超声波氧气传感器的工作原理是什么?

超声波氧气传感器的工作原理核心是“利用氧气与其他气体（如氮气）的声速差异，通过测量声波传播时间计算氧气浓度”，具体过程如下：

 

一、核心依据：气体成分影响声速传播

 

声波在气体中的传播速度与气体的分子量、温度等密切相关。在相同温度下：

 

氧气（O₂）的分子量为32g/mol，声速约为320m/s；

 

氮气（N₂）的分子量为28g/mol，声速约为334m/s；

 

混合气体中，氧气浓度越高，整体混合气体的平均分子量越大，声速则越低。

 

因此，通过测量声波在混合气体中的传播速度，可反推出氧气的占比。

 

二、传感器结构：双声道设计实现精准测量

 

超声波氧气传感器通常包含以下核心部件：

 

一对超声波换能器：分别作为声波发射器和接收器，对称安装在测量腔体两端（间距固定），可双向发射/接收声波（即A→B和B→A两个方向）。

 

测量腔体：供被测气体流过的封闭通道，确保气体均匀分布。

 

温度传感器：实时监测腔体内部温度，用于声速的温度补偿（因为温度变化会显著影响声速，需修正误差）。

 

三、测量过程：通过时间差计算氧气浓度

 

双向发射声波：

 

发射器交替向两个方向发射超声波，分别记录声波从A到B、从B到A的传播时间（t₁和t₂）。由于腔体长度固定（设为L），可计算出两个方向的声速：v₁=L/t₁，v₂=L/t₂。

 

消除气流干扰：

 

若测量环境存在气体流动（如管道内气流），会导致两个方向的声速产生偏差（顺流声速加快，逆流减慢）。通过计算平均声速v=(v₁+v₂)/2，可抵消气流影响，得到稳定的气体本身声速。

 

换算氧气浓度：

 

已知空气（主要成分为O₂和N₂）中，声速与氧气浓度呈线性关系（温度恒定下）。传感器内置算法会根据实测平均声速v，结合温度补偿数据，对照预设的校准曲线（如0%氧气对应氮气声速，21%氧气对应空气声速），直接输出氧气浓度值（通常为体积百分比）。

 

四、优势与适用场景

 

非消耗性：无需化学反应（区别于电化学传感器），寿命长（可达5-10年）；

 

抗干扰强：不受湿度、部分有害气体（如CO₂）影响，适用于复杂环境。

 

常见于医疗供氧设备、工业气体监测、汽车尾气分析等场景。

 

总结

 

超声波氧气传感器通过“声速差异-时间测量-浓度换算”的逻辑，利用物理特性实现氧气浓度检测，核心是对声波传播速度的精准捕捉与算法校准，兼顾了稳定性和长寿命。