光学气体传感器设计的基本物理原理解析

通常来说传感器的设计简单明了，通常可以在功率，测量时间或传感器尺寸方面实现更好的性能。但是，有时候，新的核心技术可能会改变基本原理，例如当高效率的LED取代灯泡时，而今天在光学气体传感技术方面正在发生这种情况。使用高效的LED技术时，一个问题是耗电较大的传感器。要了解这一点，我们必须深入研究与传感器设计相关的基本物理原理。

非分散红外（NDIR）气体传感在气体传感方面得到了广泛的应用，它坚固，可靠且具有成本效益。它还提供了免维护的操作，并且成为了工业和消费类应用的主要选择。

比如说NDIR气体，它传感属于传感技术系列，它的工作原理是将能量转换为物理信号，然后信号受传感器的影响，然后由检测器检测到该信号。

使用NDIR气体感测，红外光穿过气体并由窄带检测器感测，该检测器经过调整以匹配气体的吸收波长。

在这种情况下，能量转化为光，然后与气体浓度成比例地被目标气体吸收，最后，光检测器测量剩余的光量。

该方法涉及许多工程问题，例如提供稳定的光路，该光路的长度可以根据比尔-朗伯定律进行调整，以适应测量范围，其中较长的光路往往会提供更高的分辨率，但会以饱和度为代价。

另外，必须谨慎选择干涉滤光片，以最大程度地提高对目标气体的敏感性。它必须能够抑制对其他气体的交叉敏感性，使温度变化和老化降低到最小。

电气驱动必须经过仔细设计，利用AD转换器的容量。

通常，光源以大约100毫秒的接通时间进行切换，以补偿热漂移以及来自环境光和电信号的干扰。当光源关闭时，从检测器信号中减去检测器信号，即可得出要检测的信号。

选择100ms的时间段是因为它可以完美地抑制50Hz和60Hz频段的干扰，并且与白炽灯和热红外探测器（如热电堆和热电探测器）相对较慢的时间常数兼容。

这种将能量转换为信号的传感器在检测到目标时会受到目标的影响，而在低功耗优化方面则存在一些非直觉的特性。

当节电时，信噪比SNR最终会引起问题，并确定检测极限（检测达到的最大距离），SNR是转化为分辨率的属性。

灵敏度由光谱确定，在不牺牲测量范围的情况下，通常无法进行调整以节省功率。

占空比是针对低功耗进行优化时要调整的第一个参数。由于它按平方根缩放，因此它是一种在不损失过多分辨率的情况下降低功耗的强大工具。

假设您将灯泡的开启时间从每秒开启100ms（占空比= 10％）调整为每10秒开启100ms（占空比= 1％），则可以以10倍的成本获得10倍的功率。

另一方面，通过增加占空比来补偿低分辨率是昂贵的。如果通过增加占空比来获得10倍的分辨率，则需要100倍的功率。

节省功率的另一种方法是在开启时间内减少光源的输入功率。但是，SNR随功率降低而线性缩放，这不如通过降低占空比来节省相同的功率有利。

从系统角度来看，最大化输入功率并降低占空比是最省电的。

假设您可以将10倍以上的功率推入光源，并获得10倍以上的光出镜。增加的峰值功率将使您可以在保持分辨率的情况下将占空比降低100倍，并将总功耗降低10倍。

光源效率不是决定系统功耗的唯一参数，但是同样重要。

灯到LED技术

这实际上是Catch 22，由于总功率会增加，因此无法使用低功率LED技术。

低功率只能通过减少检测器干扰或提高光学效率来补偿。

首先，与传统的热电堆传感器相比，现代的室温IR光电二极管的信噪比SNR高8倍，从而可以使光源更弱但效率更高，或者使占空比减少64倍。

因此推出了首款性能可与传统传感器媲美的低功耗NDIR CO2传感器。

Senseair LP8的功率为0.7mW，虽然具有白炽灯，但它利用了高分辨率的光电探测器。这里的缺点很明显，在这些低占空比下，灯丝响应很慢。

无法通过减少开启时间来处理占空比，并且长时间关闭会导致每个样本之间的间隔变长，因此存在丢失数据的风险，并给观察结果增加了延时。

灯的另一个缺点是几何形状定义不当，其中辐射灯丝散布在几毫米的空间内，并且误差约为±0.5毫米。

使用小型化的光学器件，不可能高效地收集灯光。另一方面，LED具有较小但定义明确的发射区域，可以以优于0.1mm的精度进行定位。

Senseair Sunrise已开发用于精确定位的LED，从而实现30％的光学效率。这可以与传统NDIR传感器（如Senseair S8或LP8）的3％效率进行比较。

尽管光源相对较弱，但由于提高了光效率，Sunrise仍使用0.5mW的平均功率。
编辑：hfy