如果要找出市场上最低成本的氧气检测模块，非超声波氧气传感器不可，批量采购低至百多元的价格，造就了无与伦比的高性价比，说他是氧气检测分析领域的屌丝毫不为过。
一．声速法氧气检测原理
早在1635 年，法国人伽桑第用枪声做了声速的测量，假设发枪的火花传播不需要时间，测得声速为478.4m/s。大约100年后的1738年，法国科学院组织了大气中（无风时）的声速测量，用加农炮声得到的结果折合到摄氏零度是322m/s。以后两个世纪的精确测量，出入都不出百分之一。
同时，被上帝苹果砸中的牛顿于1687年在他著名的《自然哲学的数学原理》一书中推导出声速等于压力与密度之比，天才的推断总是让人不可琢磨；直到 1749 年，瑞士著名的数学家欧拉才用通俗易懂的方法推导出了牛顿的公式。
图1 大科学家欧拉和牛顿
到了1827年，瑞士物理学家科拉顿和他的助手在日内瓦湖上进行了水中声速测量。两位测量者分乘在两只船上，两船的距离为13847米，其中一只船在水下放一个钟，当钟敲响时，船上的火药同时发光。另一只船上则在水里放一个听音器，他看到火药发光后开始计时,听到了水下钟声停止计时。实验测得水中声速为1435米/秒。应该也就是从那时候起，人们明确了在不同介质中声波的传播速度是不同的。
图2 水中声速的测量
众所周知空气中声音的传播速度大约为是331m/s，而相同条件下，声音在氮气中的传播速度就变成了356m/s。
即声音在不同气体中传播速度是不一样的，而且与气体浓度成比例，只要能准确测定声速，也就能实现氧气的测量。二．超声波氧气传感器实现
为了避免环境中声音的干扰，一般采用超声波进行测量，而且超声波发射与接收装置具有极高的性价比。如图3是某宝中测距用的一对超声波发射与接收头的搜索结果，成本只需几元钱。
图3 超声波换能器
超声波氧气传感器实现的基本框架如图4所示，在单片机的控制下，发射端发出超声脉冲，接收端接收，计算发射与接收之间的时间差。由于传感器的尺寸的限制，只能在10几厘米的长度内实现声速的测量。
图4 超声波氧气传感器实现的基本框架
假如气室长度为10cm，声速为330m/s，经过的时间只需要0.3ms，如果声速为355m/s，经过的时间约为0.28ms。两者相差0.02ms，即20us。也就是大约20us的时间跨度对应21~100%的氧气。如果分辨率要达到0.1%，需要达到的时间分辨率大约为25ns。
由于目前超声波换能器性能的限制，存在较大的延迟；同时超声波在气室内遇到检测器后会被反射，形成振荡。为了精确的测定声速，人们从想出了很多方法来提高检测精度，比如从优化超声波开始发射与检测到的时间入手；也有从从相位的相移入手来提高时间检测灵敏度和稳定性。在超声波气体传感器中，时间的测量分辨率已经可以达到ps级。
糟糕的是由于温度、压力都会对声速产生影响，使得在实际使用过程中结果总是显得不稳定。比如研究表明温度每升高10℃，声速快6m/s。同时超声波发生和接受器件的延时也在ns级，且受温度影响。另外，超声波的振荡也会加大干扰声速的检测。因此利用声波测量氧气浓度分辨率较低，稳定性较差，目前主要用于家用制氧机中的氧气测量。
三．超声波氧气传感器的优势与缺陷
超声波氧气传感模块的优势主要表现在两个方面。
一是成本优势。超声波氧气传感模块具有无与伦比的成本优势，特别是除了测量浓度外，还可以对流量进行检测，使得其用于家用制氧机中具有绝对的成本优势。
二是制造工艺简单。测量的时间与浓度具有理论对应关系，因此优秀的制造工艺使得超声波传感模块实现免标定，相比其他方法免除了单个产品的逐一校准，可以快速提高产能。
超声波氧气传感模块的缺陷主要包括三个方面。
一是灵敏度低，一般只能做到0.1%；
二是环境干扰影响大，即使通过温湿度及压力补偿，在实际应用中也难以取得好的效果；
三是测量气体的背景气有限制，主要测量两种气体的混合气，如果需要测量多种气体的混合气，则需要其中两种气体的比例相对稳定才有可能实现。
四、未来超声波谱气体传感器展望基于声速进行氧气检测虽然存在很多不足，但相关研究还在不断进行，比如有学者期望构建超声波谱进行气体浓度检测，超声波谱即声音在气体中的传播速度不仅与气体浓度有关还与声音的频率有关，如图5所示，
不同频率的声波在相同的气体介质中传播速度也有所不同。这一特性可能会给气体检测带来新的技术手段。
图5 97%N2+3%H2O的声速谱(注)
注：贾雅琼，气体超声波谱的构建及其在气体探测中的应用[D]华中科技大学博士学位论文
声波谱理论的发展使得利用声学进行气体检测具有更加广阔的空间，
可以使相关应用从二元混合气体推广到三元以上的混合气体中。另外，随着声换能器件稳定性的进一步提高，可以进一步提高声速测量的分辨率。配合恒温恒压等辅助手段，利用声学原理的气体分析模块也可能成为适用于工业过程检测以及其他可靠性和稳定性要求较高的领域。由一个屌丝逆袭成为气体分析领域的高富帅。
