半导体制造、医药化工等众多工业领域都需要对液体流量进行测量,而其测量环境对于传感器的洁净程度有很高的要求。洁净程度是指对液体介质环境中的金属离子、非金属离子、总有机碳(TOC)以及颗粒等参数的浓度或者占比分数。因此,需要采用非接触式的测量方法来避免引入污染。此外,随着科技的进步发展,各行业对于流量测量的精度与响应的性能需求也越来越高。超声波流量测量技术由于其超声信号可以透过介质进行传播,可以做到非接触测量。因此,本文从超声波流量测量原理及其技术出发,利用结构设计、硬件电路设计以及软件算法,针对超洁净、快响应、高精度的性能需求,设计了一个超洁净液体超声波流量传感器。其特点为采用非接触管段式结构,管段结构采用溶性聚四氟乙烯(PFA)材料熔融加工制作,保证超洁净的要求。同时,该传感器采用时差式阈值法进行流量测量,可以提供快响应的流量反馈。此外,该传感器对于跳波现象和温漂现象在软件算法层面和硬件层面进行了处理,进一步保证了高精度的性能。综上,该传感器可为半导体、医药化工等领域中的流量测量提供一种超洁净、快响应、高精度的流量测量解决方案。论文主要内容包括:1.超洁净液体超声波流量传感器结构参数设计。针对超洁净的性能需求,选取了制作超洁净液体超声波流量传感器的测量管段的材料。针对高精度的性能需求,基于声学理论进行分析确定测量管段结构上的密度和厚度参数并进行了测量管段结构设计,减少超声波在传播过程中的衰减;并利用ANSYS进行测量管段中流场仿真,宏观分析流场对于测量误差的影响,提出流量计算模型。2.超洁净液体超声波流量传感器软硬件解决方案设计。针对快响应的性能需求,采用阈值法以及过零检测方法实现时差式的流量测量原理,信号处理方面采用模拟信号处理。针对高精度的性能需求,硬件上设计滤波放大电路以及电源管理电路;软件上针对于跳波现象设计了一个时间匹配算法。3.基于互易性的高压激发匹配电路设计。针对高精度的性能需求,分析温漂现象产生的原因,基于互易性理论设计了高压激发匹配电路,抑制了温漂现象引起的零点误差,并进行了实验验证。4.超洁净超声波流量传感器性能参数实验测试。针对于超洁净、快响应、高精度的性能三个方面,进行了实验验证。通过实验证明,该传感器具有超洁净、快响应、高精度的特点,满足半导体、医药化工等领域的需求。