Lysfølere virker ret enkle. De registrerer lyset, ligesom et termometer registrerer temperaturen, og et hastighedsmåler registrerer hastigheden. Temperatur og hastighed er nemme at forstå, fordi vi fornemmer dem på en ligetil måde. Men lys er meget kompliceret. Temperatur og hastighed er intensive egenskaber, så de afhænger ikke af en genstands masse eller størrelse. Lys kan måles som en ekstensiv egenskab, hvilket betyder, at det samlede lys, der indsamles, afhænger af solfangerens størrelse (f.eks. indsamler et solcelleanlæg på en losseplads mere lys end en lille solcelleoplader til telefoner), eller intensivt ved at dividere med arealet.

Men hvad måler lyssensorer egentlig? Fotoner? Energi? Det er kompliceret. Enhederne er vigtige at forstå, før man forsøger at forstå lyssensorer.

Lysensor-enheder

Hvor vi kan forstå lyssensorer ordentligt, og hvordan de skal anvendes, skal vi være i stand til at kvantificere lys. Desværre bruger måling af lys nogle mærkelige enheder. For eksempel vurderes pærer normalt ved hjælp af lumen, men lyssensorer foretager typisk målinger i lux. Dertil kommer, at både lumen og lux er baseret på en mystisk basisenhed kaldet candela.

Candela

Denne enhed bruges til at beskrive lysintensiteten, som er, hvor stærkt lys der forekommer et menneskeligt øje. Den er baseret på en SI-officiel formel, der vægter hver bølgelængde af lys i en stråle ud fra, hvor følsomt det menneskelige øje er over for den. Jo højere lysstyrke i en lysstråle, jo mere følsomt er det menneskelige øje over for den. (Candelas blev tidligere kaldt “stearinlys”, og lysstyrken af et normalt stearinlys er ca. 1 candela. Smart, ikke?) Grunden til, at candelaer ikke bruges til at sammenligne pærer og lommelygter, er, at intensiteten af en stråle ikke kun afhænger af pærens effekt, men også af, hvor meget af denne effekt der er koncentreret i en bestemt retning. De fleste lommelygter bruger spejle bag pæren for at koncentrere mere lys i udgangsretningen og dermed virke lysstærkere. Det betyder, at pæren har øget intensitet i en retning, samtidig med at den bruger den samme mængde strøm og udsender den samme samlede mængde lys. For at kunne måle en pæres effekt korrekt har vi brug for en ny enhed: lumen.

Lumen

Lumen bruges til at måle den samlede lysstrøm fra en pære. Det er produktet af lysstyrken (i candelas) og den rumlige vinkel, som strålen fylder (i steradians). En pære, der udsender lys i alle retninger, kan have en lysstyrke på 10 candelas, hvilket, når det ganges med de fulde 4π steradians, vil give en lysstrøm på 126 lumen. Ligesom i en lommelygte vil et spejl på den ene side af pæren få den anden side til at fremstå lysere på grund af refleksionen af halvdelen af pærens lysstyrke. Lysets intensitet ville blive fordoblet til 20 candela, men den faste vinkel ville blive halveret til 2π steradians. Multiplikation af lysintensiteten af lyset over for spejlet og den nye faste vinkel ville stadig give 126 lumen lysstrøm. Uanset hvordan lyset reflekteres og koncentreres, vil denne pære altid producere 126 lumen lysstrøm.

Lux

Hvis pærer er klassificeret med lumen, hvorfor skal lyssensorer så bruge en anden enhed? Det er grunden til, at musikere ikke bliver blændet ved koncerter. En enkelt lommelygte kan virke blændende, når den lyser en tomme væk fra Drakes øjne, men et hav af telefonlommelygter rettet mod scenen er slet ikke lysende. Fordi lyset spredes, når det forlader telefonen, er det kun en lille mængde lys, der rammer hans øjne på scenen. Når et objekt bevæger sig væk fra en lyskilde, falder den andel af lyset, som det modtager, også. For korrekt at måle lysstrømmen, som den opfattes af en overflade, kaldet belysningsstyrke, bruger vi en enhed kaldet lux, som er lig med et lumen pr. kvadratmeter. I samme afstand fra en lyskilde er en 1 kvadratmeter stor flade udsat for den samme belysningsstyrke som en 10 kvadratmeter stor flade. Den større plade opfanger ti gange så meget lys, hvis man måler lysstrømmen i lumen, men dens areal er lige så stort, så belysningsstyrken er den samme. Hvis pladerne bevæger sig mod lyskilden, øges den rumlige vinkel, som hver enkelt plade optager, og derfor øges belysningsstyrken også. Lysintensiteten er konstant, og arealet af pladerne er konstant, men den rumlige vinkel, som pladerne indtager, øges, og dermed øges den belysningsstyrke, de modtager. Lyssensorer er nødt til at måle belysningsstyrke, fordi den repræsenterer det lys, der kastes på en arealenhed, og fordi de ikke kan vide, hvilken rumvinkel de optager.

Anvendelser for lyssensorer

Placeringsdetektion

Lysfølere måler belysningsstyrke, som kan bruges til at måle mere end lysstyrken af en lyskilde. Da belysningsstyrken falder, når sensoren bevæger sig væk fra et stabilt lys, kan lyssensoren bruges til at måle den relative afstand til kilden.

Figur 1: Graf viser belysningsstyrke vs. afstand

Lysfølere er næsten altid en flad, ensidig overflade, så den faste vinkel, som sensoren optager set fra lyskilden, kan ændre sig afhængigt af dens orientering. Når lyssensoren er vinkelret på lysets retning, indtager den den størst mulige rumvinkel. Efterhånden som lyssensoren roterer væk fra lyset, mindskes dens faste vinkel, og belysningsstyrken falder derfor også, indtil lyssensoren til sidst ikke registrerer nogen direkte belysningsstyrke, når den er parallel med lysstrålerne eller vender væk. Denne kendsgerning kan bruges til at bestemme en lysstråles indfaldsvinkel på sensoren.

Figur 2: Graf viser belysningsstyrke vs. vinkel

Brightness Control

Lysfølere har mange anvendelsesmuligheder. Den mest almindelige anvendelse i vores dagligdag er i mobiltelefoner og tablets. De fleste bærbare personlige elektroniske apparater har nu sensorer for omgivende lys, der bruges til at justere lysstyrken. Hvis enheden kan registrere, at den befinder sig et mørkt sted, skruer den ned for skærmens lysstyrke for at spare strøm og ikke overraske brugeren med en meget lys skærm.

En anden almindelig anvendelse af lyssensorer er styring af automatisk lys i biler og gadelygter. Ved at bruge en lyssensor til at udløse en pære, når det er mørkt udenfor, slipper man for det lille besvær med at tænde lyset og sparer strøm om dagen, når solen er lys nok.

Sikkerhed

Der er dog mange flere anvendelsesmuligheder end forbrugernes bekvemmelighed. Detektering af indbrud i containere eller rum er en vigtig sikkerhedsanvendelse. Ved forsendelse af dyrt gods kan det være vigtigt at vide, hvornår en skibscontainer er blevet åbnet, så sager med tab af produkter lettere kan løses. En billig fotoresistor kunne bruges til at logge hver gang containeren åbnes, så det kan fastslås, på hvilket tidspunkt i processen tyvene har plyndret containeren, eller om afsenderen har været uærlig og hævdet, at containeren må være blevet plyndret.

Mens lyssensorer er de eneste produkter, der kan give meningsfulde data vedrørende lys, er mange andre varer følsomme over for lys. F.eks. kan malerier og fotografier på papir og ældre kunstværker blive beskadiget på grund af udsættelse for sollys, så det er vigtigt at vide, hvor meget lys de bliver udsat for. Ved forsendelse af et kunstværk kunne en lyssensor bruges til at kontrollere, at det ikke har stået for længe i solen.

Planlægning

En lyssensor kunne også bruges til at placere kunstværket på en permanent plads. Områder nær indgangen eller vinduerne på et museum kan have for hårdt sollys til bestemte materialer, så en lyssensor kan bruges til at placere kunsten på en passende måde. Dette svarer til den metode, der anvendes til at placere solcelleanlæg på huse eller på marker. Det giver ingen mening at bygge og installere et solpanel på et bestemt sted, hvis der ikke kommer meget direkte sollys, så en lyssensor bruges til at finde den bedste placering med det stærkeste direkte sollys. (Som jeg nævnte, er et solpanel blot en meget stor lyssensor, men det er nemmere at bruge en håndholdt enhed til at teste sollyset end at bruge selve panelet.)

Landbrug

Sollyset har vigtige konsekvenser for landbruget, især i det vandfattige amerikanske vesten. Forskellige afgrøder har brug for forskellige mængder sollys, så det er vigtigt at vide, hvilke jordstykker der får mest sollys. I takt med at vandforsyningen bliver mere og mere anstrengt på steder som Utah, har landmændene en økonomisk og social forpligtelse til at begrænse vandforbruget og samtidig holde deres afgrøder hydreret. En taktik, der anvendes, er at vande afgrøderne om eftermiddagen eller aftenen for at undgå, at den varme sol koger vandet, inden jorden og planterne kan absorbere det ordentligt. En lyssensor kan bruges til at styre et sprinklersystem automatisk, så der kun vandes, når solen ikke er på sit højeste. Når systemet kombineres med andet vejrovervågningsudstyr til indsamling af data om temperatur, tryk og luftfugtighed, kan det ikke kun vande, når solen er svag, men også på intelligent vis registrere kommende regn eller skyer for at optimere vandingsplanen.

Sådan fungerer lyssensorer

Nu da du forstår rodet af enheder, der kvantificerer lys, kan vi begynde at forstå, hvordan belysningsstyrke bestemmes ved hjælp af lyssensorer.

Fotodiode

Lysfølere bruger nogle gange en komponent kaldet en fotodiode til at måle belysningsstyrke. Når lysstråler rammer en fotodiode, har de en tendens til at slå elektroner løs, hvilket får en elektrisk strøm til at løbe. Jo kraftigere lyset er, jo stærkere er den elektriske strøm. Strømmen kan derefter måles for at få belysningsstyrken af lyset tilbage. Hvis lysinduceret elektrisk strøm lyder bekendt, er det fordi dette er driftsprincippet i de solpaneler, der anvendes til at forsyne vejskilte og hjem med strøm. Solpaneler er i bund og grund meget store fotodiode-lyssensorer.

Fotoresistor

En anden type lyssensor er fotoresistoren. En fotoresistor er en lysafhængig modstand, hvilket betyder, at hvis der sker en ændring i lysstyrken af det lys, der skinner på den, vil der ske en ændring i modstanden. Fotoresistorer er billigere end fotodioder, men er langt mindre nøjagtige, så de bruges mest til at sammenligne relative lysniveauer eller blot til at afgøre, om et lys er tændt eller slukket.

Tilgængelige lyssensorer

Som tidligere nævnt er lyssensorer (fotoresistorer og fotodioder) alsidige og ikke super dyre, så der findes mange muligheder, lige fra grundlæggende komponenter til meget nøjagtige dataloggere.

En metode til indsamling af belysningsdata er at bruge de sædvanlige små computerplatforme som Arduino eller Raspberry Pi. Det er nyttigt at bruge disse platforme til måling af belysningsstyrke, fordi programmering og grænseflader til en computer er enkle, og fotoresistorerne er meget overkommelige. Desuden er det muligt at bruge lyssensoren sammen med andet hardware til dataindsamling. Et system som dette ville dog ikke være særlig nøjagtigt eller brugervenligt.

Amazon har en masse lysmålere til forbrugere, der typisk bruges til fotografering. De er alle kompakte og nemme at bruge, med data, der vises på skærmen i realtid, og de har alle en rimelig god opdateringshastighed på et par hertz. Disse ville sandsynligvis bedst kunne bruges til at sammenligne den relative lysstyrke mellem rum indendørs, men de fleste har et bredt område, så udendørs brug er også en mulighed.

Som en kendsgerning, sælger vi faktisk en lyssensor som en del af vores enDAQ-sensorer. Den bruger en Si1133-fotodiode og logger belysningsdata på enheden sammen med accelerations-, temperatur- og trykdata. Da belysningsstyrke har candela som basisenhed, skal målinger af lys justeres for at tage højde for ikke-synlig elektromagnetisk stråling. Si1133 gør dette ved at måle det infrarøde lys separat og bruge det til at justere belysningsdataene korrekt. EnDAQ-sensorens lyssensor måler også UV-indekset ud over det synlige lys.