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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（O?）的分子量为32g/mol，声速约为320m/s；
氮气（N?）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（t?和t?）。由于腔体长度固定（设为L），可计算出两个方向的声速：v?=L/t?，v?=L/t?。
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=(v?+v?)/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O?和N?）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CO?）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。
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