如果要找出市場(chǎng)上最低成本的氧氣檢測(cè)模塊，非超聲波氧氣傳感器不可，批量采購(gòu)低至百多元的價(jià)格，造就了無(wú)與倫比的高性?xún)r(jià)比，說(shuō)他是氧氣檢測(cè)分析領(lǐng)域的屌絲毫不為過(guò)。
一．聲速法氧氣檢測(cè)原理
早在1635 年，法國(guó)人伽桑第用槍聲做了聲速的測(cè)量，假設(shè)發(fā)槍的火花傳播不需要時(shí)間，測(cè)得聲速為478.4m/s。大約100年后的1738年，法國(guó)科學(xué)院組織了大氣中（無(wú)風(fēng)時(shí)）的聲速測(cè)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(gè)世紀(jì)的精確測(cè)量，出入都不出百分之一。
同時(shí)，被上帝蘋(píng)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(shū)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(jìn)行了水中聲速測(cè)量。兩位測(cè)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(gè)鐘，當(dāng)鐘敲響時(shí)，船上的火藥同時(shí)發(fā)光。另一只船上則在水里放一個(gè)聽(tīng)音器，他看到火藥發(fā)光后開(kāi)始計(jì)時(shí),聽(tīng)到了水下鐘聲停止計(jì)時(shí)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水中聲速為1435米/秒。應(yīng)該也就是從那時(shí)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(cè)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?dú)庵械膫鞑ニ俣染妥兂闪?56m/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(zhǔn)確測(cè)定聲速，也就能實(shí)現(xiàn)氧氣的測(cè)量。二．超聲波氧氣傳感器實(shí)現(xiàn)
為了避免環(huán)境中聲音的干擾，一般采用超聲波進(jìn)行測(cè)量，而且超聲波發(fā)射與接收裝置具有極高的性?xún)r(jià)比。如圖3是某寶中測(cè)距用的一對(duì)超聲波發(fā)射與接收頭的搜索結(jié)果，成本只需幾元錢(qián)。
圖3 超聲波換能器
超聲波氧氣傳感器實(shí)現(xiàn)的基本框架如圖4所示，在單片機(jī)的控制下，發(fā)射端發(fā)出超聲脈沖，接收端接收，計(jì)算發(fā)射與接收之間的時(shí)間差。由于傳感器的尺寸的限制，只能在10幾厘米的長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲速的測(cè)量。
圖4 超聲波氧氣傳感器實(shí)現(xiàn)的基本框架
假如氣室長(zhǎng)度為10cm，聲速為330m/s，經(jīng)過(guò)的時(shí)間只需要0.3ms，如果聲速為355m/s，經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為0.28ms。兩者相差0.02ms，即20us。也就是大約20us的時(shí)間跨度對(duì)應(yīng)21~100%的氧氣。如果分辨率要達(dá)到0.1%，需要達(dá)到的時(shí)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(shí)超聲波在氣室內(nèi)遇到檢測(cè)器后會(huì)被反射，形成振蕩。為了精確的測(cè)定聲速，人們從想出了很多方法來(lái)提高檢測(cè)精度，比如從優(yōu)化超聲波開(kāi)始發(fā)射與檢測(cè)到的時(shí)間入手；也有從從相位的相移入手來(lái)提高時(shí)間檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性。在超聲波氣體傳感器中，時(shí)間的測(cè)量分辨率已經(jīng)可以達(dá)到ps級(jí)。
糟糕的是由于溫度、壓力都會(huì)對(duì)聲速產(chǎn)生影響，使得在實(shí)際使用過(guò)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(shí)超聲波發(fā)生和接受器件的延時(shí)也在ns級(jí)，且受溫度影響。另外，超聲波的振蕩也會(huì)加大干擾聲速的檢測(cè)。因此利用聲波測(cè)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(jī)中的氧氣測(cè)量。
三．超聲波氧氣傳感器的優(yōu)勢(shì)與缺陷
超聲波氧氣傳感模塊的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。
一是成本優(yōu)勢(shì)。超聲波氧氣傳感模塊具有無(wú)與倫比的成本優(yōu)勢(shì)，特別是除了測(cè)量濃度外，還可以對(duì)流量進(jìn)行檢測(cè)，使得其用于家用制氧機(jī)中具有絕對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)。
二是制造工藝簡(jiǎn)單。測(cè)量的時(shí)間與濃度具有理論對(duì)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(shí)現(xiàn)免標(biāo)定，相比其他方法免除了單個(gè)產(chǎn)品的逐一校準(zhǔn)，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(gè)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(guò)溫濕度及壓力補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用中也難以取得好的效果；
三是測(cè)量氣體的背景氣有限制，主要測(cè)量?jī)煞N氣體的混合氣，如果需要測(cè)量多種氣體的混合氣，則需要其中兩種氣體的比例相對(duì)穩(wěn)定才有可能實(shí)現(xiàn)。
四、未來(lái)超聲波譜氣體傳感器展望
基于聲速進(jìn)行氧氣檢測(cè)雖然存在很多不足，但相關(guān)研究還在不斷進(jìn)行，比如有學(xué)者期望構(gòu)建超聲波譜進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)，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(huì)給氣體檢測(cè)帶來(lái)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(cè)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(jìn)行氣體檢測(cè)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(jìn)一步提高，可以進(jìn)一步提高聲速測(cè)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(guò)程檢測(cè)以及其他可靠性和穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域。由一個(gè)屌絲逆襲成為氣體分析領(lǐng)域的高富帥。
轉(zhuǎn)載：極善思傳感技術(shù)微信公眾號(hào)于2019年1月19日發(fā)布的文章
