超(chao)聲波氧氣傳(chuan)感(gan)器的(de)工作原理(li)是什麽?

超(chao)聲波氧氣傳(chuan)感(gan)器的(de)工作原理(li)核(he)心是“利用氧氣與(yu)其他(ta)氣(qi)體（如(ru)氮(dan)氣(qi)）的(de)聲速(su)差(cha)異(yi)，通過測量聲波傳播(bo)時間計(ji)算(suan)氧氣濃(nong)度”，具(ju)體(ti)過程(cheng)如下(xia)：

 

壹(yi)、核(he)心依據(ju)：氣(qi)體成分(fen)影響聲速(su)傳播(bo)

 

聲波在氣(qi)體中(zhong)的(de)傳(chuan)播(bo)速(su)度與(yu)氣體的分(fen)子量、溫度(du)等密(mi)切(qie)相關(guan)。在相同(tong)溫度下(xia)：

 

氧氣（O₂）的(de)分(fen)子量為32g/mol，聲速(su)約為(wei)320m/s；

 

氮(dan)氣(qi)（N₂）的分(fen)子量為28g/mol，聲速(su)約為(wei)334m/s；

 

混(hun)合(he)氣體中，氧氣濃(nong)度越高，整(zheng)體混(hun)合(he)氣(qi)體的平(ping)均分(fen)子量越大(da)，聲速(su)則越低。

 

因(yin)此，通過測量聲波在混(hun)合氣(qi)體(ti)中(zhong)的(de)傳播(bo)速(su)度，可(ke)反(fan)推出(chu)氧氣的(de)占比(bi)。

 

二(er)、傳(chuan)感(gan)器結(jie)構(gou)：雙聲道(dao)設(she)計(ji)實(shi)現(xian)精(jing)準(zhun)測量

 

超(chao)聲波氧氣傳(chuan)感(gan)器通常(chang)包含以下(xia)核(he)心部(bu)件：

 

壹(yi)對超(chao)聲波換能(neng)器：分(fen)別(bie)作為(wei)聲波發(fa)射器和(he)接收(shou)器，對稱(cheng)安(an)裝在測量腔體(ti)兩端(duan)（間距(ju)固定），可(ke)雙向(xiang)發(fa)射/接收(shou)聲波（即A→B和(he)B→A兩個(ge)方向(xiang)）。

 

測量腔體(ti)：供(gong)被測氣體(ti)流過的封(feng)閉通道(dao)，確保氣(qi)體(ti)均勻(yun)分(fen)布。

 

溫度傳(chuan)感(gan)器：實(shi)時監(jian)測腔體(ti)內部(bu)溫(wen)度，用於(yu)聲速(su)的溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)（因(yin)為溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)會顯(xian)著影(ying)響(xiang)聲速(su)，需(xu)修正(zheng)誤差(cha)）。

 

三、測量過程(cheng)：通過時間差(cha)計(ji)算(suan)氧氣濃(nong)度

 

雙(shuang)向發(fa)射聲波：

 

發(fa)射器交替(ti)向(xiang)兩個(ge)方向(xiang)發(fa)射超聲波，分(fen)別(bie)記(ji)錄(lu)聲波從A到(dao)B、從B到(dao)A的(de)傳(chuan)播(bo)時間（t₁和(he)t₂）。由(you)於(yu)腔體(ti)長度固定（設(she)為L），可(ke)計(ji)算(suan)出兩個(ge)方向(xiang)的(de)聲速(su)：v₁=L/t₁，v₂=L/t₂。

 

消除(chu)氣流幹擾：

 

若(ruo)測量環(huan)境(jing)存(cun)在氣(qi)體流(liu)動（如管道(dao)內氣流(liu)），會導(dao)致(zhi)兩個(ge)方向(xiang)的(de)聲速(su)產生(sheng)偏(pian)差(cha)（順流聲速(su)加快，逆流減慢(man)）。通過計(ji)算(suan)平均聲速(su)v=(v₁+v₂)/2，可(ke)抵(di)消氣(qi)流影響(xiang)，得(de)到穩定的(de)氣(qi)體本身(shen)聲速(su)。

 

換算(suan)氧氣濃(nong)度：

 

已(yi)知(zhi)空氣（主要(yao)成分(fen)為O₂和N₂）中，聲速(su)與(yu)氧氣濃(nong)度呈(cheng)線(xian)性關(guan)系(xi)（溫度(du)恒(heng)定下(xia)）。傳感(gan)器內(nei)置(zhi)算(suan)法(fa)會根(gen)據(ju)實(shi)測平均聲速(su)v，結合(he)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)數(shu)據，對照(zhao)預(yu)設(she)的校準曲(qu)線(xian)（如(ru)0%氧氣對應(ying)氮(dan)氣(qi)聲速(su)，21%氧氣對應(ying)空氣聲速(su)），直(zhi)接輸出氧氣濃(nong)度值(zhi)（通常(chang)為(wei)體積(ji)百(bai)分(fen)比(bi)）。

 

四(si)、優勢與(yu)適用場(chang)景(jing)

 

非消耗(hao)性：無(wu)需(xu)化學反(fan)應（區(qu)別(bie)於(yu)電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器），壽(shou)命(ming)長（可(ke)達5-10年(nian)）；

 

抗幹擾強(qiang)：不(bu)受(shou)濕(shi)度、部(bu)分(fen)有害(hai)氣(qi)體(ti)（如(ru)CO₂）影響，適用(yong)於(yu)復雜環(huan)境(jing)。

 

常見於(yu)醫療供(gong)氧設(she)備、工業(ye)氣(qi)體(ti)監(jian)測、汽車(che)尾(wei)氣分(fen)析等場(chang)景(jing)。

 

總結

 

超(chao)聲波氧氣傳(chuan)感(gan)器通過“聲速(su)差(cha)異(yi)-時間測量-濃(nong)度換(huan)算(suan)”的邏輯(ji)，利用物(wu)理(li)特性實(shi)現(xian)氧氣濃(nong)度檢(jian)測，核(he)心是對聲波傳播(bo)速(su)度的(de)精(jing)準(zhun)捕捉(zhuo)與(yu)算(suan)法(fa)校準，兼顧了穩(wen)定性和(he)長壽命(ming)。