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超聲波氧氣傳感器的工作原理是什么?

來源：技術文章更新時間：2025-07-31 瀏覽：1135次

超聲波氧氣傳感器的工作原理核心是“利用氧氣與其他氣體（如氮氣）的聲速差異，通過測量聲波傳播時間計算氧氣濃度”，具體過程如下：

一、核心依據：氣體成分影響聲速傳播

聲波在氣體中的傳播速度與氣體的分子量、溫度等密切相關。在相同溫度下：

氧氣（O?）的分子量為32g/mol，聲速約為320m/s；

氮氣（N?）的分子量為28g/mol，聲速約為334m/s；

混合氣體中，氧氣濃度越高，整體混合氣體的平均分子量越大，聲速則越低。

因此，通過測量聲波在混合氣體中的傳播速度，可反推出氧氣的占比。

二、傳感器結構：雙聲道設計實現(xiàn)精準測量

超聲波氧氣傳感器通常包含以下核心部件：

一對超聲波換能器：分別作為聲波發(fā)射器和接收器，對稱安裝在測量腔體兩端（間距固定），可雙向發(fā)射/接收聲波（即A→B和B→A兩個方向）。

測量腔體：供被測氣體流過的封閉通道，確保氣體均勻分布。

溫度傳感器：實時監(jiān)測腔體內部溫度，用于聲速的溫度補償（因為溫度變化會顯著影響聲速，需修正誤差）。

三、測量過程：通過時間差計算氧氣濃度

雙向發(fā)射聲波：

發(fā)射器交替向兩個方向發(fā)射超聲波，分別記錄聲波從A到B、從B到A的傳播時間（t?和t?）。由于腔體長度固定（設為L），可計算出兩個方向的聲速：v?=L/t?，v?=L/t?。

消除氣流干擾：

若測量環(huán)境存在氣體流動（如管道內氣流），會導致兩個方向的聲速產生偏差（順流聲速加快，逆流減慢）。通過計算平均聲速v=(v?+v?)/2，可抵消氣流影響，得到穩(wěn)定的氣體本身聲速。

換算氧氣濃度：

已知空氣（主要成分為O?和N?）中，聲速與氧氣濃度呈線性關系（溫度恒定下）。傳感器內置算法會根據實測平均聲速v，結合溫度補償數據，對照預設的校準曲線（如0%氧氣對應氮氣聲速，21%氧氣對應空氣聲速），直接輸出氧氣濃度值（通常為體積百分比）。

四、優(yōu)勢與適用場景

非消耗性：無需化學反應（區(qū)別于電化學傳感器），壽命長（可達5-10年）；

抗干擾強：不受濕度、部分有害氣體（如CO?）影響，適用于復雜環(huán)境。

常見于醫(yī)療供氧設備、工業(yè)氣體監(jiān)測、汽車尾氣分析等場景。

總結

超聲波氧氣傳感器通過“聲速差異-時間測量-濃度換算”的邏輯，利用物理特性實現(xiàn)氧氣濃度檢測，核心是對聲波傳播速度的精準捕捉與算法校準，兼顧了穩(wěn)定性和長壽命。

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