流體和固體（散裝材料）的料位感測是許多工業應用中的普遍要求，它廣泛用于石化和制藥工藝、水處理、谷物筒倉儲和廢料管理等領域。料位水平感測通常需要采用機電和超聲波技術，雖然這些方法能夠提供切實可行的解決方案，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料位感測能力等等。
本文將首先分析不同料位傳感方法的應用以及優缺點，之后將深入討論基于毫米波 (mmWave) 雷達的感測技術。我們會重點介紹毫米波雷達的工作原理，以及幾個特定的工業用例，并展示貿澤電子提供的德州儀器（TI）毫米波雷達 SoC 解決方案。
工業料位感測方法
工業領域的液體和固體料位感測大致分為兩類：與材料接觸式和非接觸式。需要接觸的傳感器，也稱為點接觸式傳感器，可能很便宜，但由于無法連續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。接觸式料位感測的另一缺點是某些液體和固體可能會阻礙傳感器移動，或腐蝕感測裝置。
點接觸式傳感器方法包括采用浮球開關、電容、電導率和音叉（tuning fork）等方式。連續型（非接觸式）傳感器包括光學、超聲波和雷達等技術。
浮球開關：浮球開關可能是最經濟和最簡單的料位感測方法。它可以感測油、水和其他液態化學物質等流體。這些開關不需要任何電源，能夠以最低的成本提供較長的使用壽命。但是，由于它們只能指示是否達到某個特定位置，因此無法實施靈活的控制算法。
電導探頭：此類傳感器探頭使用一對金屬電極來測量液體或固體的電導率。由于需要在電極之間傳輸很小的電流，因此存在起火的風險，并且不適合于測量某些材料。此外，隨著時間的推移，不斷測量電流會導致電極表面腐蝕，從而需要定期進行維護。與浮球開關一樣，基于電導率的傳感器僅僅能夠提供預定液位的測量值。
其他基于浸入式點接觸式感測方法還包括電容傳感器，它是檢測兩個探針電極之間的電容變化，另一種是振動“音叉”傳感器，當振動元件浸入材料中時，能夠檢測振蕩頻率的改變.
光學傳感器：光學傳感器可用于點接觸和連續料位感測。點接觸式傳感器采用紅外線和脈沖調制來感測特定料位水平。連續光學傳感器通常需要激光等更強的光源來測量更長的距離，但不幸的是，它們都不適合浸入材料內部，并且容易受灰塵和氣泡等因素影響。
超聲波傳感器：基于連續超聲波的傳感器適用于感測范圍廣泛的液體和固體材料，并使用來自轉換器（transducer）的超聲波來測量到材料表面的距離。超聲波傳感器是許多工業應用的候選技術，其中沒有移動部件且不與材料接觸。但是，針對不同材料的測量都需要分別校準，濕氣的存在、材料的移動和溫度的變化都會導致測量誤差。
毫米波雷達料位感測技術介紹
雷達傳感器類似于超聲波，但灰塵、溫度和壓力變化不會影響測量準確度，因而運行更加可靠。片上自動校準和用戶可編程校準都可應用于不同的感測條件，適用于各種工業散裝材料和液體的料位感測。基于雷達技術料位感測的另一個好處是可以通過合適的“波束控制”天線改變測量點，從而提供更準確的 3D 測量能力。
用于料位感測的雷達類型與現代車輛中使用的高級駕駛員輔助系統（ADAS）類似，它們通常運行在 76 ～ 81GHz 之間的毫米波無線電頻譜，波長約為 4 毫米，并發射調頻連續波 (FMCW) 信號。由于使用如此短的波長，因而可以構建微型傳感設備，并能夠提供亞毫米檢測特性。此外，還可以在 56 ～64GHz 的ISM 頻段執行料位檢測。
FMCW 雷達發射信號chirp（啁啾）具有恒定幅度，但發射頻率隨時間而線性變化。圖 1 說明了一個 chirp 信號從77GHz (fc) 開始，在持續傳輸 40μs (Tc) 后頻率達到81GHz，帶寬為4GHz (B) ，頻率變化的斜率 (S) 為100MHz/μs。
圖 1： 一個4GHz 帶寬chirp信號頻率隨時間的改變。 （來源： TI）
圖 2 詳細描述了 FMCW 雷達的簡單功能框圖。
RF合成器 (1) 產生啁啾信號并由天線 (2) 發射，發射天線前面的物體會反射啁啾信號，之后接收器天線檢測回波 (3)。
圖 2：一個簡單的毫米波 FMCW 雷達功能框圖。（來源： TI）
混頻器 (4) 將來自合成器的信號以及經過反射的啁啾信號組合起來，并創建新的中頻 (IF)。在圖 3 中，頂部圖表顯示了來自同一個物體的發送和接收啁啾信號。 'r' 表示開始發送chirp信號和接收到 chirp 信號之間的時間延遲，發射器和反射點之間的距離可以通過 d = r *c /2 計算，其中 c 是光速常數，近似為 3 x 108。混頻器得出的 IF 是一個恒定頻率，在圖 3下部的圖表中已經突出顯示。
圖 3：通過組合來自同一物體的發射（TX）和反射（ RX）啁啾信號可以創建 IF頻率。（來源： TI）
在料位感測等廣泛的測量應用中，液體或固體的表面是產生單次反射的物體。通過使用傅立葉變換函數的數字信號處理技術對 IF 進行操作能夠確定 IF 信號的頻率，從而確定距離。它們可用于分離從多個物體反射接收到的各個 IF 頻率。
毫米波雷達還能夠通過多個接收天線使用多個啁啾信號及其反射角進行速度測量。借助于距離和速度這兩個變量，雷達傳感器還能夠感測移動液體表面的速度，因此也可用于流量測量。如果讀者希望進一步了解這方面的信息，德州儀器有一份關于毫米波雷達技術的綜合指南，您可以在這里下載。
工業料位感測應用的設計要求
工業 4.0 等政府舉措加速了工業物聯網 (IIoT) 的部署，并能夠專注于提高自動化水平。當今的工廠配備了大量傳感器，可為工廠控制和性能監控提供重要數據。 IIoT 傳感器需要滿足幾個關鍵標準才能有效運行，而不會變得可靠性出問題進而帶來維護方面的挑戰。考慮到安裝額外的電纜和開關設備帶來的成本，從主電源為傳感器供電可能會是一個令人頭疼的問題。而通過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給維護人員帶來重復性的高工作負荷，從而分散他們對其他工作的注意力。設計工程師需要考慮采用低功率傳感器組件，可以依靠電池運行至少一年或更長時間，或利用已有的 4 ～ 20mA 電流回路。
其他設計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絡，或使用低功耗無線協議進行連接，同時還需要考慮物理尺寸。由于工廠廠房面積越來越寶貴，因此在理想情況下，任何料位感測設備都應該是獨立的，無需控制柜或額外硬件。
要將毫米波雷達產品推向市場，必須符合有關 EMI、EMC、ESD 和 RF 等方面的國際監管標準。TI 可以提供滿足毫米波雷達設備法規兼容性的詳細指南。料位感測雷達 (LPR) 也需要遵從 FCC 第 15 部分以及 ETSI 標準（例如 EN302729 和 EN302372）的監管。
TI 的毫米波料位感測解決方案
TI 的毫米波雷達系列包括IWR1843 、 IWR1443 、以及 IWR6843 ，其中，IWR1443 和 IWR1843 適合于需要在 76 ～81GHz運行的工業儲罐料位感測應用，而 IWR6843 則適用于 60GHz 頻段。所有器件在架構上都非常相似，并由相同的軟件開發套件 (SDK) 提供支持，此外還有適用于所有平臺的料位感測應用示例，可從 TI 工業雷達工具箱免費下載。
圖 4 為單芯片傳感器 IWR1443 的功能框圖。 FMCW 收發器采用 161 引腳 BGA 封裝，可在 76 ～ 81GHz 頻段上以 4GHz 帶寬運行，并配備四個接收通道和三個發射通道，發射功率為 12dBm。一個 Arm Cortex-R4F 內核提供收發器控制、校準和自檢功能，另外一個運行頻率為 200MHz 的 Arm Cortex-R4F 內核可專注于用戶應用。外設接口包括 I2C、兩個 SPI、CAN，擁有多達六個通用 ADC 通道。IWR1443需要 4 個 1.2 ～ 3.3 V 的電源軌為器件供電，在低占空比料位感測應用中，運行期間的平均功耗可保持在100mW 以下。
圖 4：TI 單芯片 IWR1443 毫米波雷達傳感器的功能框圖。（來源： TI）
為幫助開發基于 IWR1443 的設計開發，現在已經可以提供IWR1443BOOST評估模塊，這已經構成 TI LaunchPad 生態系統的一部分，參見圖 5。
圖 5： IWR1443BOOST 評估模塊。（來源： TI）
IWR1443BOOST 包括基于 PCB 的天線，并能夠通過5V電源提供電力。圖5 重點顯示了堆疊在 MSP432 LaunchPad 開發板頂部的評估模塊。
圖 6：堆疊在 TI MSP432 MCU LaunchPad 頂部的 IWR1443BOOST PCB。
此外，還可提供詳細介紹 IWR1443 用于料位感測的功率優化技術應用指南，這里可下載。
TI 還可提供其它毫米波開發資源支持，其中之一為DCA1000EVM ，它能夠提供對原始傳感器數據的實時訪問和捕獲。另一種是TI 毫米波軟件開發套件 MMWAVE-SDK，這是適用于 TI 毫米波傳感器產品組合的統一軟件平臺，可輕松設置，并能夠開箱即用地快速訪問評估和開發，包括軟件構建模塊、演示和示例等。
使用毫米波雷達技術進行工業料位感測
毫米波雷達非常適合于散裝材料和液體的工業料位感測。借助于TI的單芯片毫米波雷達 IC，工程師可以創建體積小巧且低功耗的料位感測解決方案。毫米波雷達傳感技術很少受灰塵、極端溫度和氣壓變化的影響，因而對于各種不同液體和散裝材料的料位感測具有非常高可靠性和靈活性。TI 的毫米波雷達傳感器具有波束形成和轉向（beam-forming and steering）功能，可實現3D感測并簡化部署過程中的傳感器安裝，是用于料位感測的理想解決方案。
