波穿过液体时，发生多次反射，进一步测量液体流速。
而这三种方法，均需要对探头进行校准，以达到更加精准的流量测量。
三、应用案例基于超声波技术的流量检测系统被广泛应用于工业领域中。
例如在化工行业中，通过基于超声波技术的流量检测系统，可以控制管道中的管道液体流量，有效提高化工生产的稳定性和生产效率；在自来水、燃气等领域中，基于超声波技术的流量检测系统则可以检测流量，进而精确地计算出平均每户的用水量和用气量，用于确定收费。
四、亟待解决的问题基于超声波技术的流量检测系统在应用中面临一系列挑战。
首先是工作环境复杂，传感器与液体间隔需要求一定距离，而且液体环境中还会有气泡、沉淀物等影响精度的干扰，因此准确获取液体液面高度值成为难点。
超声波流量计的结构原理及流量公式计算
超声波流量计的结构原理及流量公式计算超声波流量计是一种新型流量计，它分为能动型和被动型两大类。
能动型根据工作原理不同又可分为速度差法（超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关)、射束位移法（在流体中传播的超声波束会因流体的流动而产生偏移，此方法宜测高速流体的流量，准确度较低）和多普勒效应法（对液体中心的悬浮物连续发射超声波，测量与流束有关的反射波的频率移动。
此方法适用于液体中含有大量异物和气泡等的场合）。
被动型是测量流动产生的声音，也叫听音法。
本节简要介绍速度差法。
一、超声波概述超声波是一种机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。
20kHz以上频率的机械波称为超声波，其波长较短，近似直线传播，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量容易集中，可形成较大强度，产生剧烈振动，并能引起很多特殊作用。
用来发射和接收超声波的装置称为超声波换能器，超声波换能器可分为发射换能器和接收换能器两大类。
发射换能器是使其他形式的能量转换为超声波的能量，而接收换能器是使超声波的能量转换为其他形式易于检测的能量。
流量测量中常采用压电换能器，制作压电换能器的材料有压电单晶体（如石英）和多晶压电陶瓷（如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等）。
压电片的振动方式有薄片的厚度振动、纵片的长度振动及横片的长度振动等。
二、超声波流量计原理超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关，测得介质流速即可得出流量。
超声波在顺、逆流中传播情况如图5-16所示。
测定传播速度差的方法很多，主要有时间差、相位差和频率差等方法。
超声波在管壁间的传播轨迹如图5 - 17所示。
三、流量公式1-时间差法设静止流体中的声速为c，流体流速为w，流体静止时超声轨迹与管道轴线之间的夹角为θ,管道直径为d，则(1)顺流传播时间为(2)逆流传播时间为式中T —超声波在管壁内和电脉冲信号在电路中传输所产生的滞后时间的总和。
超声波流量计原理
超声波流量计原理流量计是用来测量液体或气体通过管道的流量的仪器，它在工业生产和科学研究中扮演着重要的角色。
超声波流量计是一种利用超声波技术来测量流体流速的仪器，它具有非侵入性、高精度、长期稳定性等优点，在工业和环境监测领域得到广泛应用。
工作原理超声波流量计的工作原理基于多次超声波穿越流体的时间差，从而计算流速。
具体而言，超声波流量计通常包括两个超声波传感器，分别作为发射器和接收器，安装在管道的两侧。
当流体通过管道流动时，发射器向流体发射超声波脉冲，然后接收器接收到经过流体传播的超声波脉冲。
根据发射和接收的时间间隔，可以计算出流速。
超声波在流体中传播速度稳定，且不受流体温度、压力等因素的影响，因此超声波流量计具有较高的测量精度和稳定性。
此外，超声波流量计还可以实现对流体流速的实时监测，并具有较大的测量范围，适用于多种工业流体的测量。
应用领域超声波流量计广泛应用于不同行业，包括化工、石油、制药、食品等领域。
在化工行业中，超声波流量计被用于监测流体在管道中的流速，实现工艺控制和生产管理。
在石油行业，超声波流量计可用于油气管道输送流体的实时监测，确保管道输送的安全和效率。
在制药和食品行业，超声波流量计被用于监测液体在生产过程中的流速，确保产品质量和生产效率。
发展趋势随着科学技术的不断进步，超声波流量计在测量精度、测量范围和使用便捷性方面将继续改进。
未来，超声波流量计可能会进一步应用于智能化生产系统中，实现与其他传感器和控制器的联动，提高工业生产的自动化水平。
同时，超声波流量计的应用领域也将继续扩大，涉及更多的行业和领域。
超声波流量计作为一种先进的流量测量技术，将在工业生产和科学研究中扮演越来越重要的角色，为流体流速的准确测量和控制提供了可靠的技术支持。
基于时差法的超声波流量计的设计
基于时差法的超声波流量计的设计张涛【摘要】超声波管道流量计的研发重点是对超声波在管道液体中顺流和逆流时差的测量,并通过信号处理等办法,将时间信息换算为速度信息,再转换为管道流体所对应的流量信息.采用高精度时差芯片TDC-GP2实现对超声波管道流量计中的声波时间差的测量.论述了时差法超声波管道流量计的基本原理,介绍了TDC-GP2时间测量芯片的功能原理和使用方法,简述了相关硬件电路和系统构成.结合以上原理方法,论证了超声波流量计可行的技术方案;通过对时差法测量原理的研究,设计了相关时差测量电路,以及显示电路、信号处理电路等电路,并完成了设备的调试和组装.超声波流量计可以有效解决非介入式的管道液体、气体等流量的实时测量.%The research priority of ultrasonic flow meter is measuring the time difference between ultrasonic through in the upstream and downstream of a conduit that having iquid flowing.Then the signal processing and other related method will be used to convert the time information into velocity information.Finally,the corresponding flow information of pipeline fluid will be calculated.In the paper,high-precision time measurement chip TDC-GP2 was applied to realize the measurement of time difference by ultrasonic flowmeter.The basic research and measuring principle of the time difference method ultrasonic pipe flow meter were discussed,on the one hand,the functional theory and application method of high-precision time measurement chip TDC-GP2 have been introduced,on the other hand,the corresponding circuit design and system structure analysis have been presented as bining the above principles approach andtheories,the feasible technical proposal of ultrasonic flowmeter has been provided,and based on study of the principle of time difference measurement,the time difference measurement circuit,the display circuit and the signal processing circuit are designed.Ultrasonic flowmeter can effectively solve the pipeline gas liquid,non intrusive real-time flow measurement.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】4页(P124-127)【关键词】TDC-GP2;时差法;超声波流量计;测量精度;测量电路【作者】张涛【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】TH814.92流量测量在现代化工业自动控制领域有着举足轻重的作用。
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目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。
本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。
本设计的主要工作有两个方面：一是硬件设计，二是软件设计。
硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。
结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。
同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。
采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。
在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。
为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。
关键词：超声波时差式超声波流量计低功耗精度目录一、设计目的------------------------- 1二、设计任务与要求--------------------- 32.1设计任务------------------------- 32.2设计要求------------------------- 4三、设计步骤及原理分析 ----------------- 43.1设计方法------------------------- 4 3.2设计步骤------------------------- 53.3设计原理分析---------------------- 8四、课程设计小结与体会 ---------------- 11五、参考文献------------------------- 12- 2 -传感器技术课程设计一、设计目的我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。
在全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有110个，全国城市缺水年总量达60亿立方米。
不仅如此，水资源在全国范围的分布严重不均。
占全国面积三分之一的长江以南地区拥有全国五分之四的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足五分之一的水量，其中西北内陆的水资源量仅占全国的4.6％。
我国多年平均降水量约6万亿立方米，其中54％即3.2万亿立方米左右通过土壤蒸发和植物散布又回到大气中，余下的约有2.8万亿立方米绝大部分形成了地面径流和极少数渗入地下。
这就是我国拥有的淡水资源总量，这一总量低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。
但因人口基数大，人均拥有水资源量是很少的，仅为2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。
专家预测，我国人口在2030年将进入高峰时期，届时人均水资源量大约只有1750立方米，中国将成为严重缺水的国家。
从20世纪70年代以来就开始闹水荒，这不是危言耸听，而是客观存在的事实。
80年代以来，中国的水荒由局部逐渐蔓延至全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重影响。
目前，世界80多个国家和地区约16亿人口面临淡水资源供应不足；25多个国家近 3 亿的人口生活在严重缺水状态。
预计1单相电流跟踪型逆变器到2030 年，全球近40多个国家和地区，约35 亿人口生活在严重缺水状态。
水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高。
面对这种严峻的现状，各国政府都采用相应的制度措施，来应对这一问题，例如采用民用水电的阶梯收费，那么就需要高精度的仪表对流量进行准确的测量，在这种背景下，超声流量计以自身测量方式简单、计量精度高、无接触测量等优点应运而生。
超声流量计可以实现与流体的非接触式的计量，无阻流件，无压力损失，精度高，功耗低，可实现多种流体的(气体、液体以及含少量杂质的流体等)测量，而且具有受干扰较小的优点，但是目前超声流量计的市场价格还比较高，超声流量计的推广受到很大限制。
超声波流量计不仅适用于对生活用水、工业废水及废气等准确计量，而且也适用于粘度较大、杂质含量较高液体的准确计量。
在国外，超声流量计被广泛应用到居民日常生活中，由于价格问题，我国仅在应用在工业领域，而且高精度的超声流量计主要还是靠进口。
研究一种低成本、测量精度高、低功耗的超声流量计有着很好的经济效益和社会效益。
本文对流体状态和超声换能器进行了分析研究，从而为提升超声流量计奠定了理论基础，另外本文从硬件和软件算法的改进来进一步提升计量精度、降低系统功耗，最后采取抗干扰措施来提高系统的稳定性，并提供了低成本、高精度的设计方案。
2传感器技术课程设计二、设计任务与要求2.1设计任务设计是围绕超声流量计精度的提升、功耗的降低进行展开工作的，在精度的提升方面，首先是从超声换能器以及流体状态分析、流速补偿角度来提升计量精度，其次从超声流量计硬件系统角度对传统信号处理部分进行改进；在降低功耗方面，从硬件和软件的角度出发完成整个超声流量计系统功耗的降低。
叙述了课题研究的背景、意义、目前的国内外现状以及发展趋势，以及设计的来源以及内容和安排。
然后对超声流量计做了介绍，包括超声流量计的分类，时差法超声流量计测量原理以及流体状态对超声流量流速的影响，并得到经验修正系数。
在超声换能器的选择上，先对超声换能器做了总体的介绍，分析了换能器参数、换能器晶片的谐振特性及对超声换能器声、电匹配的实现的过程。
对于时差法超声流量计功能的实现，从系统角度分析超声流量计的每个模块的工作原理及实现过程，包括微处理器的选择、计时模块、切换开关以及驱动电路模块、稳压电路模块、电池电量检测模块、信号处理模块等。
对超声流量计功耗的以及精度做了定量分析，所设计的超声波水表的精度主要取决于时间差的测量，为提高时间精度在硬件电路设计时尽量采用高精度的原件，换能器的工作频率于1MHz，在此频率时，分立原件很难有较高的精度，故采用TDC-GP2测时芯片，单次测量的误差在50ps，为水表的精度提供了保障，软件方面，为排除干扰设置阈值检测的有限时间和无效时间。
功3单相电流跟踪型逆变器耗方面选用低功耗的芯片，并用软件在相应时间关断放大器等器件，保证水表在B级精度范围内。
此外，要了解超声波的产生与传播及其原理，包括什么是超声波和超声波的传播特点，然后讲述了超声波传感器的结构与原理及其应用，包括压电效应，超声波直式换能器，超声波检测原理等。
2.2设计要求（1）选择用超声波传感器测水流量的方法，即超声波流量计。
（2）知道超声波流量计的分类及应用特点。
（3）要求超声流量计精度要高、功耗要低，在精度的提升方面，首先是从超声换能器以及流体状态分析、流速补偿角度来提升计量精度，其次从超声流量计硬件系统角度对传统信号处理部分进行改进以降低功耗。
（4）本设计采用时差法超声波流量计，掌握其原理，测量及应用特点。
三、设计步骤及原理分析3.1设计方法3.1.1流量的基本概念流体在单位时间流过管道或设备的某处截面的数量称为流量。
流过的数量按体积计算的称为体积流量，(或容积流量)用符号Q表示;按质量计算的称为质量流量，用符号G表示。
设流体通过管道或设备某处横截面积中的某以微小面积为dF，并将通过该微小面积的流量取为v，则通过微小面积dF的体积流量4传感器技术课程设计5dQ 为dQ=vdf (2.1) 根据式(2.l)，可求出流过横截面的体积流量⎰=vdF Q (2.2) 如果所截面上的各点流速相同，则从式(2.2)可知体积流量 Q=vF (2.3) 事实上界面上的各点速度并不相等，因此引入平均流速的概念v=Q/f (2.4)质量流量G 可用体积流量Q 和流体的密度户之积来表示G=QP （2.5）某段时间内流过的流体的总量称为累积流量，等于在该时间内对时间积分。
与累积流量相对应的流量称为瞬时流量。
3.1.2超声波流量计的基本概念超声波流量检测是超声应用的一种，主要是声速测量技术的应用。
超声波在流动的流体中传播时就会载上流体流速的信息，超声波在运动的流体中传播与在静态流体中比较时，相对于管道壁(视为固定坐标系)，波束的某些物理特性会发生变化，在静态的基础上又增加了流体流速的信息，因此通过接收到的超声波信号就可以检测出流体的流速，进而换算成流量。
3.2设计步骤3.2.1 超声波换能器单相电流跟踪型逆变器超声的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超生换能器，也即超声传感器，是超声流量计中的重要组成部分。
通常所说的超生换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件和装置。
换能器处在发射状态时，将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转化为电能。
3.2.2 超声波发射电路超声波发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。
驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。
发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。
本设计中采用的是由单片机发出的方波，单片机P3.7输出方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。
另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联。
用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN 输出高电平的驱动能力。
另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间，下图为超声波发射部分电路图。
6传感器技术课程设计7图1 超声波发射电路3.2.3 超声波接收电路超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A 处理两部分。
超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。
由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过CX20106A 处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断，下图为超声波接收部分电路图。
图2 超声波接收电路单相电流跟踪型逆变器8 3.2.4 换能器的安装换能器的安装选择V 型结构，如图4所示，V 型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在现在国际流行的两个换能器安装在同一侧的设计。
所以我们的换能器将采用单通道V 字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，单通道形式可以消除由双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中反射引起的对测量的干扰。