Lichtsensoren scheinen ziemlich einfach zu sein. Sie messen das Licht, so wie ein Thermometer die Temperatur und ein Tachometer die Geschwindigkeit misst. Temperatur und Geschwindigkeit sind leicht zu verstehen, weil wir sie auf einfache Art und Weise wahrnehmen. Aber Licht ist sehr kompliziert. Temperatur und Geschwindigkeit sind intensive Eigenschaften, sie hängen also nicht von der Masse oder Größe eines Objekts ab. Licht kann als extensive Eigenschaft gemessen werden, was bedeutet, dass das gesamte gesammelte Licht von der Größe des Kollektors abhängt (z. B. sammelt ein Solarfeld auf einer Mülldeponie mehr Licht als ein winziges Solar-Telefonladegerät), oder intensiv, indem man es durch die Fläche teilt.

Aber was messen Lichtsensoren überhaupt? Photonen? Energie? Es ist kompliziert. Es ist wichtig, die Einheiten zu verstehen, bevor man versucht, Lichtsensoren zu verstehen.

Lichtsensoreinheiten

Bevor wir Lichtsensoren richtig verstehen und anwenden können, müssen wir in der Lage sein, Licht zu quantifizieren. Leider werden bei der Messung von Licht einige seltsame Einheiten verwendet. Zum Beispiel werden Glühbirnen in der Regel in Lumen angegeben, aber Lichtsensoren messen in der Regel in Lux. Außerdem basieren sowohl Lumen als auch Lux auf einer geheimnisvollen Basiseinheit namens Candela.

Die Candela

Diese Einheit wird verwendet, um die Lichtstärke zu beschreiben, d. h. wie stark das Licht dem menschlichen Auge erscheint. Sie basiert auf einer offiziellen SI-Formel, die jede Wellenlänge des Lichts in einem Lichtstrahl danach gewichtet, wie empfindlich das menschliche Auge dafür ist. Je höher die Lichtstärke eines Lichtstrahls ist, desto empfindlicher ist das menschliche Auge für ihn. (Candelas wurden früher als „Kerzen“ bezeichnet, und die Lichtstärke einer normalen Kerze beträgt ungefähr eine Candela. Clever, nicht wahr?) Der Grund, warum Kerzen nicht zum Vergleich von Glühbirnen und Taschenlampen verwendet werden, liegt darin, dass die Lichtstärke eines Strahls nicht nur von der Leistung der Glühbirne abhängt, sondern auch davon, wie viel von dieser Leistung in eine bestimmte Richtung konzentriert wird. Die meisten Taschenlampen verwenden Spiegel hinter der Glühbirne, um mehr Licht in die Ausgangsrichtung zu bündeln und somit heller zu erscheinen. Das bedeutet, dass die Lampe in einer Richtung eine höhere Intensität hat, während sie die gleiche Energie verbraucht und die gleiche Gesamtlichtmenge abgibt. Um die Leistung einer Glühbirne richtig zu messen, brauchen wir eine neue Einheit: das Lumen.

Lumen

Das Lumen wird verwendet, um den Gesamtlichtstrom einer Glühbirne zu messen. Er ist das Produkt aus der Lichtstärke (in Candela) und dem Raumwinkel, den der Lichtstrahl ausfüllt (in Steradian). Eine Glühbirne, die ihr Licht in alle Richtungen abstrahlt, könnte eine Lichtstärke von 10 Candela haben, was, multipliziert mit den vollen 4π Steradianen, einen Lichtstrom von 126 Lumen ergibt. Wie bei einer Taschenlampe würde ein Spiegel auf einer Seite der Glühbirne die andere Seite heller erscheinen lassen, da die Hälfte der Lichtleistung der Glühbirne reflektiert wird. Die Lichtstärke würde sich auf 20 Candela verdoppeln, aber der Raumwinkel würde sich auf 2π Steradian halbieren. Multipliziert man die Lichtstärke des dem Spiegel gegenüberliegenden Lichts mit dem neuen Raumwinkel, so erhält man immer noch 126 Lumen Lichtstrom. Unabhängig davon, wie das Licht reflektiert und konzentriert wird, erzeugt diese Glühbirne immer einen Lichtstrom von 126 Lumen.

Lux

Wenn Glühbirnen in Lumen gemessen werden, warum müssen dann Lichtsensoren eine andere Einheit verwenden? Das ist der Grund, warum Musiker bei Konzerten nicht geblendet werden. Eine einzelne Taschenlampe mag blenden, wenn sie nur wenige Zentimeter von Drakes Augen entfernt ist, aber ein Meer von auf die Bühne gerichteten Handy-Taschenlampen ist überhaupt nicht hell. Da das Licht beim Verlassen des Telefons gestreut wird, trifft nur ein kleiner Teil des Lichts auf der Bühne auf seine Augen. Wenn sich ein Objekt von einer Lichtquelle entfernt, nimmt auch der Anteil des Lichts, das es empfängt, ab. Um den von einer Oberfläche wahrgenommenen Lichtstrom, die so genannte Beleuchtungsstärke, korrekt zu messen, verwenden wir die Einheit Lux, die einem Lumen pro Quadratmeter entspricht. Bei gleichem Abstand von einer Lichtquelle wird eine 1 Quadratmeter große Fläche mit der gleichen Beleuchtungsstärke beaufschlagt wie eine 10 Quadratmeter große Fläche. Das größere Blatt sammelt zehnmal so viel Licht, wenn man den Lichtstrom in Lumen misst, aber seine Fläche ist genauso groß, so dass die Beleuchtungsstärke dieselbe ist. Bewegen sich die Platten auf die Lichtquelle zu, vergrößert sich der Raumwinkel, den jede Platte einnimmt, und damit nimmt auch die Beleuchtungsstärke zu. Die Lichtintensität und die Fläche der Platten bleiben konstant, aber der Raumwinkel, den sie einnehmen, vergrößert sich und damit auch die Beleuchtungsstärke. Lichtsensoren müssen die Beleuchtungsstärke messen, weil sie den Lichteinfall auf eine Flächeneinheit darstellt und weil sie nicht wissen können, welchen Raumwinkel sie einnehmen.

Verwendung von Lichtsensoren

Positionserkennung

Lichtsensoren messen die Beleuchtungsstärke, mit der man mehr als nur die Helligkeit einer Lichtquelle messen kann. Da die Beleuchtungsstärke abnimmt, wenn sich der Sensor von einer gleichmäßigen Lichtquelle entfernt, kann der Lichtsensor verwendet werden, um die relative Entfernung von der Lichtquelle zu messen.

Abbildung 1: Diagramm zeigt Beleuchtungsstärke im Vergleich zur Entfernung

Lichtsensoren sind fast immer eine flache, einseitige Oberfläche, so dass sich der Raumwinkel, den der Sensor von der Lichtquelle aus gesehen einnimmt, je nach seiner Ausrichtung ändern kann. Wenn der Lichtsensor senkrecht zur Lichtrichtung steht, nimmt er den größtmöglichen Raumwinkel ein. Dreht sich der Lichtsensor von der Lichtquelle weg, verringert sich sein Raumwinkel und damit auch die Beleuchtungsstärke, bis der Lichtsensor schließlich keine direkte Beleuchtungsstärke mehr feststellt, wenn er parallel zu den Lichtstrahlen oder von der Lichtquelle weg zeigt. Diese Tatsache kann genutzt werden, um den Einfallswinkel eines Lichtstrahls auf den Sensor zu bestimmen.

Abbildung 2: Diagramm zeigt Beleuchtungsstärke vs. Winkel

Helligkeitssteuerung

Lichtsensoren haben viele Verwendungsmöglichkeiten. Am häufigsten werden sie in unserem Alltag in Mobiltelefonen und Tablets eingesetzt. Die meisten tragbaren elektronischen Geräte verfügen heute über Umgebungslichtsensoren, mit denen die Helligkeit eingestellt werden kann. Wenn das Gerät erkennt, dass es sich an einem dunklen Ort befindet, schaltet es die Helligkeit des Bildschirms herunter, um Strom zu sparen und den Benutzer nicht mit einem sehr hellen Bildschirm zu überraschen.

Eine weitere alltägliche Anwendung für Lichtsensoren ist die Steuerung der automatischen Beleuchtung in Autos und Straßenlaternen. Die Verwendung eines Lichtsensors, der eine Glühbirne ansteuert, wenn es draußen dunkel ist, erspart das lästige Einschalten des Lichts und spart tagsüber, wenn die Sonne hell genug ist, Strom.

Sicherheit

Es gibt jedoch noch viel mehr Verwendungszwecke als den Komfort für den Verbraucher. Das Erkennen des Eindringens in Container oder Räume ist eine wichtige Sicherheitsanwendung. Bei der Verschiffung teurer Güter kann es wichtig sein, zu wissen, wann ein Container geöffnet wurde, damit Fälle von Produktverlust leichter aufgeklärt werden können. Mit einem billigen Fotowiderstand könnte jedes Öffnen des Containers protokolliert werden, so dass festgestellt werden kann, an welchem Punkt des Prozesses Diebe den Container geplündert haben oder ob der Absender unehrlich war und behauptete, der Container müsse ausgeraubt worden sein.

Während Lichtsensoren die einzigen Produkte sind, die aussagekräftige Daten in Bezug auf Licht liefern können, sind viele andere Güter lichtempfindlich. So können beispielsweise Gemälde und Fotografien auf Papier sowie ältere Kunstwerke durch Sonneneinstrahlung beschädigt werden, so dass es wichtig ist, zu wissen, wie viel Licht sie ausgesetzt sind. Beim Versand eines Kunstwerks könnte ein Lichtsensor verwendet werden, um sicherzustellen, dass es nicht zu lange in der Sonne gelegen hat.

Planung

Ein Lichtsensor könnte auch verwendet werden, um das Kunstwerk an einem festen Ort aufzustellen. In Bereichen in der Nähe des Eingangs oder der Fenster eines Museums könnte das Sonnenlicht für bestimmte Materialien zu stark sein, so dass ein Lichtsensor verwendet werden könnte, um die Kunst entsprechend zu platzieren. Dies ist vergleichbar mit der Methode zur Aufstellung von Solaranlagen auf Häusern oder Feldern. Es macht keinen Sinn, ein Solarpanel an einem bestimmten Ort zu bauen und zu installieren, wenn es nicht viel direktes Sonnenlicht abbekommt, also wird ein Lichtsensor verwendet, um den besten Platz mit dem stärksten direkten Sonnenlicht zu finden. (Wie ich bereits erwähnt habe, ist ein Solarpanel nur ein sehr großer Lichtsensor, aber es ist einfacher, ein tragbares Gerät zum Testen des Sonnenlichts zu verwenden als das Panel selbst.)

Landwirtschaft

Sonnenlicht hat wichtige Auswirkungen auf die Landwirtschaft, besonders im wasserarmen amerikanischen Westen. Verschiedene Kulturen benötigen unterschiedliche Mengen an Sonnenlicht, daher ist es wichtig zu wissen, welche Parzellen am meisten Sonnenlicht erhalten. Da die Wasserversorgung an Orten wie Utah immer knapper wird, haben die Landwirte eine finanzielle und soziale Verpflichtung, den Wasserverbrauch zu begrenzen und gleichzeitig ihre Pflanzen mit Wasser zu versorgen. Eine Taktik besteht darin, die Pflanzen nachmittags oder abends zu bewässern, um zu vermeiden, dass die heiße Sonne das Wasser verkocht, bevor der Boden und die Pflanzen es richtig aufnehmen können. Mit Hilfe eines Lichtsensors könnte ein Sprinklersystem automatisch gesteuert werden, so dass nur dann bewässert wird, wenn die Sonne nicht am hellsten steht. In Verbindung mit anderen Wetterüberwachungsgeräten, die Daten über Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit sammeln, könnte ein System nicht nur bei schwacher Sonneneinstrahlung bewässern, sondern auch auf intelligente Weise herannahenden Regen oder Wolken erkennen, um seinen Bewässerungsplan zu optimieren.

Wie Lichtsensoren funktionieren

Nachdem Sie nun das Durcheinander der Einheiten zur Quantifizierung des Lichts verstanden haben, können wir damit beginnen zu verstehen, wie die Beleuchtungsstärke mit Hilfe von Lichtsensoren bestimmt wird.

Photodiode

Lichtsensoren verwenden manchmal eine Komponente, die Photodiode genannt wird, um die Beleuchtungsstärke zu messen. Wenn Lichtstrahlen auf eine Fotodiode treffen, haben sie die Tendenz, Elektronen herauszuschlagen, wodurch ein elektrischer Strom fließt. Je heller das Licht ist, desto stärker ist der elektrische Strom. Der Strom kann dann gemessen werden, um die Beleuchtungsstärke des Lichts zu ermitteln. Wenn Ihnen der durch Licht induzierte elektrische Strom bekannt vorkommt, liegt das daran, dass dies das Funktionsprinzip von Solarmodulen ist, die zur Stromversorgung von Straßenschildern und Häusern verwendet werden. Solarmodule sind im Grunde sehr große Fotodioden-Lichtsensoren.

Fotowiderstand

Eine andere Art von Lichtsensor ist der Fotowiderstand. Ein Fotowiderstand ist ein lichtabhängiger Widerstand, das heißt, wenn sich die Helligkeit des auf ihn fallenden Lichts ändert, ändert sich auch der Widerstand. Fotowiderstände sind billiger als Fotodioden, aber viel ungenauer, so dass sie meist dazu verwendet werden, relative Lichtstärken zu vergleichen oder einfach festzustellen, ob ein Licht an- oder ausgeschaltet ist.

Verfügbare Lichtsensoren

Wie bereits erwähnt, sind Lichtsensoren (Fotowiderstände und Fotodioden) vielseitig und nicht besonders teuer, so dass es viele Möglichkeiten gibt, von einfachen Komponenten bis hin zu hochpräzisen Datenloggern.

Eine Methode zur Erfassung von Beleuchtungsstärkedaten ist die Verwendung der üblichen kleinen Computerplattformen wie Arduino oder Raspberry Pi. Die Verwendung dieser Plattformen zur Messung der Beleuchtungsstärke ist nützlich, weil die Programmierung und die Anbindung an einen Computer einfach ist und die Fotowiderstände sehr erschwinglich sind. Außerdem ist es möglich, den Lichtsensor zusammen mit anderen Datenerfassungsgeräten zu verwenden. Allerdings wäre ein solches System nicht sehr genau oder benutzerfreundlich.

Amazon hat eine Menge von Consumer-Belichtungsmessern, die typischerweise für die Fotografie verwendet werden. Sie sind alle kompakt und einfach zu bedienen, die Daten werden in Echtzeit auf dem Bildschirm angezeigt, und alle haben eine recht gute Aktualisierungsrate von einigen Hertz. Sie eignen sich wahrscheinlich am besten für den Vergleich der relativen Helligkeit zwischen Räumen in Innenräumen, aber die meisten haben einen großen Messbereich, so dass sie auch im Freien verwendet werden können.

Tatsächlich verkaufen wir einen Lichtsensor als Teil unserer enDAQ-Sensoren. Er verwendet eine Si1133-Fotodiode und zeichnet Beleuchtungsstärkedaten zusammen mit Beschleunigungs-, Temperatur- und Druckdaten auf dem Gerät auf. Da die Beleuchtungsstärke die Candela als Basiseinheit hat, müssen Lichtmessungen angepasst werden, um die nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung zu berücksichtigen. Der Si1133 tut dies, indem er das Infrarotlicht separat misst und es zur korrekten Anpassung der Beleuchtungsstärkedaten verwendet. Der Lichtsensor des enDAQ-Sensors misst neben dem sichtbaren Licht auch den UV-Index.