如果要找出市場上最低成本的氧氣檢測模塊，非超聲波氧氣傳感器不可，批量采購低至百多元的價格，造就了無與倫比的高性價比，說他是氧氣檢測分析領(lǐng)域的屌絲毫不為過。
一．聲速法氧氣檢測原理
早在1635 年，法國人伽桑第用槍聲做了聲速的測量，假設(shè)發(fā)槍的火花傳播不需要時間，測得聲速為478.4m/s。大約100年后的1738年，法國科學(xué)院組織了大氣中（無風(fēng)時）的聲速測量，用加農(nóng)炮聲得到的結(jié)果折合到攝氏零度是322m/s。以后兩個世紀的精確測量，出入都不出百分之一。
同時，被上帝蘋果砸中的牛頓于1687年在他著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中推導(dǎo)出聲速等于壓力與密度之比，天才的推斷總是讓人不可琢磨；直到 1749 年，瑞士著名的數(shù)學(xué)家歐拉才用通俗易懂的方法推導(dǎo)出了牛頓的公式。
圖1 大科學(xué)家歐拉和牛頓
到了1827年，瑞士物理學(xué)家科拉頓和他的助手在日內(nèi)瓦湖上進行了水中聲速測量。兩位測量者分乘在兩只船上，兩船的距離為13847米，其中一只船在水下放一個鐘，當(dāng)鐘敲響時，船上的火藥同時發(fā)光。另一只船上則在水里放一個聽音器，他看到火藥發(fā)光后開始計時,聽到了水下鐘聲停止計時。實驗測得水中聲速為1435米/秒。應(yīng)該也就是從那時候起，人們明確了在不同介質(zhì)中聲波的傳播速度是不同的。
圖2 水中聲速的測量
眾所周知空氣中聲音的傳播速度大約為是331m/s，而相同條件下，聲音在氮氣中的傳播速度就變成了356m/s。
即聲音在不同氣體中傳播速度是不一樣的，而且與氣體濃度成比例，只要能準確測定聲速，也就能實現(xiàn)氧氣的測量。二．超聲波氧氣傳感器實現(xiàn)
為了避免環(huán)境中聲音的干擾，一般采用超聲波進行測量，而且超聲波發(fā)射與接收裝置具有極高的性價比。如圖3是某寶中測距用的一對超聲波發(fā)射與接收頭的搜索結(jié)果，成本只需幾元錢。
圖3 超聲波換能器
超聲波氧氣傳感器實現(xiàn)的基本框架如圖4所示，在單片機的控制下，發(fā)射端發(fā)出超聲脈沖，接收端接收，計算發(fā)射與接收之間的時間差。由于傳感器的尺寸的限制，只能在10幾厘米的長度內(nèi)實現(xiàn)聲速的測量。
圖4 超聲波氧氣傳感器實現(xiàn)的基本框架
假如氣室長度為10cm，聲速為330m/s，經(jīng)過的時間只需要0.3ms，如果聲速為355m/s，經(jīng)過的時間約為0.28ms。兩者相差0.02ms，即20us。也就是大約20us的時間跨度對應(yīng)21~100%的氧氣。如果分辨率要達到0.1%，需要達到的時間分辨率大約為25ns。
由于目前超聲波換能器性能的限制，存在較大的延遲；同時超聲波在氣室內(nèi)遇到檢測器后會被反射，形成振蕩。為了精確的測定聲速，人們從想出了很多方法來提高檢測精度，比如從優(yōu)化超聲波開始發(fā)射與檢測到的時間入手；也有從從相位的相移入手來提高時間檢測靈敏度和穩(wěn)定性。在超聲波氣體傳感器中，時間的測量分辨率已經(jīng)可以達到ps級。
糟糕的是由于溫度、壓力都會對聲速產(chǎn)生影響，使得在實際使用過程中結(jié)果總是顯得不穩(wěn)定。比如研究表明溫度每升高10℃，聲速快6m/s。同時超聲波發(fā)生和接受器件的延時也在ns級，且受溫度影響。另外，超聲波的振蕩也會加大干擾聲速的檢測。因此利用聲波測量氧氣濃度分辨率較低，穩(wěn)定性較差，目前主要用于家用制氧機中的氧氣測量。
三．超聲波氧氣傳感器的優(yōu)勢與缺陷
超聲波氧氣傳感模塊的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在兩個方面。
一是成本優(yōu)勢。超聲波氧氣傳感模塊具有無與倫比的成本優(yōu)勢，特別是除了測量濃度外，還可以對流量進行檢測，使得其用于家用制氧機中具有絕對的成本優(yōu)勢。
二是制造工藝簡單。測量的時間與濃度具有理論對應(yīng)關(guān)系，因此優(yōu)秀的制造工藝使得超聲波傳感模塊實現(xiàn)免標定，相比其他方法免除了單個產(chǎn)品的逐一校準，可以快速提高產(chǎn)能。
超聲波氧氣傳感模塊的缺陷主要包括三個方面。
一是靈敏度低，一般只能做到0.1%；
二是環(huán)境干擾影響大，即使通過溫濕度及壓力補償，在實際應(yīng)用中也難以取得好的效果；
三是測量氣體的背景氣有限制，主要測量兩種氣體的混合氣，如果需要測量多種氣體的混合氣，則需要其中兩種氣體的比例相對穩(wěn)定才有可能實現(xiàn)。
四、未來超聲波譜氣體傳感器展望基于聲速進行氧氣檢測雖然存在很多不足，但相關(guān)研究還在不斷進行，比如有學(xué)者期望構(gòu)建超聲波譜進行氣體濃度檢測，超聲波譜即聲音在氣體中的傳播速度不僅與氣體濃度有關(guān)還與聲音的頻率有關(guān)，如圖5所示，
不同頻率的聲波在相同的氣體介質(zhì)中傳播速度也有所不同。這一特性可能會給氣體檢測帶來新的技術(shù)手段。
圖5 97%N2+3%H2O的聲速譜(注)
注：賈雅瓊，氣體超聲波譜的構(gòu)建及其在氣體探測中的應(yīng)用[D]華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文
聲波譜理論的發(fā)展使得利用聲學(xué)進行氣體檢測具有更加廣闊的空間，
可以使相關(guān)應(yīng)用從二元混合氣體推廣到三元以上的混合氣體中。另外，隨著聲換能器件穩(wěn)定性的進一步提高，可以進一步提高聲速測量的分辨率。配合恒溫恒壓等輔助手段，利用聲學(xué)原理的氣體分析模塊也可能成為適用于工業(yè)過程檢測以及其他可靠性和穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域。由一個屌絲逆襲成為氣體分析領(lǐng)域的高富帥。
