一般來(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，新的核心技術(shù)可能會(huì)改變基本原理，例如，當(dāng)高效LED代替燈泡時(shí)，光學(xué)氣體傳感技術(shù)中正在發(fā)生這種情況。使用高效LED技術(shù)時(shí)，一個(gè)問(wèn)題是傳感器消耗的功率更多。要理解這一點(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。

　　光學(xué)氣體傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

　　非色散紅外（NDIR）氣體傳感已廣泛應(yīng)用于氣體傳感中，它堅(jiān)固，可靠且具有成本效益。它還提供了免維護(hù)操作，已成為工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用的主要選擇。

　　例如，NDIR氣體傳感屬于傳感器技術(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)受到傳感器的影響，然后被檢測(cè)器檢測(cè)到。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，能量被轉(zhuǎn)換為光，然后與氣體濃度成比例地被目標(biāo)氣體吸收。最后，光電探測(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?？梢愿鶕?jù)比爾-朗伯定律調(diào)整光路的長(zhǎng)度，以適應(yīng)測(cè)量范圍。較長(zhǎng)的光路往往會(huì)提供更高的分辨率，但會(huì)飽和。度是價(jià)格。

　　另外，必須仔細(xì)選擇干涉濾光片，以最大程度地提高對(duì)目標(biāo)氣體的靈敏度。它必須能夠抑制對(duì)其他氣體的交叉敏感性，并使溫度變化和老化最小化。必須精心設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)器，以利用AD轉(zhuǎn)換器的容量。

　　通常，光源以約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)以獲得要檢測(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頻帶內(nèi)的干擾，并且與白熾燈和紅外熱探測(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，并且在低功耗優(yōu)化方面存在一些不直觀的功能。節(jié)省功率時(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)換為分辨率的屬性。靈敏度由頻譜決定，通常在不犧牲測(cè)量范圍的情況下無(wú)法調(diào)整以節(jié)省功率。占空比是優(yōu)化低功耗時(shí)要調(diào)整的第一個(gè)參數(shù)。因?yàn)樗前雌椒礁s放的，所以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100ms（占空比=10％）調(diào)整為每10秒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)降低光源的輸入功率。但是，SNR隨功率降低而線性縮放，這不如通過(guò)減小占空比來(lái)節(jié)省相同的功率那樣有利。

　　從系統(tǒng)的角度來(lái)看，最大化輸入功率和降低占空比是最節(jié)能的。假設(shè)您可以將超過(guò)10倍的功率推入光源，并從透鏡中獲得10倍以上的光。增加的峰值功率將使您可以在保持分辨率的同時(shí)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)，但同樣重要。

　　什么是燈的LED技術(shù)？

　　實(shí)際上是Catch22。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)代的室溫紅外光電二極管的信噪比SNR高8倍，這可以使光源更弱但效率更高，或?qū)⒄伎毡冉档?4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。盡管它具有白熾燈，但它使用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)非常緩慢。不可能通過(guò)減少開(kāi)啟時(shí)間來(lái)處理占空比，長(zhǎng)期關(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)和增加觀察結(jié)果延遲的風(fēng)險(xiǎn)。

　　燈的另一個(gè)缺點(diǎn)是幾何形狀定義不正確，其中輻射燈絲散布在幾毫米的空間中，誤差約為0.5毫米。使用小型化的光學(xué)裝置，不可能有效地收集光。另一方面，LED的發(fā)射面積小但定義明確，可以以優(yōu)于0.1mm的精度進(jìn)行定位。

　　Senseair Sunrise開(kāi)發(fā)了用于精確定位的LED，以實(shí)現(xiàn)30％的光學(xué)效率?？梢詫⑵渑cSenseair S8或LP8等傳統(tǒng)NDIR傳感器的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仍然使用0.5mW的平均功率。