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對光學氣體傳感技術的介紹

發(fā)布時間:2020-11-03 責任編輯:wenwei

【導讀】通常來說傳感器的設計簡單明了,通常可以在功率,測量時間或傳感器尺寸方面實現更好的性能。但是,有時候,新的核心技術可能會改變基本原理,例如當高效率的LED取代燈泡時,而今天在光學氣體傳感技術方面正在發(fā)生這種情況。使用高效的LED技術時,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計相關的基本物理原理。
 
對光學氣體傳感技術的介紹
 
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)和消費類應用的主要選擇。
 
比如說NDIR氣體,它傳感屬于傳感技術系列,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,紅外光穿過氣體并由窄帶檢測器感測,該檢測器經過調整以匹配氣體的吸收波長。
 
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題,例如提供穩(wěn)定的光路,該光路的長度可以根據比爾-朗伯定律進行調整,以適應測量范圍,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。
 
電氣驅動必須經過仔細設計,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。當光源關閉時,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兼容。
 
這種將能量轉換為信號的傳感器在檢測到目標時會受到目標的影響,而在低功耗優(yōu)化方面則存在一些非直覺的特性。
 
當節(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,通常無法進行調整以節(jié)省功率。
 
占空比是針對低功耗進行優(yōu)化時要調整的第一個參數。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。
 
假設您將燈泡的開啟時間從每秒開啟100ms(占空比= 10%)調整為每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低分辨率是昂貴的。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,但是同樣重要。
 
燈到LED技術
 
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。
 
低功率只能通過減少檢測器干擾或提高光學效率來補償。
 
首先,與傳統(tǒng)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(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,燈絲響應很慢。
 
無法通過減少開啟時間來處理占空比,并且長時間關閉會導致每個樣本之間的間隔變長,因此存在丟失數據的風險,并給觀察結果增加了延時。
 
燈的另一個缺點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30%的光學效率。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。
 
 
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