Světelné senzory se zdají být poměrně jednoduché. Snímají světlo, stejně jako teploměr snímá teplotu a rychloměr snímá rychlost. Teplota a rychlost jsou snadno pochopitelné, protože je vnímáme přímočaře. Ale světlo je velmi složité. Teplota a rychlost jsou intenzivní vlastnosti, takže nezávisí na hmotnosti nebo velikosti objektu. Světlo lze měřit jako extenzivní vlastnost, což znamená, že celkový objem zachyceného světla závisí na velikosti kolektoru (např. solární panel na skládce zachytí více světla než malá solární nabíječka telefonu), nebo intenzivně vydělením plochou.
Ale co vlastně světelné senzory měří? Fotony? Energii? Je to složité. Před pokusem o pochopení světelných senzorů je důležité porozumět jednotkám.
Jednotky světelných senzorů
Předtím, než správně pochopíme světelné senzory a jejich použití, musíme umět kvantifikovat světlo. Bohužel měření světla používá některé podivné jednotky. Například žárovky se obvykle hodnotí pomocí lumenů, ale světelné senzory obvykle měří v luxech. Navíc jak lumeny, tak luxy vycházejí z tajemné základní jednotky zvané kandela.
Kandela
Tato jednotka se používá k popisu svítivosti, tedy toho, jak silné světlo se jeví lidskému oku. Je založena na oficiálním vzorci SI, který váží každou vlnovou délku světla v paprsku podle toho, jak je na ni lidské oko citlivé. Čím vyšší je svítivost světelného paprsku, tím citlivější je na něj lidské oko. (Kandely se dříve nazývaly „svíčky“ a svítivost běžné svíčky je přibližně jedna kandela. Chytré, že?) Důvod, proč se kandely nepoužívají k porovnávání žárovek a svítilen, spočívá v tom, že intenzita paprsku závisí nejen na výkonu žárovky, ale také na tom, jak velká část tohoto výkonu je soustředěna v určitém směru. Většina svítilen používá za žárovkou zrcadla, která koncentrují více světla ve směru výstupu, a proto se zdají být jasnější. To znamená, že žárovka má zvýšenou intenzitu v určitém směru, přičemž spotřebovává stejné množství energie a vyzařuje stejné celkové množství světla. Pro správné měření výkonu žárovky potřebujeme novou jednotku: lumen.
Lumen
Lumen se používá k měření celkového světelného toku žárovky. Jedná se o součin svítivosti (v kandelách) a prostorového úhlu, který paprsek vyplňuje (ve steradiánech). Žárovka vyzařující světlo do všech směrů může mít svítivost 10 kandel, což po vynásobení plnými 4π steradiánů znamená světelný tok 126 lumenů. Podobně jako ve svítilně by zrcadlo na jedné straně žárovky způsobilo, že by se druhá strana jevila jasnější díky odrazu poloviny výkonu žárovky. Intenzita světla by se zdvojnásobila na 20 kandel, ale pevný úhel by se zmenšil na polovinu na 2π steradiánů. Vynásobením intenzity světla naproti zrcadlu a nového prostorového úhlu by se stále získalo 126 lumenů světelného toku. Bez ohledu na způsob odrazu a soustředění světla bude tato žárovka vždy produkovat 126 lumenů světelného toku.
Lux
Pokud se žárovky hodnotí pomocí lumenů, proč musí světelné senzory používat jinou jednotku? To je důvod, proč hudebníci na koncertech neoslňují. Jediná baterka se může zdát oslňující, když svítí centimetr od Drakeových očí, ale moře telefonních baterek namířených na pódium není vůbec jasné. Protože se světlo rozptýlí, jakmile opustí telefon, dopadne na pódiu do jeho očí jen malé množství světla. Jak se objekt vzdaluje od zdroje světla, klesá i podíl světla, které na něj dopadá. Pro správné měření světelného toku vnímaného povrchem, tzv. osvětlenosti, používáme jednotku zvanou lux, která se rovná jednomu lumenu na metr čtvereční. Ve stejné vzdálenosti od zdroje světla působí na plochu o ploše 1 metr čtvereční stejná osvětlenost jako na plochu o ploše 10 metrů čtverečních. Větší list zachytí desetkrát více světla, pokud měříme světelný tok v lumenech, ale jeho plocha je stejně velká, takže osvětlenost je stejná. Pohybují-li se listy směrem ke zdroji světla, zvětšuje se prostorový úhel, který zaujímá každý list, a proto se zvětšuje i osvětlenost. Intenzita světla je konstantní a plocha listů je konstantní, ale prostorový úhel, který zaujímají, se zvětšuje, a proto se zvyšuje osvětlenost, kterou přijímají. Světelné senzory musí měřit osvětlenost, protože představuje světlo dopadající na jednotku plochy a protože nemohou vědět, jaký pevný úhel zaujímají.
Použití světelných senzorů
Detekce umístění
Světelné senzory měří osvětlenost, kterou lze použít k měření více než jen jasu světelného zdroje. Protože osvětlenost klesá, jak se snímač vzdaluje od stálého světla, lze světelný snímač použít k měření relativní vzdálenosti od zdroje.
Obrázek 1: Graf znázorňující závislost osvětlenosti na vzdálenosti
Snímače světla jsou téměř vždy plochou jednostrannou plochou, takže pevný úhel, který svírá snímač při pohledu od zdroje světla, se může měnit v závislosti na jeho orientaci. Je-li světelný senzor kolmý ke směru světla, zaujímá největší možný prostorový úhel. Jak se světelný snímač otáčí směrem od světla, jeho prostorový úhel se zmenšuje, a tím se zmenšuje i osvětlenost, až nakonec světelný snímač nezaznamená žádnou přímou osvětlenost, když je rovnoběžný se světelnými paprsky nebo když je otočen směrem od nich. Tuto skutečnost lze využít k určení úhlu dopadu světelného paprsku na snímač.
Obrázek 2: Graf ukazuje závislost osvětlenosti na úhlu
Řízení jasu
Snímače světla mají mnohostranné využití. Nejčastější využití v našem každodenním životě je v mobilních telefonech a tabletech. Většina přenosné osobní elektroniky má nyní snímače okolního světla, které slouží k regulaci jasu. Pokud zařízení zjistí, že se nachází na tmavém místě, sníží jas obrazovky, aby šetřilo energii a nepřekvapilo uživatele příliš jasnou obrazovkou.
Dalším běžným použitím světelných senzorů je ovládání automatických světel v automobilech a pouličních lampách. Použití světelného senzoru pro spuštění žárovky, když je venku tma, ušetří drobné potíže se zapínáním světel a ušetří energii ve dne, kdy je slunce dostatečně jasné.
Zabezpečení
Použití je však mnohem více než pohodlí spotřebitele. Důležitou bezpečnostní aplikací je detekce vniknutí do kontejnerů nebo místností. Při přepravě drahého nákladu může být důležité zjistit, kdy byl přepravní kontejner otevřen, aby bylo možné snadněji řešit případy spojené se ztrátou výrobku. Levný fotorezistor by mohl být použit k zaznamenání každého otevření kontejneru, takže lze určit, ve kterém okamžiku procesu zloději do kontejneru vnikli, nebo zda byl odesílatel nepoctivý a tvrdil, že kontejner musel být vykraden.
Zatímco světelné senzory jsou jedinými výrobky, které mohou poskytovat smysluplné údaje týkající se světla, mnoho jiného zboží je citlivé na světlo. Například obrazy a fotografie na papíře a starší umělecká díla mohou být vystavením slunečnímu světlu poškozeny, proto je důležité vědět, jakému množství světla jsou vystaveny. Při přepravě uměleckého díla by se dalo pomocí světelného čidla ověřit, zda nebylo ponecháno příliš dlouho na slunci.
Plánování
Světelné čidlo by se dalo použít také pro umístění uměleckého díla na trvalé místo. V oblastech v blízkosti vchodu nebo oken muzea by mohlo být sluneční světlo pro určité materiály příliš ostré, takže by se k vhodnému umístění umění mohl použít světelný senzor. Je to podobná metoda jako při umisťování solárních panelů na domy nebo do polí. Nemá smysl stavět a instalovat solární panel na určitém místě, pokud na něj nebude dopadat mnoho přímého slunečního světla, proto se k nalezení nejlepšího umístění s nejsilnějším přímým slunečním světlem používá světelný senzor. (Jak jsem již zmínil, solární panel je jen velmi velký světelný senzor, ale je jednodušší použít ruční zařízení pro testování slunečního světla než použít samotný panel)
Zemědělství
Sluneční světlo má důležitý vliv na zemědělství, zejména na americkém západě, kde je nedostatek vody. Různé plodiny potřebují různé množství slunečního světla, takže je důležité vědět, které pozemky jsou nejvíce osvícené. Vzhledem k tomu, že v místech, jako je Utah, jsou zásoby vody stále napjatější, mají zemědělci finanční a společenskou povinnost omezovat spotřebu vody a zároveň udržovat své plodiny hydratované. Jednou z používaných taktik je zalévat plodiny odpoledne nebo večer, aby se zabránilo tomu, že horké slunce vyvaří vodu dříve, než ji půda a rostliny stihnou řádně vstřebat. K automatickému řízení zavlažovacího systému lze použít světelný senzor, který zavlažuje pouze v době, kdy slunce není nejjasnější. Ve spojení s dalšími zařízeními pro sledování počasí, která shromažďují údaje o teplotě, tlaku a vlhkosti, by systém mohl nejen zalévat, když je slunce slabé, ale také inteligentně detekovat blížící se déšť nebo mraky a optimalizovat plán zavlažování.
Jak fungují světelné senzory
Když jste pochopili změť jednotek, které kvantifikují světlo, můžeme začít chápat, jak se pomocí světelných senzorů určuje intenzita osvětlení.
Fotodioda
Senzory osvětlení někdy používají k měření intenzity osvětlení součástku zvanou fotodioda. Když paprsky světla dopadají na fotodiodu, mají tendenci vyrážet elektrony, což způsobuje tok elektrického proudu. Čím je světlo jasnější, tím je elektrický proud silnější. Tento proud pak lze měřit a získat tak hodnotu osvětlenosti světla. Pokud vám elektrický proud vyvolaný světlem zní povědomě, je to proto, že na tomto principu fungují solární panely používané k napájení dopravních značek a domů. Solární panely jsou v podstatě velmi velké fotodiodové světelné senzory.
Fotorezistor
Dalším typem světelného senzoru je fotorezistor. Fotorezistor je rezistor závislý na světle, což znamená, že pokud se změní jas světla, které na něj svítí, dojde ke změně odporu. Fotorezistory jsou levnější než fotodiody, ale jsou mnohem méně přesné, takže se většinou používají k porovnávání relativní úrovně osvětlení nebo jednoduše k tomu, zda je světlo zapnuté nebo vypnuté.
Dostupné světelné senzory
Jak již bylo zmíněno, světelné senzory (fotorezistory a fotodiody) jsou univerzální a ne příliš drahé, takže existuje mnoho možností, od základních součástek až po velmi přesné záznamníky dat.
Jednou z metod sběru dat o intenzitě osvětlení je použití obvyklých malých výpočetních platforem, jako je Arduino nebo Raspberry Pi. Použití těchto platforem k měření osvětlenosti je užitečné, protože programování a propojení s počítačem je jednoduché a fotorezistory jsou cenově velmi dostupné. Kromě toho je možné použít světelný senzor společně s dalším hardwarem pro sběr dat. Takový systém by však nebyl příliš přesný ani uživatelsky přívětivý.
Amazon nabízí spoustu spotřebitelských měřičů světla, které se obvykle používají pro fotografování. Všechny jsou kompaktní a snadno použitelné, údaje se zobrazují na obrazovce v reálném čase a všechny mají poměrně dobrou obnovovací frekvenci několika hertzů. Pravděpodobně by se nejlépe hodily k porovnávání relativního jasu mezi místnostmi v interiéru, ale většina z nich má široký rozsah, takže přichází v úvahu i venkovní použití.
Ve skutečnosti prodáváme světelný senzor jako součást našich senzorů enDAQ. Používá fotodiodu Si1133 a zaznamenává údaje o osvětlení na zařízení spolu s údaji o zrychlení, teplotě a tlaku. Protože základní jednotkou osvětlení je kandela, je třeba měření světla upravit tak, aby zohledňovalo neviditelné elektromagnetické záření. Přístroj Si1133 to dělá tak, že infračervené světlo měří odděleně a používá ho ke správné úpravě údajů o osvětlenosti. Senzor enDAQ měří kromě viditelného světla také index UV záření.
.