一般来说，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，新的核心技术可能会改变基本原理，例如，当高效LED代替灯泡时，光学气体传感技术中正在发生这种情况。使用高效LED技术时，一个问题是传感器消耗的功率更多。要理解这一点，我们必须深入研究与传感器设计相关的基本物理原理。
光学气体传感技术简介
非色散红外（NDIR）气体传感已广泛应用于气体传感中，它坚固，可靠且具有成本效益。它还提供了免维护操作，已成为工业和消费类应用的主要选择。
例如，NDIR气体传感属于传感器技术系列。它的工作原理是将能量转换为物理信号，然后信号受到传感器的影响，然后被检测器检测到。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，能量被转换为光，然后与气体浓度成比例地被目标气体吸收。最后，光电探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。可以根据比尔-朗伯定律调整光路的长度，以适应测量范围。较长的光路往往会提供更高的分辨率，但会饱和。度是价格。
另外，必须仔细选择干涉滤光片，以最大程度地提高对目标气体的灵敏度。它必须能够抑制对其他气体的交叉敏感性，并使温度变化和老化最小化。必须精心设计电驱动器，以利用AD转换器的容量。
通常，光源以约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以获得要检测的信号。选择100ms的时间段是因为它可以完美地抑制50Hz和60Hz频带内的干扰，并且与白炽灯和红外热探测器（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，并且在低功耗优化方面存在一些不直观的功能。节省功率时，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是转换为分辨率的属性。灵敏度由频谱决定，通常在不牺牲测量范围的情况下无法调整以节省功率。占空比是优化低功耗时要调整的第一个参数。因为它是按平方根缩放的，所以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100ms（占空比=10％）调整为每10秒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降低光源的输入功率。但是，SNR随功率降低而线性缩放，这不如通过减小占空比来节省相同的功率那样有利。
从系统的角度来看，最大化输入功率和降低占空比是最节能的。假设您可以将超过10倍的功率推入光源，并从透镜中获得10倍以上的光。增加的峰值功率将使您可以在保持分辨率的同时将占空比降低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，但同样重要。
什么是灯的LED技术？
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。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，现代的室温红外光电二极管的信噪比SNR高8倍，这可以使光源更弱但效率更高，或将占空比降低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。尽管它具有白炽灯，但它使用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，灯丝响应非常缓慢。不可能通过减少开启时间来处理占空比，长期关闭会导致每个样本之间的间隔变长，因此存在丢失数据和增加观察结果延迟的风险。
灯的另一个缺点是几何形状定义不正确，其中辐射灯丝散布在几毫米的空间中，误差约为0.5毫米。使用小型化的光学装置，不可能有效地收集光。另一方面，LED的发射面积小但定义明确，可以以优于0.1mm的精度进行定位。
Senseair Sunrise开发了用于精确定位的LED，以实现30％的光学效率。可以将其与Senseair S8或LP8等传统NDIR传感器的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仍然使用0.5mW的平均功率。
