ZHCAAZ2 October 2020 MSP430FR5041 , MSP430FR5043 , MSP430FR6005 , MSP430FR6007 , MSP430FR6041 , MSP430FR6043 , MSP430FR6045 , MSP430FR6047

1 引言

現(xiàn)有的氧濃度傳感器通常基于電化學(xué)或鋯技術(shù)。雖然這是一項成熟的技術(shù)，但近期的技術(shù)趨勢是提高集成度、減小尺寸和降低功耗，因此，設(shè)備制造商開始尋找可更好地滿足這些新要求的其他實現(xiàn)方式。超聲波傳感器使用壽命長，不需要像電化學(xué)或鋯傳感器那樣每 1-3 年更換或重新校準(zhǔn)一次。此技術(shù)不僅限于氧感應(yīng)，它還可以用于其他氣體，如氮氣、氫氣、一氧化二氮、二氧化碳、氬氣和氦氣。這些傳感器常見于通風(fēng)機(jī)、濃縮器和燃燒監(jiān)測器中。

TI 的 MSP430FR6043 超聲波感應(yīng)解決方案可在從小于 1LPM 到大于 190LPM 的流量范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度，測量周期小于 10ms，提高了脈沖氧氣應(yīng)用的精度。

超聲波濃度感應(yīng)依賴于氣體介質(zhì)的聲速與其摩爾量之間的關(guān)系（請參閱Equation3）。這個原理可以外推到二元氣體組分。如果存在的兩種氣體的摩爾量是已知的（在本應(yīng)用中簡化為氧氣和氮氣），則可以從混合樣品的特定聲速中提取每種氣體的體積濃度（請參閱Equation4）。

Equation1.

Equation2.

Equation3.

Equation4.

C = 氣體介質(zhì)中的聲速	M_O2 = 摩爾量，約為 32
k = 特定熱容比，對于空氣約為 1.4	M_N = 摩爾量，約為 28
R = 通用氣體常數(shù)	? = 體積濃度
T = 溫度，在此示例中約為 295.85 K	L = 傳感器距離，在此示例中約為 4.4cm
M = 混合氣體的摩爾量	V = 氣流速度

二元混合氣體中的聲速是使用 TOF 方程 (1) 確定的。對于低流速應(yīng)用，例如制氧機(jī)或流速為 1LPM – 15LPM 的 CPAP 機(jī)器中的應(yīng)用，氣流速度 V 可忽略不計。在這些情況下，C >> V。

TI 的超聲波感應(yīng)技術(shù)包括一種基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的交叉相關(guān)方法，使用頻率信息來確定超聲波飛行時間，其精度比現(xiàn)有的基于 TDC 的技術(shù)高得多。如需詳細(xì)了解此獨特算法的工作原理以及 TI 的超聲波感應(yīng)子系統(tǒng) (USS)，請參閱 TIDM-02003。

TI 的超聲波感應(yīng)子系統(tǒng)支持單芯片解決方案，該解決方案可連接到超聲波換能器以及運算放大器和多路復(fù)用器，以進(jìn)行高分辨率流量測量。TI 的 USS 與低功耗加速器 (LEA) 和 MSP CPU 集成在一起，可實現(xiàn)平均電流消耗小于 20μA（每秒測量一次）的自主低功耗運行。

TI 的超聲波感應(yīng)子系統(tǒng)（如圖 1-1 所示）包括一個可編程脈沖發(fā)生器 (PPG) 和一個帶有可編程增益放大器 (PGA) 的高速 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該放大器可以自主激發(fā)和捕獲超聲波波形，以便通過集成式低功耗加速器 (LEA) 進(jìn)行后續(xù)處理。

圖 1-1 超聲波管

該超聲波子系統(tǒng)（如圖 1-1 所示）首先激發(fā)連接到 CH0_OUT 的“上行”換能器，同時捕獲來自連接到 CH0_IN 的“下行”換能器的波形。隨后，它激發(fā)連接到 CH1_OUT 的“下行”換能器，同時捕獲來自連接到 CH1_IN 的“上行”換能器的波形。然后，低功耗加速器處理這些波形，來確定上行飛行時間與下行飛行時間之間的差值。