模拟系统设计人员通常会选择和使用各种低通、高通、陷波和带通滤波器，以及巴特沃斯、考尔或切比雪夫等利用数学原理的滤波器。无论过滤器类型如何，在大多数情况下，他们都不必担心如何"处理"滤波器剔除的信号。事实上，我怀疑如果你问工程师，他们可能大多从来没有想过，甚至不知道那些被过滤掉的信号会发生什么，他们只是消失在“某个地方”。
当然，事实并非如此，答案其实也很简单：滤除的信号能量变成了热量。在大多数情况下，热量微乎其微，可以忽略不计，但并非所有情况都是如此。如果要滤除100W发射器信号中10%的能量，就需要滤波器组件能够处理10W的耗散，同时系统设计也要能够接受额外的热负荷。这种挑战可能会让新手工程师大吃一惊，因为他们会认为“没什么大不了的，我们只需过滤信号即可”， 而不会考虑到可能产生的热影响。
过滤气态或液态流体的工程师不一定会遇到热困境，但可能会遇到更具挑战性的困境。在工作过程中，过滤器可能会填满或堵塞，需要更换或清洗。洗碗机、真空吸尘器或洗衣机的棉绒过滤器就是常见的消费范例。甚至可能需要一个传感器来向用户提示过滤器已无法工作。
最近，我又看到了一个例子，说明与机械和流体工程师相比，电子电路设计师是多么轻松，以及在电子技术的帮助下，巧妙的工程设计和材料科学知识是如何克服物理过滤困境的。
一位患有肺部和呼吸问题的朋友从使用独立的加压氧气罐改为使用Inogen One G4便携式制氧机(图1)。与重达3.3磅(1.5公斤)的小型、完全便携式设备相比，他放弃沉重的氧气罐(氧气罐也需要每隔几天更换一次)，获得了极大的个人自由感。
图1 Inogen One便携式制氧机重量轻、便于携带，无需用户维护，因为它在"剥离"环境空气中的氮气时不需要消耗试剂。资料来源：Intermedical (UK) Ltd
这个装置是如何工作的？它必须解决哪些过滤问题？它设计成功的秘诀并不只有一个，而是要综合考虑各种因素。重要的是要牢记设计目标和限制因素。该装置需要“净化”周围空气并向用户提供近100%的氧气。该装置必须小巧、安静、轻便，并且电池至少可以连续运行几个小时。
此外，作为医疗设备，它还必须符合故障安全操作、自检等安全和监管要求，并且必须易于使用和维护。当然，简单是一个相对的词，在这里它意味着不需要任何形式的维护、更换空气过滤器或调整。
制氧机的设计始于这样一个事实：环境空气作为一种原材料是可以被“过滤”使用的，因为它含有78%的氮气、21%的氧气和1%的其他气体(二氧化碳、氩气等)。如果能够过滤掉氮气，那么剩下的主要气体就是纯度约为90-95%的氧气，这已经足够好了。
那么，如何去除氮气呢？最初的想法是需要某种复杂的化学反应，同时需要清空消耗的材料、更换试剂以及其他相关的麻烦事。从简便性和可靠性的角度来看，这将是非常复杂和不可接受的。
这时，矿物和材料专家提供了一个相对简单的解决方案：使用能够捕获氮气的沸石(微孔铝硅酸盐)“筛床”。在这种情况下，捕获不是通过吸收或形成新化合物而是通过吸附来完成的。这意味着氮会附着在沸石的表面(类似于磁铁和铁)，但不会与之形成任何新的分子组合。
对沸石不熟悉？可以看看美国国立卫生研究院/国家医学图书馆的文章“Zeolite Clinoptilolite: Therapeutic Virtues of an Ancient Mineral”，里面有相关的介绍。
为了解决过滤器堵塞和更换的难题，设计人员使用了一种已在其他系统中采用的技术，但在这里它的使用规模较小。他们使用了两个相同的筛床，一个进行吸附，另一个进行冲洗(图2)。
图2 设计的关键是使用两个独立但功能相连的筛床，筛床装满矿物沸石，气流由电子传感器管理和控制。来源：Oxygen Times
该设备的压缩机将空气泵入第一个分子筛床，直到其中充满不需要的氮气。当这种情况发生时，电子控制开关阀(相当于单刀/双掷开关的流体形式)翻转并将未过滤的空气发送到第二个筛床。第二个筛床并不是为了冗余(起初我以为是)，而是基本操作所需的，同时另一个开关阀将第二个筛床的产物输出给用户(图3)。
图3 当一个筛床用于吸附氮气时，已填充的筛床将被吹扫，以备接替，这由电控气流开关决定。来源：Oxygen Times
这并不是筛床过滤运行周期的终点。在第二个筛床启动的同时，第一个筛床中滞留的氮气也被排出。这样，当第二个筛床填满时，第一个筛床就可以接替第二个筛床。由于采用了筛床和清洗交替循环的方式，因此在准备接替充满氮气的筛床的时候，始终有一个干净的过滤器可用，用户无需更换过滤器。
要做到这一点，需要的远不止是双筛方案。除了开关阀之外，还有许多用于压力、气流、电力系统监控和管理的传感器，以及满足操作和安全需求的其他关键点。通过将电子组件与通用特种材料、流体管理和过滤顺利整合，最终形成了一款内部复杂、但使用和维护极其简单的产品。
您是否曾经以独特的方式使用某种基本材料来解决工程挑战？这种努力是受到赞赏还是遭到怀疑？您是如何证明其可行性的？
(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog，参考链接：Materials, electronics solve a non-electronic filtering challenge，由Ricardo Xie编译。)
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