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光学气体传感器设计的基本物理原理解析

发布时间:2021-01-11 11:23 作者:老哥论坛

  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。

  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。

  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。

  这实际上是Catch22,由于总功率会增加,因此无法使用低功率LED技术。

  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。

  SenseairLP8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。

  SenseairSunrise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SenseairS8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。

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