1 引言

现有的氧浓度传感器通常基于电化学或锆技术。虽然这是一项成熟的技术，但近期的技术趋势是提高集成度、减小尺寸和降低功耗，因此，设备制造商开始寻找可更好地满足这些新要求的其他实现方式。超声波传感器使用寿命长，不需要像电化学或锆传感器那样每 1-3 年更换或重新校准一次。此技术不仅限于氧感应，它还可以用于其他气体，如氮气、氢气、一氧化二氮、二氧化碳、氩气和氦气。这些传感器常见于通风机、浓缩器和燃烧监测器中。

TI 的 MSP430FR6043 超声波感应解决方案可在从小于 1LPM 到大于 190LPM 的流量范围内实现高精度，测量周期小于 10ms，提高了脉冲氧气应用的精度。

超声波浓度感应依赖于气体介质的声速与其摩尔量之间的关系（请参阅Equation3）。这个原理可以外推到二元气体组分。如果存在的两种气体的摩尔量是已知的（在本应用中简化为氧气和氮气），则可以从混合样品的特定声速 中提取每种气体的体积浓度（请参阅Equation4）。

Equation1.

Equation2.

Equation3.

Equation4.

二元混合气体中的声速是使用 TOF 方程 (1) 确定的。对于低流速应用，例如制氧机或流速为 1LPM – 15LPM 的 CPAP 机器中的应用，气流速度 V 可忽略不计。在这些情况下，C >> V。

TI 的超声波感应技术包括一种基于模数转换器 (ADC) 的交叉相关方法，使用频率信息来确定超声波飞行时间，其精度比现有的基于 TDC 的技术高得多。如需详细了解此独特算法的工作原理以及 TI 的超声波感应子系统 (USS)，请参阅 TIDM-02003。

TI 的超声波感应子系统支持单芯片解决方案，该解决方案可连接到超声波换能器以及运算放大器和多路复用器，以进行高分辨率流量测量。TI 的 USS 与低功耗加速器 (LEA) 和 MSP CPU 集成在一起，可实现平均电流消耗小于 20µA（每秒测量一次）的自主低功耗运行。

TI 的超声波感应子系统（如图 1-1 所示）包括一个可编程脉冲发生器 (PPG) 和一个带有可编程增益放大器 (PGA) 的高速 Σ-Δ 模数转换器，该放大器可以自主激发和捕获超声波波形，以便通过集成式低功耗加速器 (LEA) 进行后续处理。

图 1-1 超声波管

该超声波子系统（如图 1-1 所示）首先激发连接到 CH0_OUT 的“上行”换能器，同时捕获来自连接到 CH0_IN 的“下行”换能器的波形。随后，它激发连接到 CH1_OUT 的“下行”换能器，同时捕获来自连接到 CH1_IN 的“上行”换能器的波形。然后，低功耗加速器处理这些波形，来确定上行飞行时间与下行飞行时间之间的差值。