【導讀】通常來(lái)說(shuō)傳感器的設計簡(jiǎn)單明了，通?？梢栽诠β?，測量時(shí)間或傳感器尺寸方面實(shí)現更好的性能。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(lèi)應用的主要選擇。
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(guò)氣體并由窄帶檢測器感測，該檢測器經(jīng)過(guò)調整以匹配氣體的吸收波長(cháng)。
在這種情況下，能量轉化為光，然后與氣體濃度成比例地被目標氣體吸收，最后，光檢測器測量剩余的光量。
該方法涉及許多工程問(wèn)題，例如提供穩定的光路，該光路的長(cháng)度可以根據比爾-朗伯定律進(jìn)行調整，以適應測量范圍，其中較長(cháng)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，必須謹慎選擇干涉濾光片，以最大程度地提高對目標氣體的敏感性。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。
電氣驅動(dòng)必須經(jīng)過(guò)仔細設計，利用AD轉換器的容量。
通常，光源以大約100毫秒的接通時(shí)間進(jìn)行切換，以補償熱漂移以及來(lái)自環(huán)境光和電信號的干擾。當光源關(guān)閉時(shí)，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(shí)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(shí)間常數兼容。
這種將能量轉換為信號的傳感器在檢測到目標時(shí)會(huì )受到目標的影響，而在低功耗優(yōu)化方面則存在一些非直覺(jué)的特性。
當節電時(shí)，信噪比SNR最終會(huì )引起問(wèn)題，并確定檢測極限（檢測達到的最大距離），SNR是轉化為分辨率的屬性。
靈敏度由光譜確定，在不犧牲測量范圍的情況下，通常無(wú)法進(jìn)行調整以節省功率。
占空比是針對低功耗進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要調整的第一個(gè)參數。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大工具。
假設您將燈泡的開(kāi)啟時(shí)間從每秒開(kāi)啟100ms（占空比= 10％）調整為每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)補償低分辨率是昂貴的。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。
節省功率的另一種方法是在開(kāi)啟時(shí)間內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)節省相同的功率有利。
從系統角度來(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功耗的唯一參數，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)減少檢測器干擾或提高光學(xué)效率來(lái)補償。
首先，與傳統的熱電堆傳感器相比，現代的室溫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(diǎn)很明顯，在這些低占空比下，燈絲響應很慢。
無(wú)法通過(guò)減少開(kāi)啟時(shí)間來(lái)處理占空比，并且長(cháng)時(shí)間關(guān)閉會(huì )導致每個(gè)樣本之間的間隔變長(cháng)，因此存在丟失數據的風(fēng)險，并給觀(guān)察結果增加了延時(shí)。
燈的另一個(gè)缺點(diǎn)是幾何形狀定義不當，其中輻射燈絲散布在幾毫米的空間內，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30％的光學(xué)效率。這可以與傳統NDIR傳感器（如Senseair S8或LP8）的3％效率進(jìn)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。
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