流體和固體（散裝材料）的料位感測(cè)是許多工業(yè)應(yīng)用中的普遍要求，它廣泛用于石化和制藥工藝、水處理、谷物筒倉(cāng)儲(chǔ)和廢料管理等領(lǐng)域。料位水平感測(cè)通常需要采用機(jī)電和超聲波技術(shù)，雖然這些方法能夠提供切實(shí)可行的解決方案，但它們通常也存在一定局限性，例如需要相當(dāng)高的功率、在多塵條件下不可靠、缺乏可配置性以及不具備 3D料位感測(cè)能力等等。

本文將首先分析不同料位傳感方法的應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)，之后將深入討論基于毫米波 (mmWave) 雷達(dá)的感測(cè)技術(shù)。我們會(huì)重點(diǎn)介紹毫米波雷達(dá)的工作原理，以及幾個(gè)特定的工業(yè)用例，并展示貿(mào)澤電子提供的德州儀器（TI）毫米波雷達(dá) SoC 解決方案。

工業(yè)料位感測(cè)方法

工業(yè)領(lǐng)域的液體和固體料位感測(cè)大致分為兩類：與材料接觸式和非接觸式。需要接觸的傳感器，也稱為點(diǎn)接觸式傳感器，可能很便宜，但由于無(wú)法連續(xù)確定料位的變化量而受到一定限制；物料必須剛好處在或低于指定水平。接觸式料位感測(cè)的另一缺點(diǎn)是某些液體和固體可能會(huì)阻礙傳感器移動(dòng)，或腐蝕感測(cè)裝置。

點(diǎn)接觸式傳感器方法包括采用浮球開(kāi)關(guān)、電容、電導(dǎo)率和音叉（tuning fork）等方式。連續(xù)型（非接觸式）傳感器包括光學(xué)、超聲波和雷達(dá)等技術(shù)。

浮球開(kāi)關(guān)：浮球開(kāi)關(guān)可能是最經(jīng)濟(jì)和最簡(jiǎn)單的料位感測(cè)方法。它可以感測(cè)油、水和其他液態(tài)化學(xué)物質(zhì)等流體。這些開(kāi)關(guān)不需要任何電源，能夠以最低的成本提供較長(zhǎng)的使用壽命。但是，由于它們只能指示是否達(dá)到某個(gè)特定位置，因此無(wú)法實(shí)施靈活的控制算法。

電導(dǎo)探頭：此類傳感器探頭使用一對(duì)金屬電極來(lái)測(cè)量液體或固體的電導(dǎo)率。由于需要在電極之間傳輸很小的電流，因此存在起火的風(fēng)險(xiǎn)，并且不適合于測(cè)量某些材料。此外，隨著時(shí)間的推移，不斷測(cè)量電流會(huì)導(dǎo)致電極表面腐蝕，從而需要定期進(jìn)行維護(hù)。與浮球開(kāi)關(guān)一樣，基于電導(dǎo)率的傳感器僅僅能夠提供預(yù)定液位的測(cè)量值。

其他基于浸入式點(diǎn)接觸式感測(cè)方法還包括電容傳感器，它是檢測(cè)兩個(gè)探針電極之間的電容變化，另一種是振動(dòng)“音叉”傳感器，當(dāng)振動(dòng)元件浸入材料中時(shí)，能夠檢測(cè)振蕩頻率的改變.

光學(xué)傳感器：光學(xué)傳感器可用于點(diǎn)接觸和連續(xù)料位感測(cè)。點(diǎn)接觸式傳感器采用紅外線和脈沖調(diào)制來(lái)感測(cè)特定料位水平。連續(xù)光學(xué)傳感器通常需要激光等更強(qiáng)的光源來(lái)測(cè)量更長(zhǎng)的距離，但不幸的是，它們都不適合浸入材料內(nèi)部，并且容易受灰塵和氣泡等因素影響。

超聲波傳感器：基于連續(xù)超聲波的傳感器適用于感測(cè)范圍廣泛的液體和固體材料，并使用來(lái)自轉(zhuǎn)換器（transducer）的超聲波來(lái)測(cè)量到材料表面的距離。超聲波傳感器是許多工業(yè)應(yīng)用的候選技術(shù)，其中沒(méi)有移動(dòng)部件且不與材料接觸。但是，針對(duì)不同材料的測(cè)量都需要分別校準(zhǔn)，濕氣的存在、材料的移動(dòng)和溫度的變化都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

毫米波雷達(dá)料位感測(cè)技術(shù)介紹

雷達(dá)傳感器類似于超聲波，但灰塵、溫度和壓力變化不會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，因而運(yùn)行更加可靠。片上自動(dòng)校準(zhǔn)和用戶可編程校準(zhǔn)都可應(yīng)用于不同的感測(cè)條件，適用于各種工業(yè)散裝材料和液體的料位感測(cè)。基于雷達(dá)技術(shù)料位感測(cè)的另一個(gè)好處是可以通過(guò)合適的“波束控制”天線改變測(cè)量點(diǎn)，從而提供更準(zhǔn)確的 3D 測(cè)量能力。

用于料位感測(cè)的雷達(dá)類型與現(xiàn)代車輛中使用的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）類似，它們通常運(yùn)行在 76 ～ 81GHz 之間的毫米波無(wú)線電頻譜，波長(zhǎng)約為 4 毫米，并發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 信號(hào)。由于使用如此短的波長(zhǎng)，因而可以構(gòu)建微型傳感設(shè)備，并能夠提供亞毫米檢測(cè)特性。此外，還可以在 56 ～64GHz 的ISM 頻段執(zhí)行料位檢測(cè)。

FMCW 雷達(dá)發(fā)射信號(hào)chirp（啁啾）具有恒定幅度，但發(fā)射頻率隨時(shí)間而線性變化。圖 1 說(shuō)明了一個(gè) chirp 信號(hào)從77GHz (fc) 開(kāi)始，在持續(xù)傳輸 40μs (Tc) 后頻率達(dá)到81GHz，帶寬為4GHz (B) ，頻率變化的斜率 (S) 為100MHz/μs。

圖 1： 一個(gè)4GHz 帶寬chirp信號(hào)頻率隨時(shí)間的改變。 （來(lái)源： TI）

圖 2 詳細(xì)描述了 FMCW 雷達(dá)的簡(jiǎn)單功能框圖。

RF合成器 (1) 產(chǎn)生啁啾信號(hào)并由天線 (2) 發(fā)射，發(fā)射天線前面的物體會(huì)反射啁啾信號(hào)，之后接收器天線檢測(cè)回波 (3)。

圖 2：一個(gè)簡(jiǎn)單的毫米波 FMCW 雷達(dá)功能框圖。（來(lái)源： TI）

混頻器 (4) 將來(lái)自合成器的信號(hào)以及經(jīng)過(guò)反射的啁啾信號(hào)組合起來(lái)，并創(chuàng)建新的中頻 (IF)。在圖 3 中，頂部圖表顯示了來(lái)自同一個(gè)物體的發(fā)送和接收啁啾信號(hào)。 'r' 表示開(kāi)始發(fā)送chirp信號(hào)和接收到 chirp 信號(hào)之間的時(shí)間延遲，發(fā)射器和反射點(diǎn)之間的距離可以通過(guò) d = r *c /2 計(jì)算，其中 c 是光速常數(shù)，近似為 3 x 108?；祛l器得出的 IF 是一個(gè)恒定頻率，在圖 3下部的圖表中已經(jīng)突出顯示。

圖 3：通過(guò)組合來(lái)自同一物體的發(fā)射（TX）和反射（ RX）啁啾信號(hào)可以創(chuàng)建 IF頻率。（來(lái)源： TI）

在料位感測(cè)等廣泛的測(cè)量應(yīng)用中，液體或固體的表面是產(chǎn)生單次反射的物體。通過(guò)使用傅立葉變換函數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì) IF 進(jìn)行操作能夠確定 IF 信號(hào)的頻率，從而確定距離。它們可用于分離從多個(gè)物體反射接收到的各個(gè) IF 頻率。

毫米波雷達(dá)還能夠通過(guò)多個(gè)接收天線使用多個(gè)啁啾信號(hào)及其反射角進(jìn)行速度測(cè)量。借助于距離和速度這兩個(gè)變量，雷達(dá)傳感器還能夠感測(cè)移動(dòng)液體表面的速度，因此也可用于流量測(cè)量。如果讀者希望進(jìn)一步了解這方面的信息，德州儀器有一份關(guān)于毫米波雷達(dá)技術(shù)的綜合指南，您可以在這里下載。

工業(yè)料位感測(cè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求

工業(yè) 4.0 等政府舉措加速了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的部署，并能夠?qū)Ｗ⒂谔岣咦詣?dòng)化水平。當(dāng)今的工廠配備了大量傳感器，可為工廠控制和性能監(jiān)控提供重要數(shù)據(jù)。 IIoT 傳感器需要滿足幾個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)才能有效運(yùn)行，而不會(huì)變得可靠性出問(wèn)題進(jìn)而帶來(lái)維護(hù)方面的挑戰(zhàn)?？紤]到安裝額外的電纜和開(kāi)關(guān)設(shè)備帶來(lái)的成本，從主電源為傳感器供電可能會(huì)是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。而通過(guò)電池供電則能夠提供一種低成本的安裝，但頻繁的電池更換同樣會(huì)給維護(hù)人員帶來(lái)重復(fù)性的高工作負(fù)荷，從而分散他們對(duì)其他工作的注意力。設(shè)計(jì)工程師需要考慮采用低功率傳感器組件，可以依靠電池運(yùn)行至少一年或更長(zhǎng)時(shí)間，或利用已有的 4 ～ 20mA 電流回路。

其他設(shè)計(jì)限制還包括需要滿足易于連接的要求，需要連接到工廠有線網(wǎng)絡(luò)，或使用低功耗無(wú)線協(xié)議進(jìn)行連接，同時(shí)還需要考慮物理尺寸。由于工廠廠房面積越來(lái)越寶貴，因此在理想情況下，任何料位感測(cè)設(shè)備都應(yīng)該是獨(dú)立的，無(wú)需控制柜或額外硬件。

要將毫米波雷達(dá)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，必須符合有關(guān) EMI、EMC、ESD 和 RF 等方面的國(guó)際監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。TI 可以提供滿足毫米波雷達(dá)設(shè)備法規(guī)兼容性的詳細(xì)指南。料位感測(cè)雷達(dá) (LPR) 也需要遵從 FCC 第 15 部分以及 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)（例如 EN302729 和 EN302372）的監(jiān)管。

TI 的毫米波料位感測(cè)解決方案

TI 的毫米波雷達(dá)系列包括IWR1843 、 IWR1443 、以及 IWR6843 ，其中，IWR1443 和 IWR1843 適合于需要在 76 ～81GHz運(yùn)行的工業(yè)儲(chǔ)罐料位感測(cè)應(yīng)用，而 IWR6843 則適用于 60GHz 頻段。所有器件在架構(gòu)上都非常相似，并由相同的軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK) 提供支持，此外還有適用于所有平臺(tái)的料位感測(cè)應(yīng)用示例，可從 TI 工業(yè)雷達(dá)工具箱免費(fèi)下載。

圖 4 為單芯片傳感器 IWR1443 的功能框圖。 FMCW 收發(fā)器采用 161 引腳 BGA 封裝，可在 76 ～ 81GHz 頻段上以 4GHz 帶寬運(yùn)行，并配備四個(gè)接收通道和三個(gè)發(fā)射通道，發(fā)射功率為 12dBm。一個(gè) Arm Cortex-R4F 內(nèi)核提供收發(fā)器控制、校準(zhǔn)和自檢功能，另外一個(gè)運(yùn)行頻率為 200MHz 的 Arm Cortex-R4F 內(nèi)核可專注于用戶應(yīng)用。外設(shè)接口包括 I2C、兩個(gè) SPI、CAN，擁有多達(dá)六個(gè)通用 ADC 通道。IWR1443需要 4 個(gè) 1.2 ～ 3.3 V 的電源軌為器件供電，在低占空比料位感測(cè)應(yīng)用中，運(yùn)行期間的平均功耗可保持在100mW 以下。

圖 4：TI 單芯片 IWR1443 毫米波雷達(dá)傳感器的功能框圖。（來(lái)源： TI）

為幫助開(kāi)發(fā)基于 IWR1443 的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)可以提供IWR1443BOOST評(píng)估模塊，這已經(jīng)構(gòu)成 TI LaunchPad 生態(tài)系統(tǒng)的一部分，參見(jiàn)圖 5。

圖 5： IWR1443BOOST 評(píng)估模塊。（來(lái)源： TI）

IWR1443BOOST 包括基于 PCB 的天線，并能夠通過(guò)5V電源提供電力。圖5 重點(diǎn)顯示了堆疊在 MSP432 LaunchPad 開(kāi)發(fā)板頂部的評(píng)估模塊。

圖 6：堆疊在 TI MSP432 MCU LaunchPad 頂部的 IWR1443BOOST PCB。

此外，還可提供詳細(xì)介紹 IWR1443 用于料位感測(cè)的功率優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用指南，這里可下載。

TI 還可提供其它毫米波開(kāi)發(fā)資源支持，其中之一為DCA1000EVM ，它能夠提供對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)和捕獲。另一種是TI 毫米波軟件開(kāi)發(fā)套件 MMWAVE-SDK，這是適用于 TI 毫米波傳感器產(chǎn)品組合的統(tǒng)一軟件平臺(tái)，可輕松設(shè)置，并能夠開(kāi)箱即用地快速訪問(wèn)評(píng)估和開(kāi)發(fā)，包括軟件構(gòu)建模塊、演示和示例等。

使用毫米波雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)料位感測(cè)

毫米波雷達(dá)非常適合于散裝材料和液體的工業(yè)料位感測(cè)。借助于TI的單芯片毫米波雷達(dá) IC，工程師可以創(chuàng)建體積小巧且低功耗的料位感測(cè)解決方案。毫米波雷達(dá)傳感技術(shù)很少受灰塵、極端溫度和氣壓變化的影響，因而對(duì)于各種不同液體和散裝材料的料位感測(cè)具有非常高可靠性和靈活性。TI 的毫米波雷達(dá)傳感器具有波束形成和轉(zhuǎn)向（beam-forming and steering）功能，可實(shí)現(xiàn)3D感測(cè)并簡(jiǎn)化部署過(guò)程中的傳感器安裝，是用于料位感測(cè)的理想解決方案。