光學(xué)氣體傳感器設(shè)計的基本物理原理解析

通常來說傳感器的設(shè)計簡單明了，通常可以在功率，測量時間或傳感器尺寸方面實現(xiàn)更好的性能。但是，有時候，新的核心技術(shù)可能會改變基本原理，例如當(dāng)高效率的LED取代燈泡時，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，一個問題是耗電較大的傳感器。要了解這一點，我們必須深入研究與傳感器設(shè)計相關(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，它堅固，可靠且具有成本效益。它還提供了免維護的操作，并且成為了工業(yè)和消費類應(yīng)用的主要選擇。

比如說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，然后信號受傳感器的影響，然后由檢測器檢測到該信號。

使用NDIR氣體感測，紅外光穿過氣體并由窄帶檢測器感測，該檢測器經(jīng)過調(diào)整以匹配氣體的吸收波長。

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，光檢測器測量剩余的光量。

該方法涉及許多工程問題，例如提供穩(wěn)定的光路，該光路的長度可以根據(jù)比爾-朗伯定律進行調(diào)整，以適應(yīng)測量范圍，其中較長的光路往往會提供更高的分辨率，但會以飽和度為代價。

另外，必須謹慎選擇干涉濾光片，以最大程度地提高對目標(biāo)氣體的敏感性。它必須能夠抑制對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)動必須經(jīng)過仔細設(shè)計，利用AD轉(zhuǎn)換器的容量。

通常，光源以大約100毫秒的接通時間進行切換，以補償熱漂移以及來自環(huán)境光和電信號的干擾。當(dāng)光源關(guān)閉時，從檢測器信號中減去檢測器信號，即可得出要檢測的信號。

選擇100ms的時間段是因為它可以完美地抑制50Hz和60Hz頻段的干擾，并且與白熾燈和熱紅外探測器（如熱電堆和熱電探測器）相對較慢的時間常數(shù)兼容。

這種將能量轉(zhuǎn)換為信號的傳感器在檢測到目標(biāo)時會受到目標(biāo)的影響，而在低功耗優(yōu)化方面則存在一些非直覺的特性。

當(dāng)節(jié)電時，信噪比SNR最終會引起問題，并確定檢測極限（檢測達到的最大距離），SNR是轉(zhuǎn)化為分辨率的屬性。

靈敏度由光譜確定，在不犧牲測量范圍的情況下，通常無法進行調(diào)整以節(jié)省功率。

占空比是針對低功耗進行優(yōu)化時要調(diào)整的第一個參數(shù)。由于它按平方根縮放，因此它是一種在不損失過多分辨率的情況下降低功耗的強大工具。

假設(shè)您將燈泡的開啟時間從每秒開啟100ms（占空比= 10％）調(diào)整為每10秒開啟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，通過增加占空比來補償?shù)头直媛适前嘿F的。如果通過增加占空比來獲得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啟時間內(nèi)減少光源的輸入功率。但是，SNR隨功率降低而線性縮放，這不如通過降低占空比來節(jié)省相同的功率有利。

從系統(tǒng)角度來看，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)

這實際上是Catch 22，由于總功率會增加，因此無法使用低功率LED技術(shù)。

低功率只能通過減少檢測器干擾或提高光學(xué)效率來補償。

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器。這里的缺點很明顯，在這些低占空比下，燈絲響應(yīng)很慢。

無法通過減少開啟時間來處理占空比，并且長時間關(guān)閉會導(dǎo)致每個樣本之間的間隔變長，因此存在丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險，并給觀察結(jié)果增加了延時。

燈的另一個缺點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，可以以優(yōu)于0.1mm的精度進行定位。

Senseair Sunrise已開發(fā)用于精確定位的LED，從而實現(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％效率進行比較。

盡管光源相對較弱，但由于提高了光效率，Sunrise仍使用0.5mW的平均功率。
編輯：hfy