CN203337614U

CN203337614U - 一种超声波氧浓度传感器

Info

Publication number: CN203337614U
Application number: CN2013203912999U
Authority: CN
Inventors: 汪海兵; 周群; 贺大兴; 汪伟; 斯力军; 章四兵; 沈军霞; 李健; 杨光; 卜英桥; 聂泽昇
Original assignee: HEFEI WISE ELECTRONIC APPLIANCE FACTORY
Current assignee: HEFEI WISE ELECTRONIC APPLIANCE FACTORY
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-07-01

Abstract

本实用新型涉及一种超声波氧浓度传感器，包括传感器单元和信号处理控制单元，传感器单元包括设有圆柱形内腔的密闭容器、两个超声探头组件以及多路模拟开关，超声探头分别安装容器两端并与多路模拟开关相连，容器外壁上设置有通向内腔的气体入口和气体出口，容器内腔设置有温度传感器和压力传感器；信号处理控制单元包括单片机和依次相连的差分放大比较模块、模拟开关、时钟源，单片机分别与温度传感器、压力传感器、多路模拟开关、差分放大比较模块、模拟开关相连。本实用新型的超声波氧浓度传感器，结构设计合理，具有使用简便、寿命长、测氧范围宽、响应时间快，不受流量干扰等优点，且生产成本较低，利于大批量生产使用。

Description

一种超声波氧浓度传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器领域，尤其涉及一种超声波氧浓度传感器。

背景技术

变压吸附（PSA）式医用制氧机与传统制氧机相比，具有成本低、寿命长、操作方便、安全可靠等优点。但是制氧机即使在无故障状态下，随着使用时间的延长，一些关键部件逐渐老化，产氧浓度也会随之下降。因此，为了确保产氧浓度满足医疗要求，一些制氧机上安装了氧浓度检测装置，当氧浓度低于一定标准时发出报警信号，提示用户对制氧机进行维护。氧浓度检测装置的核心器件是氧浓度传感器，目前主流的氧浓度传感器按其材料及原理主要有电化学式和金属氧化物等。上述两种氧浓度传感器都具有时效性，老化后响应速度会变慢，输出信号幅度变低，或偏离出厂校准时的输出曲线，需要重新校准才能满足使用要求。而且，上述两种传感器生产成本较高，不利于大批量使用。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种长寿命、检测范围宽、响应时间快的超声波氧浓度检测装置。

本实用新型所采用的技术方案：

一种超声波氧浓度传感器，包括传感器单元和信号处理控制单元，传感器单元包括设有圆柱形内腔的密闭容器、第一超声探头组件、第二超声探头组件以及多路模拟开关，第一超声探头组件、第二超声探头组件分别安装于密闭容器两端并与多路模拟开关相连，密闭容器外壁上设置有通向内腔的气体入口和气体出口，密闭容器内腔设置有温度传感器和压力传感器；信号处理控制单元包括单片机和依次相连的差分放大比较模块、模拟开关和时钟源，单片机分别与温度传感器、压力传感器、多路模拟开关、差分放大比较模块及模拟开关相连。

密闭容器为圆柱形。

第一超声探头组件和第二超声波探头组件的超声波谐振频率均为40kHz。

多路模拟开关为2选1模拟开关。

时钟源的频率为20MHz。

温度传感器和压力传感器均为模拟输入采样。

单片机与上位机相连。

本实用新型的有益效果：

本实用新型采用的超声波检测氧浓度，相比传统的电化学式和金属氧化物氧浓度检测装置，其结构设计合理，具有使用简便、寿命长、测氧范围宽、响应时间快，不受流量干扰等优点。而且，本实用新型的超声波氧浓度传感器生产成本较低，利于大批量生产使用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型包括传感器单元和信号处理控制单元，传感器单元包括设有圆柱形内腔的圆柱形密闭容器10、多路模拟开关13和分别安装于密闭容器10两端并与多路模拟开关13相连的第一超声探头组件11和第二超声探头组件12。密闭容器10外壁上设置有通向内腔的气体入口16和气体出口17，密闭容器10内腔设置有温度传感器14和压力传感器15，温度传感器14和压力传感器15均为模拟输入采样。信号处理控制单元包括单片机20和依次相连的差分放大比较模块21、模拟开关22、时钟源23，时钟源23的频率为20MHz，单片机20分别与温度传感器14、压力传感器15、多路模拟开关13、差分放大比较模块21、模拟开关22相连；单片机20与上位机30相连。

第一、二超声波探头组件11、12兼具超声波的发射和接收功能，分时互相收发。进行氧浓度检测时，氧气由气体入口16进入再由气体出口17排出。在检测的起始阶段，第一超声波探头组件11为发射状态、第二超声波探头组件12为接收状态。第一超声波探头组件11发出40kHz的超声波信号，待超声波探头组件12接收到信号，通过处理获得超声波顺气流传播时间为t₁。接着，再将超声波探头组件12改为发射状态、超声波探头组件11改为接收状态，超声波探头组件12发出40kHz的超声波信号，待超声波探头组件11接收到信号，通过处理获得超声波逆气流传播时间为t₂，传播行程L为已知值，将t₁、t₂、L以及温度传感器14、压力传感器15的检测数据传输至单片机20，该轮检测结束。重复述操作数次，取平均值开始参数计算，设超声波传播速度为V₁，气体的流速为V₂，则可推导出以下关系式：

t_{1} = \frac{L}{V_{1} + V_{2}}, t_{2} = \frac{L}{V_{1} - V_{2}},

令：△t=t₂-t₁，∑t=t₂+t₁，则：

Δt = \frac{L}{V_{1} - V_{2}} - \frac{L}{V_{1} + V_{2}}, Σt = \frac{L}{V_{1} - V_{2}} + \frac{L}{V_{1} + V_{2}} .

可推导得：

由

Σt + Δt = \frac{2 L}{V_{1} - V_{2}},

得

V_{1} - V_{2} = \frac{2 L}{Σt + Δt};

及由

Σt - Δt = \frac{2 L}{V_{1} + V_{2}},

得

V_{1} + V_{2} = \frac{2 L}{Σt - Δt} .

由此可得：

V_{1} = \frac{L}{Σt - Δt} + \frac{L}{Σt + Δt},

V_{2} = \frac{L}{Σt - Δt} - \frac{L}{Σt + Δt}

其中V₂即为气体的流速，而超声波传播速度V₁则映射了气体的浓度，配合温度传感器14、压力传感器15的检测数据，通过计算即可获得通过传感器单元的氧气浓度，单片机20通过UART口将氧浓度数据传输至上位机。

Claims

1.一种超声波氧浓度传感器，包括传感器单元和信号处理控制单元，其特征在于：所述传感器单元包括设有圆柱形内腔的密闭容器、第一超声探头组件、第二超声探头组件以及多路模拟开关，所述第一超声探头组件、第二超声探头组件分别安装于密闭容器两端并与多路模拟开关相连，所述密闭容器外壁上设置有通向内腔的气体入口和气体出口，密闭容器内腔设置有温度传感器和压力传感器；所述信号处理控制单元包括单片机和依次相连的差分放大比较模块、模拟开关和时钟源，单片机分别与温度传感器、压力传感器、多路模拟开关、差分放大比较模块及模拟开关相连。

2.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述密闭容器为圆柱形。

3.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述第一超声探头组件和第二超声波探头组件的超声波谐振频率均为40kHz。

4.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述多路模拟开关为2选1模拟开关。

5.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述时钟源的频率为20MHz。

6.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述温度传感器和压力传感器均为模拟输入采样。

7.根据权利要求1所述超声波氧浓度传感器，其特征在于：所述单片机与上位机相连。