一般來說，傳感器的設(shè)計簡單明了，通?？梢栽诠β?，測量時間或傳感器尺寸方面實現(xiàn)更好的性能。但是，新的核心技術(shù)可能會改變基本原理，例如，當(dāng)高效LED代替燈泡時，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，一個問題是傳感器消耗的功率更多。要理解這一點，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。
光學(xué)氣體傳感技術(shù)簡介
非色散紅外（NDIR）氣體傳感已廣泛應(yīng)用于氣體傳感中，它堅固，可靠且具有成本效益。它還提供了免維護操作，已成為工業(yè)和消費類應(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，然后信號受到傳感器的影響，然后被檢測器檢測到。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。可以根據(jù)比爾-朗伯定律調(diào)整光路的長度，以適應(yīng)測量范圍。較長的光路往往會提供更高的分辨率，但會飽和。度是價格。
另外，必須仔細選擇干涉濾光片，以最大程度地提高對目標(biāo)氣體的靈敏度。它必須能夠抑制對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)計電驅(qū)動器，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以獲得要檢測的信號。選擇100ms的時間段是因為它可以完美地抑制50Hz和60Hz頻帶內(nèi)的干擾，并且與白熾燈和紅外熱探測器（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，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，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)換為分辨率的屬性。靈敏度由頻譜決定，通常在不犧牲測量范圍的情況下無法調(diào)整以節(jié)省功率。占空比是優(yōu)化低功耗時要調(diào)整的第一個參數(shù)。因為它是按平方根縮放的，所以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)降低光源的輸入功率。但是，SNR隨功率降低而線性縮放，這不如通過減小占空比來節(jié)省相同的功率那樣有利。
從系統(tǒng)的角度來看，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)？
實際上是Catch22。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器。這里的缺點很明顯。在這些低占空比下，燈絲響應(yīng)非常緩慢。不可能通過減少開啟時間來處理占空比，長期關(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)和增加觀察結(jié)果延遲的風(fēng)險。
燈的另一個缺點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的精度進行定位。
Senseair Sunrise開發(fā)了用于精確定位的LED，以實現(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％效率進行比較。盡管光源相對較弱，但由于提高了光效率，Sunrise仍然使用0.5mW的平均功率。
