Lichtsensoren lijken vrij eenvoudig. Ze meten het licht, net zoals een thermometer de temperatuur meet en een snelheidsmeter de snelheid. Temperatuur en snelheid zijn eenvoudig te begrijpen omdat we ze op een eenvoudige manier waarnemen. Maar licht is zeer gecompliceerd. Temperatuur en snelheid zijn intensieve eigenschappen, dus ze hangen niet af van de massa of grootte van een voorwerp. Licht kan worden gemeten als een uitgebreide eigenschap, wat betekent dat het totaal opgevangen licht afhangt van de grootte van de collector (bijv. een zonnepaneel op een vuilstort verzamelt meer licht dan een piepkleine oplader voor een telefoon op zonne-energie), of intensief door te delen door het oppervlak.

Maar wat meten lichtsensoren eigenlijk? Fotonen? Energie? Het is ingewikkeld. De eenheden zijn belangrijk om te begrijpen voordat we lichtsensoren proberen te begrijpen.

Lichtsensoreenheden

Voordat we lichtsensoren goed kunnen begrijpen en hoe we ze kunnen toepassen, moeten we licht kunnen kwantificeren. Helaas worden voor het meten van licht vreemde eenheden gebruikt. Zo worden gloeilampen gewoonlijk gewaardeerd in lumen, maar lichtsensoren meten gewoonlijk in lux. Bovendien zijn zowel lumen als lux gebaseerd op een geheimzinnige basiseenheid, de candela.

De Candela

Deze eenheid wordt gebruikt om de lichtsterkte te beschrijven, dat is hoe sterk licht lijkt voor een menselijk oog. Het is gebaseerd op een officiële SI-formule die elke golflengte van licht in een straal weegt op basis van hoe gevoelig het menselijk oog ervoor is. Hoe hoger de lichtsterkte van een lichtstraal, hoe gevoeliger het menselijk oog ervoor is. (Kandelaars werden vroeger “kaarsen” genoemd, en de lichtsterkte van een gewone kaars is ongeveer één candela. Slim, toch?) De reden waarom kandelaars niet worden gebruikt om gloeilampen en zaklampen te vergelijken is dat de intensiteit van een lichtbundel niet alleen afhangt van het vermogen van de lamp, maar ook van hoeveel van dat vermogen in een bepaalde richting is geconcentreerd. De meeste zaklampen gebruiken spiegels achter de lamp om meer licht in de uitgaande richting te concentreren en daardoor feller te lijken. Dit betekent dat de lamp in een bepaalde richting een grotere intensiteit heeft, terwijl hij evenveel vermogen gebruikt en dezelfde totale hoeveelheid licht uitstraalt. Om de output van een gloeilamp goed te kunnen meten, hebben we een nieuwe eenheid nodig: de lumen.

Lumen

De lumen wordt gebruikt om de totale lichtstroom van een gloeilamp te meten. Dit is het product van de lichtsterkte (in candela) en de ruimtehoek die de lichtbundel vult (in steradialen). Een lamp die in alle richtingen licht uitstraalt, kan een lichtsterkte van 10 candela hebben, wat bij vermenigvuldiging met de volle 4π steradiaal een lichtstroom van 126 lumen oplevert. Net als in een zaklantaarn zou een spiegel aan de ene kant van de lamp de andere kant helderder doen lijken door de weerkaatsing van de helft van de lichtstroom van de lamp. De intensiteit van het licht zou verdubbelen tot 20 candela, maar de ruimtehoek zou halveren tot 2π steradiaal. Vermenigvuldiging van de intensiteit van het licht tegenover de spiegel en de nieuwe ruimtehoek zou nog steeds 126 lumen aan lichtstroom opleveren. Hoe het licht ook wordt gereflecteerd en geconcentreerd, deze lamp zal altijd 126 lumen aan lichtstroom produceren.

Lux

Als gloeilampen worden beoordeeld in lumen, waarom moeten lichtsensoren dan een andere eenheid gebruiken? Het is de reden waarom muzikanten niet verblind worden bij concerten. Een enkele zaklamp lijkt misschien verblindend als hij op een centimeter afstand van Drake’s ogen wordt geschenen, maar een zee van telefoonzaklampen gericht op het podium is helemaal niet helder. Omdat het licht verstrooit als het de telefoon verlaat, raakt slechts een kleine hoeveelheid licht zijn ogen op het podium. Als een voorwerp zich van een lichtbron verwijdert, neemt ook het deel van het licht dat het ontvangt af. Om de lichtstroom zoals die door een oppervlak wordt waargenomen, verlichtingssterkte genaamd, goed te meten, gebruiken we een eenheid die lux wordt genoemd, en die gelijk is aan één lumen per vierkante meter. Op dezelfde afstand van een lichtbron wordt een vel van 1 vierkante meter onderworpen aan dezelfde verlichtingssterkte als een vel van 10 vierkante meter. De grotere plaat vangt tien keer zoveel licht op, als de lichtstroom in lumen wordt gemeten, maar de oppervlakte is even groot, zodat de verlichtingssterkte dezelfde is. Als de platen naar de lichtbron toe bewegen, neemt de ruimtehoek die door elke plaat wordt ingenomen toe, en dus ook de verlichtingssterkte. De intensiteit van het licht is constant, en de oppervlakte van de platen is constant, maar de ruimtehoek die de platen innemen neemt toe, waardoor de verlichtingssterkte toeneemt. Lichtsensoren moeten de verlichtingssterkte meten, omdat deze het licht vertegenwoordigt dat op een oppervlakte-eenheid wordt geworpen, en omdat ze niet kunnen weten welke ruimtehoek ze innemen.

Toepassingen voor lichtsensoren

Plaatsbepalingsdetectie

Lichtsensoren meten de verlichtingssterkte, die kan worden gebruikt om meer te meten dan de helderheid van een lichtbron. Omdat de verlichtingssterkte afneemt naarmate de sensor zich verwijdert van een constante lichtbron, kan de lichtsensor worden gebruikt om de relatieve afstand tot de bron te meten.

Figuur 1: Grafiek toont verlichtingssterkte versus afstand

Lichtsensoren zijn bijna altijd een plat, eenzijdig oppervlak, zodat de vaste hoek die de sensor inneemt, gezien vanuit de lichtbron, kan veranderen afhankelijk van de oriëntatie ervan. Als de lichtsensor loodrecht op de richting van het licht staat, neemt hij de grootst mogelijke ruimtehoek in. Naarmate de lichtsensor van het licht af draait, neemt de ruimtehoek af en daarmee ook de verlichtingssterkte, totdat de lichtsensor uiteindelijk geen directe verlichtingssterkte meer waarneemt wanneer hij evenwijdig aan de lichtbundels staat of van het licht af kijkt. Dit feit kan worden gebruikt om de invalshoek van een lichtstraal op de sensor te bepalen.

Figuur 2: Grafiek toont verlichtingssterkte versus invalshoek

Verlichtingssturing

Lichtsensoren worden voor veel doeleinden gebruikt. De meest voorkomende toepassing in ons dagelijks leven is in mobiele telefoons en tablets. De meeste draagbare persoonlijke elektronica heeft nu omgevingslichtsensoren die worden gebruikt om de helderheid aan te passen. Als het apparaat kan voelen dat het op een donkere plaats is, vermindert het de helderheid van het scherm om stroom te besparen en de gebruiker niet te verrassen met een zeer helder scherm.

Een andere veel voorkomende toepassing van lichtsensoren is het regelen van automatische verlichting in auto’s en straatlantaarns. Het gebruik van een lichtsensor om een lamp te laten branden wanneer het buiten donker is, bespaart een beetje gedoe met het inschakelen van de verlichting en bespaart stroom overdag wanneer de zon fel genoeg is.

Veiligheid

Er zijn echter veel meer toepassingen dan consumentengemak. Het detecteren van binnendringing in containers of kamers is een belangrijke veiligheidstoepassing. Bij het verschepen van dure vracht kan het belangrijk zijn te weten wanneer een container is geopend, zodat gevallen van productverlies gemakkelijker kunnen worden opgelost. Een goedkope fotoweerstand zou kunnen worden gebruikt om elke keer dat de container wordt geopend te loggen, zodat kan worden bepaald op welk punt in het proces dieven de container hebben geplunderd, of dat de afzender oneerlijk was en beweerde dat de container moet zijn geroofd.

Want lichtsensoren zijn de enige producten die zinvolle gegevens kunnen geven met betrekking tot licht, veel andere goederen zijn gevoelig voor licht. Zo kunnen schilderijen en foto’s op papier en oudere kunstwerken beschadigd raken door blootstelling aan zonlicht, dus is het belangrijk om te weten aan hoeveel licht ze worden blootgesteld. Bij het verzenden van een kunstwerk zou een lichtsensor kunnen worden gebruikt om te controleren of het niet te lang in de zon heeft gestaan.

Planning

Een lichtsensor zou ook kunnen worden gebruikt om het kunstwerk op een permanente plaats te zetten. In de buurt van de ingang of de ramen van een museum kan het zonlicht te hard zijn voor bepaalde materialen, zodat een lichtsensor kan worden gebruikt om de kunst op de juiste plaats te zetten. Dit is vergelijkbaar met de methode voor het plaatsen van zonnepanelen op huizen of in velden. Het heeft geen zin om op een bepaalde plaats een zonnepaneel te bouwen en te installeren als er niet veel direct zonlicht op valt, dus wordt een lichtsensor gebruikt om de beste plaats met het sterkste directe zonlicht te vinden. (Zoals ik al zei, is een zonnepaneel gewoon een heel grote lichtsensor, maar het is gemakkelijker om een handapparaat te gebruiken om het zonlicht te testen dan het paneel zelf.)

Landbouw

Zonlicht heeft belangrijke gevolgen voor de landbouw, vooral in het waterarme Amerikaanse westen. Verschillende gewassen hebben verschillende hoeveelheden zonlicht nodig, dus is het belangrijk te weten welke stukken land het meest worden belicht. Nu de watervoorziening in plaatsen als Utah steeds meer onder druk komt te staan, hebben boeren de financiële en sociale verplichting om het waterverbruik te beperken en tegelijkertijd hun gewassen gehydrateerd te houden. Eén tactiek bestaat erin gewassen ’s middags of ’s avonds water te geven om te voorkomen dat de hete zon het water doet verdampen voordat de grond en de planten het goed kunnen opnemen. Een lichtsensor zou kunnen worden gebruikt om een sproeisysteem automatisch te laten werken, zodat alleen water wordt gegeven wanneer de zon niet op zijn felst is. In combinatie met andere weer-monitoring apparatuur om gegevens over temperatuur, druk en vochtigheid te verzamelen, kan een systeem niet alleen water geven wanneer de zon gedimd is, maar ook op intelligente wijze aankomende regen of wolken detecteren om het bewateringsschema te optimaliseren.

Hoe lichtsensoren werken

Nu u de warboel van eenheden begrijpt die licht kwantificeren, kunnen we beginnen te begrijpen hoe verlichtingssterkte wordt bepaald met behulp van lichtsensoren.

Photodiode

Lichtsensoren gebruiken soms een component genaamd een fotodiode om verlichtingssterkte te meten. Wanneer lichtstralen een fotodiode raken, hebben ze de neiging elektronen los te slaan, waardoor een elektrische stroom gaat lopen. Hoe feller het licht, hoe sterker de elektrische stroom. De stroom kan vervolgens worden gemeten om de verlichtingssterkte van het licht te bepalen. Als door licht opgewekte elektrische stroom bekend in de oren klinkt, komt dat omdat dit het werkingsprincipe is van de zonnepanelen die worden gebruikt om verkeersborden en huizen van stroom te voorzien. Zonnepanelen zijn in feite zeer grote fotodiode lichtsensoren.

Fotoweerstand

Een ander type lichtsensor is de fotoweerstand. Een fotoweerstand is een lichtafhankelijke weerstand, dat wil zeggen dat bij een verandering in de helderheid van het licht dat erop schijnt, er een verandering in de weerstand optreedt. Fotoweerstanden zijn goedkoper dan fotodiodes, maar zijn veel minder nauwkeurig, zodat ze meestal worden gebruikt om relatieve lichtniveaus te vergelijken of gewoon om te bepalen of een licht aan of uit is.

Beschikbare lichtsensoren

Zoals eerder vermeld, zijn lichtsensoren (fotoweerstanden en fotodiodes) veelzijdig en niet super duur, dus er zijn veel opties die er zijn, van basiscomponenten tot zeer nauwkeurige dataloggers.

Eén methode voor het verzamelen van verlichtingssterktegegevens is met behulp van de gebruikelijke kleine computerplatforms zoals Arduino of Raspberry Pi. Het gebruik van deze platforms voor het meten van verlichtingssterkte is nuttig omdat het programmeren en interfacing met een computer eenvoudig is en de fotoresistoren zeer betaalbaar zijn. Bovendien is het mogelijk de lichtsensor te gebruiken in combinatie met andere hardware voor gegevensverzameling. Een dergelijk systeem zou echter niet erg nauwkeurig of gebruiksvriendelijk zijn.

Amazon heeft een heleboel consumentenlichtmeters die typisch worden gebruikt voor fotografie. Ze zijn allemaal compact en gemakkelijk te gebruiken, met gegevens die op het scherm verschijnen in real time, en hebben allemaal een redelijk goede verversingssnelheid van een paar hertz. Deze zouden waarschijnlijk het best kunnen worden gebruikt voor het vergelijken van relatieve helderheid tussen kamers binnenshuis, maar de meeste hebben een groot bereik, zodat gebruik buitenshuis ook een optie is.

In feite verkopen we een lichtsensor als onderdeel van onze enDAQ sensoren. Het maakt gebruik van een Si1133 fotodiode, en logt verlichtingssterkte gegevens op het apparaat, samen met versnelling, temperatuur, druk gegevens. Omdat verlichtingssterkte de candela als basiseenheid heeft, moeten metingen van licht worden aangepast om rekening te houden met niet-zichtbare elektromagnetische straling. De Si1133 doet dit door het infrarode licht afzonderlijk te meten en dit te gebruiken om de verlichtingssterktegegevens correct aan te passen. De lichtsensor van de enDAQ sensor meet naast het zichtbare licht ook de UV-index.