【導(dǎo)讀】通常來(lái)說(shuō)傳感器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，通?？梢栽诠β?，測(cè)量時(shí)間或傳感器尺寸方面實(shí)現(xiàn)更好的性能。但是，有時(shí)候，新的核心技術(shù)可能會(huì)改變基本原理，例如當(dāng)高效率的LED取代燈泡時(shí)，而今天在光學(xué)氣體傳感技術(shù)方面正在發(fā)生這種情況。使用高效的LED技術(shù)時(shí)，一個(gè)問(wèn)題是耗電較大的傳感器。要了解這一點(diǎn)，我們必須深入研究與傳感器設(shè)計(jì)相關(guān)的基本物理原理。
非分散紅外（NDIR）氣體傳感在氣體傳感方面得到了廣泛的應(yīng)用，它堅(jiān)固，可靠且具有成本效益。它還提供了免維護(hù)的操作，并且成為了工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的主要選擇。
比如說(shuō)NDIR氣體，它傳感屬于傳感技術(shù)系列，它的工作原理是將能量轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)，然后信號(hào)受傳感器的影響，然后由檢測(cè)器檢測(cè)到該信號(hào)。
使用NDIR氣體感測(cè)，紅外光穿過(guò)氣體并由窄帶檢測(cè)器感測(cè)，該檢測(cè)器經(jīng)過(guò)調(diào)整以匹配氣體的吸收波長(zhǎng)。
在這種情況下，能量轉(zhuǎn)化為光，然后與氣體濃度成比例地被目標(biāo)氣體吸收，最后，光檢測(cè)器測(cè)量剩余的光量。
該方法涉及許多工程問(wèn)題，例如提供穩(wěn)定的光路，該光路的長(zhǎng)度可以根據(jù)比爾-朗伯定律進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)測(cè)量范圍，其中較長(zhǎng)的光路往往會(huì)提供更高的分辨率，但會(huì)以飽和度為代價(jià)。
另外，必須謹(jǐn)慎選擇干涉濾光片，以最大程度地提高對(duì)目標(biāo)氣體的敏感性。它必須能夠抑制對(duì)其他氣體的交叉敏感性，使溫度變化和老化降低到最小。
電氣驅(qū)動(dòng)必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，利用AD轉(zhuǎn)換器的容量。
通常，光源以大約100毫秒的接通時(shí)間進(jìn)行切換，以補(bǔ)償熱漂移以及來(lái)自環(huán)境光和電信號(hào)的干擾。當(dāng)光源關(guān)閉時(shí)，從檢測(cè)器信號(hào)中減去檢測(cè)器信號(hào)，即可得出要檢測(cè)的信號(hào)。
選擇100ms的時(shí)間段是因?yàn)樗梢酝昝赖匾种?0Hz和60Hz頻段的干擾，并且與白熾燈和熱紅外探測(cè)器（如熱電堆和熱電探測(cè)器）相對(duì)較慢的時(shí)間常數(shù)兼容。
這種將能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)的傳感器在檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)會(huì)受到目標(biāo)的影響，而在低功耗優(yōu)化方面則存在一些非直覺(jué)的特性。
當(dāng)節(jié)電時(shí)，信噪比SNR最終會(huì)引起問(wèn)題，并確定檢測(cè)極限（檢測(cè)達(dá)到的最大距離），SNR是轉(zhuǎn)化為分辨率的屬性。
靈敏度由光譜確定，在不犧牲測(cè)量范圍的情況下，通常無(wú)法進(jìn)行調(diào)整以節(jié)省功率。
占空比是針對(duì)低功耗進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要調(diào)整的第一個(gè)參數(shù)。由于它按平方根縮放，因此它是一種在不損失過(guò)多分辨率的情況下降低功耗的強(qiáng)大工具。
假設(shè)您將燈泡的開(kāi)啟時(shí)間從每秒開(kāi)啟100ms（占空比= 10％）調(diào)整為每10秒開(kāi)啟100ms（占空比= 1％），則可以以10倍的成本獲得10倍的功率。
另一方面，通過(guò)增加占空比來(lái)補(bǔ)償?shù)头直媛适前嘿F的。如果通過(guò)增加占空比來(lái)獲得10倍的分辨率，則需要100倍的功率。
節(jié)省功率的另一種方法是在開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)減少光源的輸入功率。但是，SNR隨功率降低而線(xiàn)性縮放，這不如通過(guò)降低占空比來(lái)節(jié)省相同的功率有利。
從系統(tǒng)角度來(lái)看，最大化輸入功率并降低占空比是最省電的。
假設(shè)您可以將10倍以上的功率推入光源，并獲得10倍以上的光出鏡。增加的峰值功率將使您可以在保持分辨率的情況下將占空比降低100倍，并將總功耗降低10倍。
光源效率不是決定系統(tǒng)功耗的唯一參數(shù)，但是同樣重要。
燈到LED技術(shù)
這實(shí)際上是Catch 22，由于總功率會(huì)增加，因此無(wú)法使用低功率LED技術(shù)。
低功率只能通過(guò)減少檢測(cè)器干擾或提高光學(xué)效率來(lái)補(bǔ)償。
首先，與傳統(tǒng)的熱電堆傳感器相比，現(xiàn)代的室溫IR光電二極管的信噪比SNR高8倍，從而可以使光源更弱但效率更高，或者使占空比減少64倍。
因此推出了首款性能可與傳統(tǒng)傳感器媲美的低功耗NDIR CO2傳感器。
Senseair LP8的功率為0.7mW，雖然具有白熾燈，但它利用了高分辨率的光電探測(cè)器。這里的缺點(diǎn)很明顯，在這些低占空比下，燈絲響應(yīng)很慢。
無(wú)法通過(guò)減少開(kāi)啟時(shí)間來(lái)處理占空比，并且長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致每個(gè)樣本之間的間隔變長(zhǎng)，因此存在丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，并給觀察結(jié)果增加了延時(shí)。
燈的另一個(gè)缺點(diǎn)是幾何形狀定義不當(dāng)，其中輻射燈絲散布在幾毫米的空間內(nèi)，并且誤差約為±0.5毫米。
使用小型化的光學(xué)器件，不可能高效地收集燈光。另一方面，LED具有較小但定義明確的發(fā)射區(qū)域，可以以?xún)?yōu)于0.1mm的精度進(jìn)行定位。
Senseair Sunrise已開(kāi)發(fā)用于精確定位的LED，從而實(shí)現(xiàn)30％的光學(xué)效率。這可以與傳統(tǒng)NDIR傳感器（如Senseair S8或LP8）的3％效率進(jìn)行比較。
盡管光源相對(duì)較弱，但由于提高了光效率，Sunrise仍使用0.5mW的平均功率。
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