氧气是工业生产燃料过程中的助燃气体和人类赖以生存的气体。对氧气浓度进行检测也是节能减排,生化控制的手段之一。超声波的测量技术是近现代发展起来的一种新型测量技术,其原理是利用超声波在载体传播过程中携带的信息,对传播载体进行测量。传统氧气传感器,虽然有诸多优点,但是不太适合对气体进行精确分析,比如在电化学氧浓度传感器在测量环境压力变化后就无法准确地测量该环境的氧气浓度。对氧浓度比较高气体进行检测时,传统氧气传感器和氧气直接接触也会存在一定的安全隐患。随着超声波技术的日渐成熟,通过超声波检测氧气浓度可以弥补传统氧气传感器的不足。超声波测量技术按照测量原理的不同可分为时差法,频差法等测量方式。本文利用超声波时差法对气体氧气浓度进行检测。流体经过超声波管道传输,利用超声波时差法,可以计算出超声波顺着流体传播方向的飞行时间,逆着流体传播方向的飞行时间。通过正向飞行时间和逆向飞行时间信息,可以计算出超声波在该介质中传播的速度。不同介质中,超声波的传播速度是不一样的。利用这个原理,不同的传播速度就可以推算出对应的氧气浓度。超声波在气体传输过程中,由于气压的变化,接收波形会产生抖动。为了提高系统的检测稳定性,设计上从硬件和软件上分别做了处理。本文中为了提高超声波信噪比,采用了超声波换能器信号端和接地端仪器接收双极性激励信号,双极性激励信号是用0V和3.3V电压交替使用在信号端和接地端,并且信号端和接地端刚好取反,这种激励方式可以让0-3.3V模拟出-3.3V到+3.3V的效果;同时应在激励信号中加入了相位调制和幅值调制,让接收波形产生.自干涉,便于检测接收波形的首波。整形信号输出两个方波脉冲,一个用于检测首波,一个用于检测过零点计算时间。软件上也通过滤波算法去除正确的飞行时间,提高计时的正确性,软件算法滤波是在一次工作过程中,保存二组过零点飞行时间,选择其中一个作为这次的飞行时间,这样及时出现了错波检测现象也可以通过软件滤波算法把它纠正。最后是对样机的测试,测试通过制氧机作为标准测量机器,制氧机可以输出OL/Min-6L/Min的流速,样机分别检测其流速,记录数据分析。制氧机可以输出32%-92%的氧气浓度,样机也分别测试浓度数据,记录数据并分析。结合市场实际应用需求,本文一方面要优化设计,简化电路,另一方面采用多种滤波算法,如延迟接收技术,连续采样技术等,可减小发射激励对接收信号的影响,提高系统稳定性。本文选用了 stm32作为设计电路的微控制器。Stm32是采用 ARM Cortex-M3内核,它的特点是高性能,低成本,低功耗。设计思路上激励信号采用幅值、相位调试方法,软件采用滤波算法。研制完成了氧气浓度检测的样机。由于目前实验环境限制,只能利用制氧机对样机进行检测。测试表明,样机工作稳定,运行良好。