Sensor Ultra-Sônico – Tudo O Que Você Precisa Saber!

Sensor Ultra-sônico são utilizados para aplicações de detecção de ultra-som acopladas a líquidos, incluindo detecção de nível, contaminação de fluidos e detecção de identificação, e detecção de fluxo de líquido / gás, o TDC1000 Ultrasonic AFE é o dispositivo recomendado. Normalmente, o TDC1000 é emparelhado com o temporizador digital TDC7200, mas, dependendo da precisão necessária, um microcontrolador como o MSP430 ou algo mais poderoso, como o C2000, pode ser usado no lugar do TDC7200. Todas as garantias oficiais para o TDC1000 e TDC7200 estão disponíveis nas páginas de produtos associadas.

Começando e fluxo de avaliação

Seleção de dispositivo
Para começar a avaliação da família de dispositivos TDC, o primeiro passo é escolher um dispositivo com base na aplicação pretendida. Cada dispositivo da família está listado abaixo com uma breve descrição e aplicações gerais:

TDC1000: http://www.ti.com/product/TDC1000
Detecção do sinal de ultra-som por canal duplo (AFE)

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido / gás

TDC1011: http://www.ti.com/product/TDC1011
Detecção do sinal de ultra-som por canal único (AFE)

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação

TDC7200: http://www.ti.com/product/TDC7200
Conversor de tempo para digital

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido / gás
  • Medição do tempo de voo LIDAR

TDC7201: http://www.ti.com/product/TDC7201
Conversor de tempo para digital com modo combinado para medições de curto período de tempo.

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido / gás
  • Medição do tempo de voo LIDAR

Seleção EVM
Uma vez que um dispositivo ou dispositivos foram escolhidos, o próximo EVM precisa ser selecionado para a avaliação. Existem vários EVMs que incorporam a família de dispositivos TDC para uma variedade de aplicativos listados abaixo:

TDC1000-TDC7200EVM: http://www.ti.com/tool/tdc1000-tdc7200evm

 Inclui o TDC1000 como AFE ultra-sônico, o TDC7200 para medir o tempo de vôo e um MSP430F5528 para configurar os dispositivos TDC e se comunicar com uma GUI do PC. Filtro de passagem de banda adequado para uso com transdutores de 1-2Mhz.

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido (maior precisão)

TDC1000-C2000EVM: http://www.ti.com/tool/tdc1000-c2000evm

Inclui o TDC1000 como AFE ultra-sônico e um microprocessador C2000 para medir o tempo de vôo, configurar o TDC1000 e se comunicar com uma GUI do PC. Tanto o TDC1000 como algumas versões do microcontrolador C2000 são qualificados para uso em aplicações automotivas. Filtro de passagem de banda adequado para uso com transdutores de 1-2Mhz.

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido (menor precisão)
  • Aplicações automotivas

TDC1000-GASEVM: http://www.ti.com/tool/tdc1000-gasevm

Inclui o TDC1000 como AFE ultra-sônico, o TDC7200 para medir o tempo de vôo e um MSP430F5528 para configurar os dispositivos TDC e se comunicar com uma GUI do PC. Também inclui o BSTEVM, que é um cartão-filha que aumenta a tensão de saída do TDC1000 até 30V para uso com transdutores de alta tensão em aplicações acopladas a gás. Este EVM tem a mesma funcionalidade que o TDC1000-TDC7200EVM, no entanto, a faixa de freqüência do filtro de passagem de banda a bordo foi projetada para transdutores de 200-500kHz.

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido (maior precisão)
  • Detecção de fluxo de gás

TDC7200EVM: http://www.ti.com/tool/tdc7200evm

Inclui o TDC7200 em uma boosterpack MSP430. Projetado para ser compatível com a plataforma de lançamento MSP-EXP430F5529LP (deve ser comprado separadamente). Deve ser conectado a um AFE externo para uso em todos os aplicativos listados abaixo:

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido e gás (maior precisão)
  • LIDAR tempo de voo (longa distância)

TDC7201-ZAX-EVM: http://www.ti.com/tool/tdc7201-zax-evm

Inclui o TDC7200 em uma boosterpack MSP430. Projetado para ser compatível com a plataforma de lançamento MSP-EXP430F5529LP (deve ser comprado separadamente). Deve ser conectado a um AFE externo para uso em todos os aplicativos listados abaixo:

  • Detecção de nível de líquido / proximidade
  • Concentração / contaminação líquida / identificação
  • Detecção de fluxo de líquido e gás (maior precisão)
  • LIDAR tempo de voo (curta e longa distância)

Como configuro o meu EVM e monte meu transdutor ultra-sônico?

Cada página EVM acima mencionada inclui um guia completo do usuário para configurar o hardware EVM. Todos os EVM TDC1000 também incluem um transdutor para usar para testes. Para obter melhores resultados no processo de avaliação, é importante montar corretamente o transdutor para garantir um bom acoplamento ao meio que o som irá percorrer. Para o nível de líquido e detecção de concentração, consulte a seguinte nota de aplicação que descreve o método de montagem ideal para o seu transdutor:
Como selecionar e montar transdutores em detecção ultra-sônica para detecção de nível e identificação de fluido: http://www.ti.com/lit/an/snaa266a/snaa266a.pdf

Sensor Ultra-Sônico – Apostila da Texas

Perguntas Frequentes

  1. Qual é a distância mínima e / ou máxima que pode ser medida com o TDC1000?

Tanto a distância mínima como a máxima que podem ser medidas pelo TDC1000 dependem da aplicação específica. A distância máxima é determinada pela velocidade do som no meio que está percorrendo e, em menor grau, a freqüência do som produzido pelo transdutor (as freqüências mais altas se atenuam mais rapidamente e serão mais difíceis de detectar em longas distâncias). O período máximo de escuta para o TDC1000 está definido em 8ms. Para determinar a distância máxima em condições ideais use a seguinte fórmula:

Distância máxima = velocidade do som em média (m / s) * 0,008 segundos / 2

Esta fórmula explica o tempo de ida e volta no caso de um único transdutor ser usado como transmissor e receptor. Por exemplo, a velocidade do som na água é de ~ 1480m / s, de modo que a distância máxima mensurável pelo TDC1000 na água é ~ 5.9m de uma maneira.

A distância mínima mensurável é dependente do transdutor (suas características de frequência e anulação) e o número de impulsos TX selecionados pelo usuário. A frequência do transdutor determinará o período de saída dos impulsos TX pelo TDC1000 e, portanto, o período de tempo que o TDC1000 está transmitindo. Uma vez que os transdutores ultra-sônicos são dispositivos ressonantes, o transdutor continuará a produzir som por um curto período de tempo depois que os impulsos de TX pararam (chamado de espera). Enquanto o transdutor estiver tocando, será mamarcado qualquer sinal de eco recebido e o TDC1000 não poderá registrar um eco de retorno para gerar um sinal STOP. A distância mínima teórica pode ser calculada com a seguinte fórmula:

Tempo mínimo (teórico) = (número de pulsos TX (pelo menos 3)) * (1 / frequência do transdutor) + tempo de espera

Na prática, o tempo mínimo é ainda limitado pelo tempo de apagamento do TDC1000. Para o menor tempo possível de medição do vôo, o TDC1000 deve estar no modo TOF curto. O TDC1000 não começará a receber até que o período de bloqueio TOF curto tenha terminado. O período mínimo de exclusão determina o tempo mínimo de voo, e é definido usando a seguinte fórmula:

Período de apagamento mínimo = 8 * (1 / freqüência do relógio do sistema)
A freqüência máxima do relógio do sistema é 16Mhz, o que equivale a um tempo mínimo de eliminação de 500ns.

O tempo mínimo efetivo que pode ser medido será o maior das duas vezes calculado acima. Finalmente, a distância mínima pode ser calculada usando a seguinte fórmula, juntamente com o tempo mínimo determinado acima:

Distância mínima = velocidade do som em média (m / s) * min. Tempo / 2.

Quais configurações devo usar para o meu sistema?

As configurações específicas necessárias para um determinado sistema dependem inteiramente dos componentes do sistema e dos parâmetros de medição (média, distância esperada, taxa de fluxo, etc.). Uma vez que é impossível fornecer configurações para todos os sistemas possíveis, esta seção fornecerá um fluxo de como configurar o TDC1000 para a medida TOF: quais configurações devem ser alteradas e como elas afetam a seqüência de medição. Para obter a descrição mais detalhada de todas as configurações disponíveis, consulte a folha de dados TDC1000.

  1. Selecione o modo de medição TOF (TOF_MEAS_MODE) dependendo da configuração do aplicativo e transdutor:
  • Modo 0: nível de fluido e identificação. Transmissor transmite e, em seguida, recebe seu próprio sinal.
  • Modo 1: detecção de fluxo. Transdutor 1 transmite e o transdutor 2 recebe. Requer mudança manual de canal
  • Modo 2: sensor de fluxo (preferido). Transdutor 1 transmite e o transdutor 2 recebe. Permite a comutação automática de canais.
  1. Selecione a freqüência de TX dependendo do clock de entrada e da frequência do transdutor:
  • Defina o TX_FREQ_DIV para dividir o relógio de entrada na freqüência correta para o transdutor. Ex: relógio de entrada de 8Mhz com transdutor de 1Mhz.
  • Defina TX_FREQ_DIV para dividir por 8.
  1. Selecione NUM_TX dependendo do alcance necessário e do ponto de saturação do transdutor:
  • Números NUM_TX maiores aumentarão o nível de excitação e pressão sonora (SPL) da saída do transdutor até um ponto. Eventualmente, o transdutor ficará saturado e não produzirá mais SPL, mesmo quando fornecido com mais pulsos de transmissão. Também deve ser tomado cuidado com medidas de curta distância, porque um período de transmissão mais longo pode mascarar o eco de retorno. Esta configuração requer experimentação com o transdutor exato que está sendo usado no sistema.
  1. Escolha o modo TOF curto ou padrão:
    O modo TOF curto é útil para medições de curta distância, onde o eco de recebimento retornaria antes que o modo comum se estabelecesse e os períodos de zeração automática tenham sido concluídos. Ele move essas funções para começar antes que os pulsos de transmissão tenham começado:

O modo TOF padrão permite medidas de distância mais longas com uma faixa mais ampla de comprimentos de período de escuta. Também permite um período de apagamento se o modo de apagamento estiver definido.

 

  1. Escolha o tempo de apagamento, TIMING_REG, o comprimento do período de tempo automático e o tempo de espera do eco para se adequar ao seu alcance de medição desejado:
    Todas as configurações são baseadas no período do relógio de entrada (T0). Para uma gama mais ampla de valores, o relógio de entrada pode ser dividido por 2 (período T0 aumentado 2x) configurando a configuração CLOCKIN_DIV. Consulte os diagramas de tempo acima ao escolher as configurações listadas abaixo.

Tempo de bloqueio:

  • Em breve, o modo TOF configura SHRT_TOF_BLNK_PRD o suficiente para que ele mascara o tempo de inatividade do transdutor, mas suficientemente curto para que ele não mascara o eco de retorno para a menor distância possível medida.
  • No modo TOF padrão com blanking, defina TIMING_REG da mesma maneira que acima, mas tenha em mente que o AUTOZERO_PERIOD e o modo de ajuste do modo comum também aumentam o tempo de apagamento efetivo do modo.

Período Autozero:

  • Em breve, o modo TOF define AUTOZERO para uma configuração baixa para minimizar o tempo total de medição ou para um tempo maior se o tempo de medição total não for crítico.
  • no modo TOF padrão, o AUTOZERO pode ser usado como um ajuste adicional do período de apagamento.

TIMING_REG:

  • Se TIMING_REG estiver configurado para 30 ou inferior ou se o bit FORCE_SHORT_TOF estiver definido para 1, isso permite o modo TOF curto. Caso contrário, o dispositivo está no modo TOF padrão.
  • No modo TOF padrão sem esvaziar o TIMING_REG determina o período de tempo Echo Listen junto com TOF_TIMEOUT_CTRL.
  • No modo TOF padrão com blanking o TIMING_REG determina o comprimento do período de supressão.

Echo timeout:

  • Em todos os modos, a configuração TOF_TIMEOUT_CTRL determina o período de tempo Echo Listen.

 

  1. Defina o ganho de caminho de recebimento e o limiar de qualidade de eco:
  • PGA CTRL: o caminho de recebimento PGA pode ser ativado ou desativado
  • PGA_GAIN: selecione o ganho para o sinal de entrada de 0dB a 21dB. Isso pode ser usado para aumentar o nível do sinal de entrada para trazê-lo dentro da gama de limiares de qualidade de eco disponíveis
  • ECHO_QUAL_THLD: selecione o limite de qualidade de eco para que o eco de retorno acione um sinal STOP, mas o ruído recebido não. Isso é medido em -mV do modo comum (VDD / 2) no pino COMPIN.

  1. Selecione o modo de recebimento e o número de paradas:

MODO DE RECEPÇÃO:

  • O modo de eco único gera uma parada para cada vez que o sinal cruza o limite de qualidade de eco. Veja a figura acima.
  • O modo de eco múltiplo gera uma parada para cada envelope de impulso de eco. Veja a figura abaixo.

 

NUM_RX: determina quantos sinais STOP serão gerados pelo TDC1000

Exemplo:

Aplicação de nível de fluido
Relógio de entrada = 8Mhz (T0 = 0,125us)
TX Freq = 1Mhz
Médio = água (velocidade do som 1480m / s)
Distância mínima = 2cm (~ 27us ida e volta na água)
Distância máxima = 20cm (~ 270us ida e volta na água)
NUM_TX = 5
Set Mode 0 para sensor de nível de fluido
TX_FREQ_DIV = dividir por 8
NUM_TX foi selecionado como 5 com base em distâncias e transdutor
Modo TOF curto selecionado. Pode ser forçado com FORCE_SHORT_TOF definido como 1
Defina CLOCKIN_DIV para dividir por 2 para maior tempo de recebimento (T0 = 0,25us)
Defina o tempo de apagamento. Ringdown será estimado como 2x o período de transmissão. O período de transmissão é NUM_TX * 1 / TX freq = 5us. Transmissão + ringdown = 15us. SHRT_TOF_BLNK_PRD = 64 * T0 = 16us. (menor que a distância mínima, maior que transmit + ringdown)
Defina AUTOZERO_PERIOD como mínimo para o ciclo de medição mais curto 64 * T0 = 16us.
TIMING_REG não é usado. Deixe em 0 para manter o modo TOF curto.
Ajuste TOF_TIMEOUT_CTRL para o máximo. 1024 * T0 = 256us. Transmitir (5us) + blanking (16us) + echo listen (256us) = 277us (maior que a distância máxima)
Definir PGA_CTRL para habilitado e PGA_GAIN para 9dB
Defina ECHO_QUAL_THLD para -125dB
Defina o modo de recepção para o eco múltiplo para detecção de nível
Defina NUM_RX para 1 para um único eco de retorno esperado

 

  1. Como faço para mudar o filtro de passagem de banda no EVM?

O TDC1000-TDC7200EVM está equipado com um filtro passa-banda simples entre os pinos PGAOUT e COMPIN, conforme mostrado no esquema do guia do usuário:

Este filtro está configurado para uma frequência central de aproximadamente 1 Mhz. Para alterar o filtro para se adequar aos transdutores de uma freqüência diferente, consulte a seção “Filtros do Receptor” da folha de dados (seção 8.3.5), por exemplo, equações para calcular novos valores de componentes. Além disso, anexado abaixo é uma simulação TINA da topologia de filtro existente do EVM que pode ser usada para testar as características de transferência de novos componentes de filtro.

 

4. Por que minhas leituras de temperatura estão incorretas na GUI?

Esta situação é causada por pulsos curtos errôneos gerados ao medir a resistência do RTD. O mecanismo e a solução para este comportamento estão descritos na seguinte nota de aplicação:

Medindo um Sensor RTD com o TDC1000 e TDC7200 para detecção ultra-sônica: http://www.ti.com/lit/an/snaa230/snaa230.pdf

Ao medir o valor da temperatura com a GUI TDC1000-TDC7200, certifique-se de que o TEMP_MODE na página TDC1000 esteja configurado para “REF_RTD1_RTD2” e que TEMP_RTD_MODE na página TEMPERATURE esteja configurado para “RTD1 e RTD2”, independentemente de um ou dois RTDs estarem sendo medido naquele momento. A GUI implementa automaticamente a solução alternativa para fornecer a leitura correta para RTD1.

Em breve (Sensor Ultra-sônico):

Qual transdutor devo usar?

Por que não consigo ver o nível do tanque na GUI?

Posso usar o EVM com um microcontrolador externo?

Como posso aumentar a saída de tensão do TDC1000?

Publicações E2E úteis (Sensor Ultra-sônico)

Medições de curta distância no ar (Nível a partir da parte superior): https://e2e.ti.com/support/sensor/ultrasonic/f/991/t/498792

Como realizar detecção de nível de líquido a partir do fundo de um tanque: https://e2e.ti.com/support/sensor/ultrasonic/f/991/t/467713

Webinar de Visão geral do TDC1000: https://e2e.ti.com/support/sensor/ultrasonic/f/991/t/504584

Identificação de fluidos usando TDC1000 e medidas de tempo de vôo: https://e2e.ti.com/support/sensor/ultrasonic/f/991/t/494576

FAQ de nível básico de detecção: https://e2e.ti.com/support/sensor/ultrasonic/f/991/t/418605

 

Referências:

  1. Texas Instruments – Everything You Need to Know for Ultrasonic ToF