A fényérzékelők elég egyszerűnek tűnnek. Érzékelik a fényt, ahogyan a hőmérő érzékeli a hőmérsékletet, a sebességmérő pedig a sebességet. A hőmérsékletet és a sebességet könnyű megérteni, mert egyszerű módon érzékeljük őket. A fény azonban nagyon bonyolult. A hőmérséklet és a sebesség intenzív tulajdonságok, tehát nem függnek a tárgy tömegétől vagy méretétől. A fényt lehet extenzív tulajdonságként mérni, ami azt jelenti, hogy a teljes összegyűjtött fény függ a kollektor méretétől (pl. egy szeméttelepi napelemtábla több fényt gyűjt, mint egy apró napelemes telefontöltő), vagy intenzíven, ha elosztjuk a területtel.
De mit mérnek egyáltalán a fényérzékelők? Fotonokat? Energiát? Ez bonyolult. Fontos megérteni a mértékegységeket, mielőtt megpróbálnánk megérteni a fényérzékelőket.
Fényérzékelő mértékegységek
Mielőtt megfelelően megértenénk a fényérzékelőket és alkalmazhatnánk őket, meg kell tudnunk számszerűsíteni a fényt. Sajnos a fény mérése néhány furcsa mértékegységet használ. Például az izzókat általában lumenben mérik, de a fényérzékelők általában luxban mérnek. Ráadásul mind a lumen, mind a lux egy Candela nevű titkos alapegységen alapul.
A Candela
Ezt az egységet a fényerősség leírására használják, ami azt jelenti, hogy az emberi szem számára milyen erősnek tűnik a fény. Egy SI-hivatalos képleten alapul, amely a fénysugár minden egyes hullámhosszát súlyozza az alapján, hogy az emberi szem mennyire érzékeny rá. Minél nagyobb egy fénysugár fényerőssége, annál érzékenyebb rá az emberi szem. (A kandelákat korábban “gyertyáknak” nevezték, és egy normál gyertya fényerőssége körülbelül egy candela. Okos, ugye?) A kandelákat azért nem használják az izzók és a zseblámpák összehasonlítására, mert a fénysugár intenzitása nemcsak az izzó teljesítményétől függ, hanem attól is, hogy a teljesítmény mekkora része koncentrálódik egy adott irányba. A legtöbb zseblámpa tükröket használ az izzó mögött, hogy több fényt koncentráljon a kimeneti irányba, és ezért fényesebbnek tűnjön. Ez azt jelenti, hogy az izzó intenzitása egy irányban megnövekszik, miközben ugyanannyi energiát használ fel és ugyanannyi fényt bocsát ki. Az izzó teljesítményének megfelelő méréséhez egy új egységre van szükségünk: a lumenre.
Lumen
A lument az izzó teljes fényáramának mérésére használják. Ez a fényerősség (kandelában) és a fénysugár által kitöltött térszög (szteradiánban) szorzata. Egy minden irányba fényt kibocsátó izzó fényerőssége 10 kandela lehet, ami a teljes 4π steradiánnal megszorozva 126 lumen fényáramot eredményez. Mint egy zseblámpa belsejében, az izzó egyik oldalán elhelyezett tükör az izzó teljesítményének felének visszaverődése miatt a másik oldal fényesebbnek tűnne. A fényerősség megduplázódna 20 kandelára, de a térszög megfeleződne 2π szteradiánra. A tükörrel szemben lévő fény intenzitásának és az új térszögnek a szorzata még mindig 126 lumen fényáramot adna. Nem számít, hogyan tükröződik és koncentrálódik a fény, ez az izzó mindig 126 lumen fényáramot fog produkálni.
Lux
Ha az izzókat lumenben mérik, miért kell a fényérzékelőknek más mértékegységet használniuk? Ez az oka annak, hogy a zenészek nem vakulnak meg a koncerteken. Egyetlen zseblámpa vakítónak tűnhet, ha egy centire világít Drake szemétől, de a színpadra irányított telefonos zseblámpák tengere egyáltalán nem fényes. Mivel a fény szétszóródik, ahogy elhagyja a telefont, a színpadon csak kevés fény éri a szemét. Ahogy egy tárgy távolodik a fényforrástól, úgy csökken a fénynek a rá eső része is. A felület által érzékelt fényáram, az úgynevezett megvilágítottság megfelelő mérésére a lux nevű mértékegységet használjuk, amely egy lumen/négyzetméterrel egyenlő. A fényforrástól való azonos távolságban egy 1 négyzetméteres lapot ugyanolyan megvilágításnak teszünk ki, mint egy 10 négyzetméteres lapot. A nagyobb lap tízszer annyi fényt gyűjt be, ha a fényáramot lumenben mérjük, de a területe ugyanolyan nagy, így a megvilágítási erősség ugyanaz. Ha a lapok a fényforrás felé mozognak, az egyes lapok által elfoglalt térszög megnő, és így a megvilágítási sűrűség is nő. A fény intenzitása állandó, és a lapok területe állandó, de az általuk elfoglalt térszög növekszik, ezért nő az általuk felvett megvilágítási erősség. A fényérzékelőknek azért kell mérniük a megvilágítási sűrűséget, mert ez az egységnyi területre vetülő fényt jelenti, és mert nem tudhatják, hogy milyen térszöget foglalnak el.
A fényérzékelők felhasználási területei
Pozícióérzékelés
A fényérzékelők a megvilágítási sűrűséget mérik, ami nem csak a fényforrás fényerejének mérésére használható. Mivel a megvilágítási erősség csökken, ahogy az érzékelő távolodik az egyenletes fénytől, a fényérzékelő használható a fényforrástól való relatív távolság mérésére.
1. ábra: A megvilágítási erősség és a távolság közötti grafikon
A fényérzékelők szinte mindig sík, egyoldalú felületet alkotnak, így a fényforrástól nézve az érzékelő által elfoglalt térszög a fényforrástól függően változhat. Ha a fényérzékelő merőleges a fény irányára, akkor a lehető legnagyobb térszöget foglalja el. Ahogy a fényérzékelő elfordul a fénytől, a térszöge csökken, így a megvilágítás is csökken, míg végül a fényérzékelő nem érzékel közvetlen megvilágítást, amikor a fénysugárral párhuzamosan vagy attól távolodva áll. Ez a tény felhasználható a fénysugár beesési szögének meghatározására az érzékelőn.
2. ábra: A megvilágítottságot a szög függvényében mutató grafikon
Fényerősség-szabályozás
A fényérzékelőknek számos felhasználási területe van. A mindennapi életünkben leggyakrabban a mobiltelefonokban és a táblagépekben használják. A legtöbb hordozható személyi elektronika ma már rendelkezik környezeti fényérzékelőkkel, amelyeket a fényerő beállítására használnak. Ha a készülék érzékeli, hogy sötét helyen van, akkor csökkenti a képernyő fényerejét, hogy energiát takarítson meg, és ne lepje meg a felhasználót egy nagyon világos képernyővel.
A fényérzékelők másik gyakori felhasználási területe az autók és az utcai lámpák automatikus világításának vezérlése. Ha fényérzékelőt használunk az izzó bekapcsolására, amikor kint sötét van, megspóroljuk a lámpák bekapcsolásával járó kis fáradságot, és energiát takarítunk meg nappal, amikor a nap elég világos.
Biztonság
A fogyasztói kényelemnél azonban sokkal több felhasználási mód létezik. A tárolókba vagy helyiségekbe való behatolás észlelése fontos biztonsági alkalmazás. Drága áruk szállítása esetén fontos lehet tudni, hogy mikor nyitották ki a szállítótartályt, így a termék elvesztésével járó esetek könnyebben megoldhatók. Egy olcsó fotoellenállással naplózni lehetne minden egyes konténernyitást, így megállapítható, hogy a folyamat melyik pontján rabolták ki a tolvajok a konténert, vagy ha a feladó tisztességtelen volt, és azt állította, hogy a konténert biztosan kirabolták.
Míg a fényérzékelők az egyetlen olyan termékek, amelyek értelmes adatokat szolgáltatnak a fényre vonatkozóan, sok más áru is érzékeny a fényre. Például a papírra festett festmények és fényképek, valamint a régebbi műalkotások károsodhatnak a napfény hatására, ezért fontos tudni, hogy mennyi fénynek vannak kitéve. Egy műalkotás szállításakor fényérzékelővel ellenőrizni lehetne, hogy az nem maradt-e túl sokáig a napon.
Tervezés
A fényérzékelőt a műalkotás állandó helyre történő elhelyezéséhez is lehetne használni. A múzeum bejáratához vagy ablakaihoz közeli területeken a napfény túl erős lehet bizonyos anyagok számára, így egy fényérzékelőt lehetne használni a műalkotások megfelelő elhelyezésére. Ez hasonló a napelemek házakra vagy mezőkre történő elhelyezésének módszeréhez. Nincs értelme napelemet építeni és telepíteni egy bizonyos helyre, ha az nem kap sok közvetlen napfényt, ezért a fényérzékelőt arra használják, hogy megtalálják a legjobb helyet a legerősebb közvetlen napfénnyel. (Mint említettem, a napelem nem más, mint egy nagyon nagy fényérzékelő, de egyszerűbb egy kézi eszközzel vizsgálni a napfényt, mint magával a panellel.)
Mezőgazdaság
A napfény fontos hatással van a mezőgazdaságra, különösen a vízhiányos amerikai nyugaton. A különböző növényeknek különböző mennyiségű napfényre van szükségük, ezért fontos tudni, hogy mely földterületek kapják a legtöbb napfényt. Mivel a vízellátás egyre feszültebbé válik az olyan helyeken, mint Utah, a gazdáknak pénzügyi és társadalmi kötelességük, hogy korlátozzák a vízfogyasztást, miközben a terményeiket is hidratáltan tartják. Az egyik elfogadott taktika, hogy a növényeket délután vagy este öntözik, hogy a forró nap ne főzze ki a vizet, mielőtt a talaj és a növények megfelelően fel tudnák szívni azt. Egy fényérzékelő segítségével az öntözőrendszer automatikusan vezérelhető, és csak akkor öntöz, amikor a nap nem a legfényesebben süt. Más időjárás-figyelő berendezésekkel párosítva, amelyek adatokat gyűjtenek a hőmérsékletre, a légnyomásra és a páratartalomra vonatkozóan, a rendszer nemcsak akkor tudna öntözni, amikor a nap halványan süt, hanem intelligensen érzékelné a közelgő esőt vagy felhőket is, hogy optimalizálja az öntözési ütemtervet.
Hogyan működnek a fényérzékelők
Most, hogy megértettük a fényt számszerűsítő egységek zűrzavarát, elkezdhetjük megérteni, hogyan határozzák meg a megvilágítottságot a fényérzékelők segítségével.
Fotodióda
A fényérzékelők néha egy fotodiódának nevezett alkatrészt használnak a megvilágítottság mérésére. Amikor a fénysugarak egy fotodiódára esnek, hajlamosak elektronokat kiütni, ami elektromos áramot indít el. Minél fényesebb a fény, annál erősebb az elektromos áram. Az áram ezután mérhető, hogy visszaadja a fény megvilágítottságát. Ha a fény által kiváltott elektromos áram ismerősen hangzik, az azért van, mert ez a közúti jelzőtáblák és az otthonok energiaellátására használt napelemek működési elve. A napelemek alapvetően nagyon nagy fotodiódás fényérzékelők.
Fotóellenállás
A fényérzékelők másik típusa a fotoellenállás. A fotoellenállás fényfüggő ellenállás, ami azt jelenti, hogy ha változik a ráeső fény fényerősség, akkor változik az ellenállás. A fotoellenállások olcsóbbak, mint a fotodiódák, de sokkal kevésbé pontosak, ezért leginkább a relatív fényszintek összehasonlítására használják őket, vagy egyszerűen arra, hogy egy fény be van-e kapcsolva vagy sem.
A rendelkezésre álló fényérzékelők
Amint korábban említettük, a fényérzékelők (fotoellenállások és fotodiódák) sokoldalúak és nem szuperdrágák, így sokféle lehetőség van, az egyszerű alkatrészektől a nagy pontosságú adatgyűjtőkig.
A megvilágítási adatok gyűjtésének egyik módszere a szokásos kis számítási platformok, például az Arduino vagy a Raspberry Pi használata. Ezeknek a platformoknak a használata a megvilágítási sűrűség mérésére azért hasznos, mert a programozás és a számítógéphez való kapcsolódás egyszerű, és a fotoellenállások nagyon megfizethetőek. Ezenkívül a fényérzékelőt más adatgyűjtő hardverekkel együtt is lehet használni. Egy ilyen rendszer azonban nem lenne túl pontos vagy felhasználóbarát.
Az Amazonon rengeteg fogyasztói fénymérőt kínál, amelyeket jellemzően fotózáshoz használnak. Ezek mind kompaktak és könnyen kezelhetőek, az adatok valós időben jelennek meg a képernyőn, és mindegyiknek viszonylag jó, néhány hertzes frissítési frekvenciája van. Ezeket valószínűleg leginkább a szobák relatív fényerejének beltéri összehasonlítására lehet használni, de a legtöbbjük széles hatótávolsággal rendelkezik, így a kültéri használat is lehetséges.
Tény, hogy az enDAQ érzékelőink részeként fényérzékelőt is árulunk. Ez egy Si1133 fotodiódát használ, és naplózza a megvilágítási adatokat az eszközön a gyorsulási, hőmérsékleti és nyomásadatokkal együtt. Mivel a megvilágítás alapegysége a candela, a fényméréseket ki kell igazítani a nem látható elektromágneses sugárzás figyelembevételéhez. A Si1133 ezt úgy végzi el, hogy külön méri az infravörös fényt, és azt használja fel a megvilágítási adatok megfelelő beállításához. Az enDAQ érzékelő fényérzékelője a látható fény mellett az UV-indexet is méri.