I sensori di luce sembrano abbastanza semplici. Rilevano la luce, proprio come un termometro rileva la temperatura e un tachimetro rileva la velocità. La temperatura e la velocità sono facili da comprendere perché le percepiamo in modo diretto. Ma la luce è molto complicata. La temperatura e la velocità sono proprietà intensive, quindi non dipendono dalla massa o dalle dimensioni di un oggetto. La luce può essere misurata come una proprietà estensiva, il che significa che la luce totale raccolta dipende dalle dimensioni del collettore (ad esempio, un impianto solare di una discarica raccoglie più luce di un minuscolo caricabatterie solare), o in modo intensivo dividendo per l’area.

Ma cosa misurano i sensori di luce? Fotoni? L’energia? È complicato. Le unità sono importanti da capire prima di tentare di capire i sensori di luce.

Unità dei sensori di luce

Prima di poter capire bene i sensori di luce e come applicarli, dobbiamo essere in grado di quantificare la luce. Sfortunatamente, la misurazione della luce usa alcune strane unità di misura. Per esempio, le lampadine sono di solito valutate usando i lumen, ma i sensori di luce tipicamente prendono le misure in lux. Inoltre, sia i lumen che i lux sono basati su un’unità di base arcana chiamata candela.

Il Candela

Questa unità è usata per descrivere l’intensità luminosa, che è quanto forte appare la luce ad un occhio umano. Si basa su una formula ufficiale del SI che pondera ogni lunghezza d’onda della luce in un fascio in base a quanto l’occhio umano è sensibile ad essa. Più alta è l’intensità luminosa di un fascio di luce, più sensibile è l’occhio umano ad essa. (Le candele erano conosciute in passato come “candele”, e l’intensità luminosa di una candela normale è circa una candela. Intelligente, vero?) La ragione per cui le candele non sono usate per confrontare le lampadine e le torce è che l’intensità di un fascio dipende non solo dalla potenza della lampadina, ma anche da quanta di quella potenza è concentrata in una particolare direzione. La maggior parte delle torce utilizza degli specchi dietro la lampadina per concentrare più luce nella direzione di uscita e quindi apparire più luminosa. Questo significa che la lampadina ha una maggiore intensità in una direzione, pur utilizzando la stessa quantità di potenza ed emettendo la stessa quantità totale di luce. Per misurare correttamente l’uscita di una lampadina, abbiamo bisogno di una nuova unità: il lumen.

Lumen

Il lumen è usato per misurare il flusso luminoso totale di una lampadina. Questo è il prodotto dell’intensità luminosa (in candele) e l’angolo solido che il fascio riempie (in steradianti). Una lampadina che emette luce in tutte le direzioni potrebbe avere un’intensità luminosa di 10 candele, che moltiplicata per gli interi 4π steradiani avrebbe un flusso luminoso di 126 lumen. Come all’interno di una torcia, uno specchio su un lato della lampadina farebbe apparire l’altro lato più luminoso a causa della riflessione di metà dell’emissione della lampadina. L’intensità della luce raddoppierebbe a 20 candele, ma l’angolo solido si dimezzerebbe a 2π steradiani. Moltiplicando l’intensità della luce di fronte allo specchio e il nuovo angolo solido si otterrebbero ancora 126 lumen di flusso luminoso. Non importa come la luce viene riflessa e concentrata, questa lampadina produrrà sempre 126 lumen di flusso luminoso.

Lux

Se le lampadine sono valutate usando i lumen, perché i sensori di luce devono usare un’unità diversa? È la ragione per cui i musicisti non vengono accecati ai concerti. Una singola torcia può sembrare accecante quando viene fatta brillare a un centimetro di distanza dagli occhi di Drake, ma un mare di torce telefoniche puntate sul palco non è affatto luminoso. Poiché la luce si disperde quando lascia il telefono, solo una piccola quantità di luce colpisce i suoi occhi sul palco. Man mano che un oggetto si allontana da una fonte di luce, diminuisce anche la parte di luce che riceve. Per misurare correttamente il flusso luminoso percepito da una superficie, chiamato illuminamento, si usa un’unità chiamata lux, che è uguale a un lumen per metro quadrato. Alla stessa distanza da una fonte di luce, un foglio di 1 metro quadrato è sottoposto allo stesso illuminamento di un foglio di 10 metri quadrati. Il foglio più grande raccoglie dieci volte più luce, se si misura il flusso luminoso in lumen, ma la sua area è altrettanto grande, quindi l’illuminamento è lo stesso. Se i fogli si muovono verso la fonte di luce, l’angolo solido occupato da ciascun foglio aumenta, e quindi aumenta anche l’illuminamento. L’intensità della luce è costante, e l’area dei fogli è costante, ma l’angolo solido occupato aumenta, quindi aumenta l’illuminamento che ricevono. I sensori di luce devono misurare l’illuminamento perché rappresenta la luce proiettata su un’area unitaria, e perché non possono sapere quale angolo solido occupano.

Usi dei sensori di luce

Rilevamento del posto

I sensori di luce misurano l’illuminamento, che può essere usato per misurare più che la luminosità di una sorgente luminosa. Poiché l’illuminamento diminuisce quando il sensore si allontana da una luce fissa, il sensore di luce può essere usato per misurare la distanza relativa dalla sorgente.

Figura 1: Il grafico mostra l’illuminamento rispetto alla distanza

I sensori di luce sono quasi sempre una superficie piatta e unilaterale, quindi l’angolo solido occupato dal sensore visto dalla sorgente luminosa può cambiare a seconda del suo orientamento. Con il sensore di luce perpendicolare alla direzione della luce, occupa l’angolo solido più grande possibile. Man mano che il sensore di luce ruota lontano dalla luce, il suo angolo solido diminuisce, e quindi anche l’illuminamento diminuisce, fino a quando il sensore di luce alla fine non rileva alcun illuminamento diretto quando è parallelo ai fasci di luce o quando è rivolto lontano. Questo fatto può essere usato per determinare l’angolo di incidenza di un raggio di luce sul sensore.

Figura 2: Il grafico mostra l’illuminamento contro l’angolo

Controllo della luminosità

I sensori di luce hanno molti usi. L’uso più comune nella nostra vita quotidiana è nei telefoni cellulari e nei tablet. La maggior parte dell’elettronica personale portatile ora ha sensori di luce ambientale utilizzati per regolare la luminosità. Se il dispositivo percepisce che si trova in un luogo buio, abbassa la luminosità dello schermo per risparmiare energia e non sorprendere l’utente con uno schermo molto luminoso.

Un altro uso comune dei sensori di luce è il controllo delle luci automatiche nelle automobili e nei lampioni. Usare un sensore di luce per far scattare una lampadina quando fuori è buio risparmia la leggera seccatura di accendere le luci e risparmia energia durante il giorno quando il sole è abbastanza luminoso.

Sicurezza

Ci sono molti altri usi oltre alla comodità del consumatore, comunque. Rilevare l’intrusione nei container o nelle stanze è un’importante applicazione di sicurezza. Quando si spediscono merci costose, può essere importante sapere quando un container è stato aperto, in modo che i casi di perdita del prodotto possano essere risolti più facilmente. Un fotoresistore economico potrebbe essere usato per registrare ogni volta che il container viene aperto, in modo da poter determinare a che punto del processo i ladri hanno fatto irruzione nel container, o se il mittente è stato disonesto e ha affermato che il container deve essere stato derubato.

Mentre i sensori di luce sono gli unici prodotti che possono fornire dati significativi riguardo alla luce, molti altri beni sono sensibili alla luce. Per esempio, i dipinti e le fotografie su carta e le opere d’arte più antiche possono essere danneggiati a causa dell’esposizione alla luce del sole, quindi è importante sapere a quanta luce sono esposti. Quando si spedisce un’opera d’arte, un sensore di luce potrebbe essere usato per verificare che non sia stata lasciata troppo a lungo al sole.

Pianificazione

Un sensore di luce potrebbe anche essere usato per collocare l’arte in una posizione permanente. Le aree vicine all’ingresso o alle finestre di un museo potrebbero avere una luce solare troppo dura per materiali particolari, quindi un sensore di luce potrebbe essere usato per posizionare l’arte in modo appropriato. Questo è simile al metodo per collocare gli array solari sulle case o nei campi. Non ha senso costruire e installare un pannello solare in un certo punto se non riceverà molta luce solare diretta, quindi un sensore di luce viene utilizzato per trovare il miglior posizionamento con la più forte luce solare diretta. (Come ho detto, un pannello solare è solo un sensore di luce molto grande, ma è più facile usare un dispositivo portatile per testare la luce del sole che usare il pannello stesso.)

Agricoltura

La luce del sole ha importanti implicazioni sull’agricoltura, specialmente nell’ovest americano povero d’acqua. Colture diverse hanno bisogno di diverse quantità di luce solare, quindi è importante sapere quali appezzamenti di terreno sono più esposti. Dato che la fornitura d’acqua diventa più tesa in luoghi come lo Utah, gli agricoltori hanno l’obbligo finanziario e sociale di limitare il consumo d’acqua, pur mantenendo le loro colture idratate. Una tattica che viene adottata è quella di innaffiare le colture nel pomeriggio o la sera, per evitare che il sole caldo cuocia l’acqua prima che il terreno e le piante possano assorbirla correttamente. Un sensore di luce potrebbe essere usato per gestire automaticamente un sistema di irrigazione, innaffiando solo quando il sole non è al massimo della sua luminosità. Quando accoppiato con altre apparecchiature di monitoraggio del tempo per raccogliere i dati relativi a temperatura, pressione e umidità, un sistema potrebbe non solo irrigare quando il sole è fioco, ma anche rilevare in modo intelligente la pioggia o le nuvole in arrivo per ottimizzare il suo programma di irrigazione.

Come funzionano i sensori di luce

Ora che hai capito il casino di unità che quantificano la luce, possiamo iniziare a capire come viene determinato l’illuminamento usando i sensori di luce.

Fotodiodo

I sensori di luce talvolta usano un componente chiamato fotodiodo per misurare l’illuminamento. Quando i fasci di luce colpiscono un fotodiodo, hanno la tendenza a far cadere gli elettroni, causando il flusso di una corrente elettrica. Più luminosa è la luce, più forte è la corrente elettrica. La corrente può quindi essere misurata per restituire l’illuminamento della luce. Se la corrente elettrica indotta dalla luce suona familiare, è perché questo è il principio di funzionamento dei pannelli solari usati per alimentare i segnali stradali e le case. I pannelli solari sono fondamentalmente dei sensori di luce a fotodiodi molto grandi.

Fotoresistore

Un altro tipo di sensore di luce è il fotoresistore. Un fotoresistore è un resistore dipendente dalla luce, il che significa che se c’è un cambiamento nella luminosità della luce che lo illumina, ci sarà un cambiamento nella resistenza. I fotoresistori sono più economici dei fotodiodi, ma sono molto meno precisi, quindi vengono usati soprattutto per confrontare i livelli di luce relativi o semplicemente se una luce è accesa o spenta.

Sensori di luce disponibili

Come detto prima, i sensori di luce (fotoresistenze e fotodiodi) sono versatili e non super costosi, quindi ci sono un sacco di opzioni là fuori, da componenti di base a registratori di dati altamente accurati.

Un metodo per raccogliere dati di illuminamento è utilizzare le solite piccole piattaforme di calcolo come Arduino o Raspberry Pi. Usare queste piattaforme per misurare l’illuminamento è utile perché la programmazione e l’interfacciamento con un computer è semplice e i fotoresistori sono molto convenienti. Inoltre, è possibile utilizzare il sensore di luce in tandem con altro hardware di raccolta dati. Tuttavia, un sistema come questo non sarebbe molto accurato o user-friendly.

Amazon ha un sacco di misuratori di luce consumer che sono tipicamente utilizzati per la fotografia. Sono tutti compatti e facili da usare, con i dati che appaiono sullo schermo in tempo reale, e tutti hanno una frequenza di aggiornamento ragionevolmente buona di pochi hertz. Questi sarebbero probabilmente utilizzati al meglio per confrontare la luminosità relativa tra le stanze all’interno, ma la maggior parte ha una vasta gamma, quindi l’uso all’aperto è anche un’opzione.

In effetti, vendiamo un sensore di luce come parte dei nostri sensori enDAQ. Utilizza un fotodiodo Si1133 e registra i dati di illuminamento sul dispositivo insieme ai dati di accelerazione, temperatura e pressione. Poiché l’illuminamento ha la candela come unità di base, le misure di luce devono essere regolate per tenere conto della radiazione elettromagnetica non visibile. Il Si1133 fa questo misurando separatamente la luce infrarossa e usandola per regolare correttamente i dati dell’illuminamento. Il sensore di luce del sensore enDAQ misura anche l’indice UV oltre alla luce visibile.