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使用毫米波雷达实现工业应用中的料位感测

2021-12-28
作者:Mark Patrick
来源:贸泽电子

流体和固体(散装材料)的料位感测是许多工业应用中的普遍要求,它广泛用于石化和制药工艺、水处理、谷物筒仓储和废料管理等领域。料位水平感测通常需要采用机电和超声波技术,虽然这些方法能够提供切实可行的解决方案,但它们通常也存在一定局限性,例如需要相当高的功率、在多尘条件下不可靠、缺乏可配置性以及不具备 3D料位感测能力等等。

本文将首先分析不同料位传感方法的应用以及优缺点,之后将深入讨论基于毫米波 (mmWave) 雷达的感测技术。我们会重点介绍毫米波雷达的工作原理,以及几个特定的工业用例,并展示贸泽电子提供的德州仪器(TI)毫米波雷达 SoC 解决方案。

工业料位感测方法

工业领域的液体和固体料位感测大致分为两类:与材料接触式和非接触式。需要接触的传感器,也称为点接触式传感器,可能很便宜,但由于无法连续确定料位的变化量而受到一定限制;物料必须刚好处在或低于指定水平。接触式料位感测的另一缺点是某些液体和固体可能会阻碍传感器移动,或腐蚀感测装置。

点接触式传感器方法包括采用浮球开关、电容、电导率和音叉(tuning fork)等方式。连续型(非接触式)传感器包括光学、超声波和雷达等技术。

浮球开关:浮球开关可能是最经济和最简单的料位感测方法。它可以感测油、水和其他液态化学物质等流体。这些开关不需要任何电源,能够以最低的成本提供较长的使用寿命。但是,由于它们只能指示是否达到某个特定位置,因此无法实施灵活的控制算法。

电导探头:此类传感器探头使用一对金属电极来测量液体或固体的电导率。由于需要在电极之间传输很小的电流,因此存在起火的风险,并且不适合于测量某些材料。此外,随着时间的推移,不断测量电流会导致电极表面腐蚀,从而需要定期进行维护。与浮球开关一样,基于电导率的传感器仅仅能够提供预定液位的测量值。

其他基于浸入式点接触式感测方法还包括电容传感器,它是检测两个探针电极之间的电容变化,另一种是振动“音叉”传感器,当振动元件浸入材料中时,能够检测振荡频率的改变.

光学传感器:光学传感器可用于点接触和连续料位感测。点接触式传感器采用红外线和脉冲调制来感测特定料位水平。连续光学传感器通常需要激光等更强的光源来测量更长的距离,但不幸的是,它们都不适合浸入材料内部,并且容易受灰尘和气泡等因素影响。

超声波传感器:基于连续超声波的传感器适用于感测范围广泛的液体和固体材料,并使用来自转换器(transducer)的超声波来测量到材料表面的距离。超声波传感器是许多工业应用的候选技术,其中没有移动部件且不与材料接触。但是,针对不同材料的测量都需要分别校准,湿气的存在、材料的移动和温度的变化都会导致测量误差。

毫米波雷达料位感测技术介绍

雷达传感器类似于超声波,但灰尘、温度和压力变化不会影响测量准确度,因而运行更加可靠。片上自动校准和用户可编程校准都可应用于不同的感测条件,适用于各种工业散装材料和液体的料位感测。基于雷达技术料位感测的另一个好处是可以通过合适的“波束控制”天线改变测量点,从而提供更准确的 3D 测量能力。

用于料位感测的雷达类型与现代车辆中使用的高级驾驶员辅助系统(ADAS)类似,它们通常运行在 76 ~ 81GHz 之间的毫米波无线电频谱,波长约为 4 毫米,并发射调频连续波 (FMCW) 信号。由于使用如此短的波长,因而可以构建微型传感设备,并能够提供亚毫米检测特性。此外,还可以在 56 ~64GHz 的ISM 频段执行料位检测。

FMCW 雷达发射信号chirp(啁啾)具有恒定幅度,但发射频率随时间而线性变化。图 1 说明了一个 chirp 信号从77GHz (fc) 开始,在持续传输 40µs (Tc) 后频率达到81GHz,带宽为4GHz (B) ,频率变化的斜率 (S) 为100MHz/µs。

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图 1: 一个4GHz 带宽chirp信号频率随时间的改变。 (来源: TI)

图 2 详细描述了 FMCW 雷达的简单功能框图。

RF合成器 (1) 产生啁啾信号并由天线 (2) 发射,发射天线前面的物体会反射啁啾信号,之后接收器天线检测回波 (3)。

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图 2:一个简单的毫米波 FMCW 雷达功能框图。(来源: TI)

混频器 (4) 将来自合成器的信号以及经过反射的啁啾信号组合起来,并创建新的中频 (IF)。在图 3 中,顶部图表显示了来自同一个物体的发送和接收啁啾信号。 'r' 表示开始发送chirp信号和接收到 chirp 信号之间的时间延迟,发射器和反射点之间的距离可以通过 d = r *c /2 计算,其中 c 是光速常数,近似为 3 x 108。混频器得出的 IF 是一个恒定频率,在图 3下部的图表中已经突出显示。

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图 3:通过组合来自同一物体的发射(TX)和反射( RX)啁啾信号可以创建 IF频率。(来源: TI)

在料位感测等广泛的测量应用中,液体或固体的表面是产生单次反射的物体。通过使用傅立叶变换函数的数字信号处理技术对 IF 进行操作能够确定 IF 信号的频率,从而确定距离。它们可用于分离从多个物体反射接收到的各个 IF 频率。

毫米波雷达还能够通过多个接收天线使用多个啁啾信号及其反射角进行速度测量。借助于距离和速度这两个变量,雷达传感器还能够感测移动液体表面的速度,因此也可用于流量测量。如果读者希望进一步了解这方面的信息,德州仪器有一份关于毫米波雷达技术的综合指南,您可以在这里下载。

工业料位感测应用的设计要求

工业 4.0 等政府举措加速了工业物联网 (IIoT) 的部署,并能够专注于提高自动化水平。当今的工厂配备了大量传感器,可为工厂控制和性能监控提供重要数据。 IIoT 传感器需要满足几个关键标准才能有效运行,而不会变得可靠性出问题进而带来维护方面的挑战。考虑到安装额外的电缆和开关设备带来的成本,从主电源为传感器供电可能会是一个令人头疼的问题。而通过电池供电则能够提供一种低成本的安装,但频繁的电池更换同样会给维护人员带来重复性的高工作负荷,从而分散他们对其他工作的注意力。设计工程师需要考虑采用低功率传感器组件,可以依靠电池运行至少一年或更长时间,或利用已有的 4 ~ 20mA 电流回路。

其他设计限制还包括需要满足易于连接的要求,需要连接到工厂有线网络,或使用低功耗无线协议进行连接,同时还需要考虑物理尺寸。由于工厂厂房面积越来越宝贵,因此在理想情况下,任何料位感测设备都应该是独立的,无需控制柜或额外硬件。

要将毫米波雷达产品推向市场,必须符合有关 EMI、EMC、ESD 和 RF 等方面的国际监管标准。TI 可以提供满足毫米波雷达设备法规兼容性的详细指南。料位感测雷达 (LPR) 也需要遵从 FCC 第 15 部分以及 ETSI 标准(例如 EN302729 和 EN302372)的监管。

TI 的毫米波料位感测解决方案

TI 的毫米波雷达系列包括IWR1843 、 IWR1443 、以及 IWR6843 ,其中,IWR1443 和 IWR1843 适合于需要在 76 ~81GHz运行的工业储罐料位感测应用,而 IWR6843 则适用于 60GHz 频段。所有器件在架构上都非常相似,并由相同的软件开发套件 (SDK) 提供支持,此外还有适用于所有平台的料位感测应用示例,可从 TI 工业雷达工具箱免费下载。

图 4 为单芯片传感器 IWR1443 的功能框图。 FMCW 收发器采用 161 引脚 BGA 封装,可在 76 ~ 81GHz 频段上以 4GHz 带宽运行,并配备四个接收通道和三个发射通道,发射功率为 12dBm。一个 Arm Cortex-R4F 内核提供收发器控制、校准和自检功能,另外一个运行频率为 200MHz 的 Arm Cortex-R4F 内核可专注于用户应用。外设接口包括 I2C、两个 SPI、CAN,拥有多达六个通用 ADC 通道。IWR1443需要 4 个 1.2 ~ 3.3 V 的电源轨为器件供电,在低占空比料位感测应用中,运行期间的平均功耗可保持在100mW 以下。

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图 4:TI 单芯片 IWR1443 毫米波雷达传感器的功能框图。(来源: TI)

为帮助开发基于 IWR1443 的设计开发,现在已经可以提供IWR1443BOOST评估模块,这已经构成 TI LaunchPad 生态系统的一部分,参见图 5。

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图 5: IWR1443BOOST 评估模块。(来源: TI)

IWR1443BOOST 包括基于 PCB 的天线,并能够通过5V电源提供电力。图5 重点显示了堆叠在 MSP432 LaunchPad 开发板顶部的评估模块。

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图 6:堆叠在 TI MSP432 MCU LaunchPad 顶部的 IWR1443BOOST PCB。

此外,还可提供详细介绍 IWR1443 用于料位感测的功率优化技术应用指南,这里可下载。

TI 还可提供其它毫米波开发资源支持,其中之一为DCA1000EVM ,它能够提供对原始传感器数据的实时访问和捕获。另一种是TI 毫米波软件开发套件 MMWAVE-SDK,这是适用于 TI 毫米波传感器产品组合的统一软件平台,可轻松设置,并能够开箱即用地快速访问评估和开发,包括软件构建模块、演示和示例等。

使用毫米波雷达技术进行工业料位感测

毫米波雷达非常适合于散装材料和液体的工业料位感测。借助于TI的单芯片毫米波雷达 IC,工程师可以创建体积小巧且低功耗的料位感测解决方案。毫米波雷达传感技术很少受灰尘、极端温度和气压变化的影响,因而对于各种不同液体和散装材料的料位感测具有非常高可靠性和灵活性。TI 的毫米波雷达传感器具有波束形成和转向(beam-forming and steering)功能,可实现3D感测并简化部署过程中的传感器安装,是用于料位感测的理想解决方案。

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