Czujniki światła wydają się całkiem proste. Wyczuwają światło, tak jak termometr wyczuwa temperaturę, a prędkościomierz prędkość. Temperatura i prędkość są łatwe do zrozumienia, ponieważ wyczuwamy je w prosty sposób. Ale światło jest bardzo skomplikowane. Temperatura i prędkość są właściwościami intensywnymi, więc nie zależą od masy czy rozmiaru obiektu. Światło może być mierzone jako ekstensywna właściwość, co oznacza, że całkowita ilość zebranego światła zależy od wielkości kolektora (np. układ słoneczny na wysypisku śmieci zbiera więcej światła niż malutka słoneczna ładowarka do telefonu), lub intensywnie przez podzielenie przez powierzchnię.
Ale co w ogóle mierzą czujniki światła? Fotony? Energię? To skomplikowane. Jednostki są ważne do zrozumienia przed próbą zrozumienia czujników światła.
Jednostki czujnika światła
Zanim będziemy mogli właściwie zrozumieć czujniki światła i jak je zastosować, musimy być w stanie określić ilościowo światło. Niestety, pomiar światła używa dziwnych jednostek. Na przykład, żarówki są zwykle oceniane przy użyciu lumenów, ale czujniki światła zwykle dokonują pomiarów w luksach. Na dodatek, zarówno lumeny, jak i luksy są oparte na tajemniczej jednostce bazowej zwanej kandelą.
Kandela
Jednostka ta jest używana do opisania natężenia światła, czyli jak silne światło wydaje się ludzkiemu oku. Jest ona oparta na oficjalnym wzorze SI, który waży każdą długość fali światła w wiązce na podstawie tego, jak wrażliwe jest na nią ludzkie oko. Im wyższe natężenie światła w wiązce, tym bardziej wrażliwe jest ludzkie oko. (Kandele były dawniej znane jako „świece”, a intensywność świecenia zwykłej świecy wynosi w przybliżeniu jedną kandelę. Sprytne, prawda?) Powodem, dla którego kandele nie są używane do porównywania żarówek i latarek, jest to, że intensywność wiązki zależy nie tylko od mocy żarówki, ale także od tego, jak wiele z tej mocy jest skoncentrowane w danym kierunku. Większość latarek używa lusterek za żarówką, aby skupić więcej światła w kierunku wyjścia i dlatego wydają się jaśniejsze. Oznacza to, że żarówka ma zwiększoną intensywność w danym kierunku, podczas gdy zużywa taką samą ilość energii i emituje taką samą całkowitą ilość światła. Aby prawidłowo zmierzyć wydajność żarówki, potrzebujemy nowej jednostki: lumen.
Lumen
Lumen jest używany do pomiaru całkowitego strumienia świetlnego żarówki. Jest to iloczyn natężenia światła (w kandelach) i kąta bryłowego, który wypełnia wiązka światła (w steradianach). Żarówka emitująca światło we wszystkich kierunkach może mieć natężenie światła 10 kandeli, co po pomnożeniu przez pełne 4π steradianów daje strumień świetlny 126 lumenów. Podobnie jak w latarce, lustro po jednej stronie żarówki sprawiłoby, że druga strona stałaby się jaśniejsza dzięki odbiciu połowy mocy żarówki. Natężenie światła podwoiłoby się do 20 kandeli, ale kąt bryłowy zmniejszyłby się o połowę do 2π steradianów. Pomnożenie natężenia światła naprzeciwko lustra i nowego kąta bryłowego dałoby nadal 126 lumenów strumienia świetlnego. Bez względu na to jak światło jest odbite i skoncentrowane, ta żarówka zawsze będzie produkować 126 lumenów strumienia świetlnego.
Lux
Jeśli żarówki są oceniane przy użyciu lumenów, dlaczego czujniki światła muszą używać innej jednostki? To jest powód, dla którego muzycy nie są oślepiani na koncertach. Pojedyncza latarka może wydawać się oślepiająca, gdy świeci cal od oczu Drake’a, ale morze latarek w telefonie skierowanych na scenę nie jest wcale jasne. Ponieważ światło rozprasza się po wyjściu z telefonu, tylko niewielka jego ilość trafia w oczy Drake’a na scenie. Gdy obiekt oddala się od źródła światła, zmniejsza się również część światła, które do niego dociera. Aby prawidłowo zmierzyć strumień świetlny postrzegany przez powierzchnię, zwany natężeniem oświetlenia, używamy jednostki zwanej luksem, która jest równa jednemu lumenowi na metr kwadratowy. W tej samej odległości od źródła światła, arkusz o powierzchni 1 metra kwadratowego jest poddany temu samemu natężeniu oświetlenia, co arkusz o powierzchni 10 metrów kwadratowych. Większy arkusz zbiera dziesięć razy więcej światła, jeśli mierzymy strumień świetlny w lumenach, ale jego powierzchnia jest tak samo duża, więc natężenie oświetlenia jest takie samo. Jeśli arkusze przesuwają się w kierunku źródła światła, kąt bryłowy zajmowany przez każdy z nich zwiększa się, a zatem zwiększa się również natężenie oświetlenia. Natężenie światła jest stałe, a powierzchnia arkuszy jest stała, ale zwiększa się kąt bryłowy zajmowany przez arkusze, co zwiększa natężenie oświetlenia, które otrzymują. Czujniki światła muszą mierzyć natężenie oświetlenia, ponieważ reprezentuje ono światło rzucane na jednostkę powierzchni, a także dlatego, że nie mogą wiedzieć, jaki kąt bryłowy zajmują.
Usługi czujników światła
Detekcja położenia
Czujniki światła mierzą natężenie oświetlenia, które można wykorzystać do pomiaru czegoś więcej niż jasność źródła światła. Ponieważ natężenie oświetlenia maleje, gdy czujnik oddala się od stałego światła, czujnik światła może być użyty do pomiaru względnej odległości od źródła.
Rysunek 1: Wykres przedstawia natężenie oświetlenia w funkcji odległości
Czujniki światła są prawie zawsze płaską, jednostronną powierzchnią, więc kąt bryłowy zajmowany przez czujnik widziany od źródła światła może się zmieniać w zależności od jego orientacji. Gdy czujnik światła jest prostopadły do kierunku padania światła, zajmuje największy możliwy kąt bryłowy. W miarę jak czujnik światła obraca się od światła, jego kąt bryłowy maleje, a wraz z nim maleje natężenie oświetlenia, aż w końcu czujnik światła nie wykrywa żadnego bezpośredniego oświetlenia, gdy jest równoległy do wiązki światła lub gdy jest odwrócony. Fakt ten można wykorzystać do określenia kąta padania wiązki światła na czujnik.
Rysunek 2: Wykres przedstawia natężenie oświetlenia w funkcji kąta
Kontrola jasności
Czujniki światła mają wiele zastosowań. Najczęstsze zastosowanie w naszym codziennym życiu to telefony komórkowe i tablety. Większość przenośnej elektroniki osobistej ma teraz czujniki światła otoczenia używane do regulacji jasności. Jeśli urządzenie może wyczuć, że jest w ciemnym miejscu, zmniejsza jasność ekranu, aby zaoszczędzić energię i nie zaskoczyć użytkownika bardzo jasnym ekranem.
Innym powszechnym zastosowaniem czujników światła jest kontrolowanie automatycznych świateł w samochodach i latarniach ulicznych. Użycie czujnika światła do uruchomienia żarówki, gdy na zewnątrz jest ciemno, oszczędza niewielki kłopot związany z włączaniem świateł i oszczędza energię w ciągu dnia, gdy słońce jest wystarczająco jasne.
Bezpieczeństwo
Jest jednak o wiele więcej zastosowań niż wygoda konsumenta. Wykrycie włamania do kontenerów lub pomieszczeń jest ważnym zastosowaniem w dziedzinie bezpieczeństwa. Przy wysyłce drogich ładunków ważne jest, aby wiedzieć, kiedy pojemnik został otwarty, aby łatwiej można było rozwiązać problem utraty towaru. Tani fotorezystor może być użyty do rejestrowania każdego otwarcia kontenera, dzięki czemu można określić, w którym momencie procesu złodzieje najechali na kontener, lub jeśli nadawca był nieuczciwy i twierdził, że kontener musiał zostać okradziony.
Choć czujniki światła są jedynymi produktami, które mogą dostarczyć znaczących danych dotyczących światła, wiele innych towarów jest wrażliwych na światło. Na przykład obrazy i fotografie na papierze oraz starsze dzieła sztuki mogą zostać uszkodzone w wyniku ekspozycji na światło słoneczne, dlatego ważne jest, aby wiedzieć, na ile światła są one narażone. Podczas wysyłki dzieła sztuki można użyć czujnika światła, aby sprawdzić, czy nie zostało ono pozostawione na słońcu przez zbyt długi czas.
Planowanie
Czujnik światła można również wykorzystać do umieszczenia sztuki w stałym miejscu. Obszary w pobliżu wejścia lub okien muzeum mogą mieć światło słoneczne zbyt ostre dla poszczególnych materiałów, więc czujnik światła może być użyty do odpowiedniego umiejscowienia sztuki. Jest to metoda podobna do tej, jaką stosuje się przy rozmieszczaniu baterii słonecznych na domach lub polach. Nie ma sensu budować i instalować panelu słonecznego w określonym miejscu, jeśli nie będzie on otrzymywał zbyt wiele bezpośredniego światła słonecznego, więc czujnik światła jest używany do znalezienia najlepszego miejsca z najsilniejszym bezpośrednim światłem słonecznym. (Jak wspomniałem, panel słoneczny jest po prostu bardzo dużym czujnikiem światła, ale łatwiej jest używać ręcznego urządzenia do testowania światła słonecznego niż używać samego panelu.)
Rolnictwo
Światło słoneczne ma ważne implikacje dla rolnictwa, zwłaszcza na pozbawionym wody amerykańskim Zachodzie. Różne uprawy potrzebują różnej ilości światła słonecznego, więc ważne jest, aby wiedzieć, które działki mają największą ekspozycję. Ponieważ zaopatrzenie w wodę staje się coraz bardziej ograniczone w miejscach takich jak Utah, rolnicy mają finansowy i społeczny obowiązek ograniczenia zużycia wody, przy jednoczesnym utrzymaniu nawodnienia swoich upraw. Jedną z przyjętych taktyk jest podlewanie upraw po południu lub wieczorem, aby uniknąć sytuacji, w której gorące słońce wyparowuje wodę, zanim gleba i rośliny zdążą ją odpowiednio wchłonąć. Czujnik światła może być użyty do automatycznego zarządzania systemem zraszaczy, podlewając tylko wtedy, gdy słońce nie jest najjaśniejsze. W połączeniu z innymi urządzeniami monitorującymi pogodę, zbierającymi dane dotyczące temperatury, ciśnienia i wilgotności, system mógłby nie tylko podlewać, gdy słońce jest słabe, ale także inteligentnie wykrywać nadchodzący deszcz lub chmury, aby zoptymalizować harmonogram podlewania.
Jak działają czujniki światła
Teraz, gdy rozumiemy bałagan jednostek, które określają ilościowo światło, możemy zacząć rozumieć, jak natężenie oświetlenia jest określane za pomocą czujników światła.
Fotodioda
Czujniki światła czasami używają komponentu zwanego fotodiodą do pomiaru natężenia oświetlenia. Kiedy wiązki światła uderzają w fotodiodę, mają tendencję do wybijania elektronów, powodując przepływ prądu elektrycznego. Im jaśniejsze jest światło, tym silniejszy jest prąd elektryczny. Prąd ten może być mierzony w celu określenia natężenia oświetlenia. Jeśli prąd elektryczny wywołany światłem brzmi znajomo, to dlatego, że jest to zasada działania paneli słonecznych używanych do zasilania znaków drogowych i domów. Panele słoneczne są w zasadzie bardzo dużymi fotodiodowymi czujnikami światła.
Fotorezystor
Innym rodzajem czujnika światła jest fotorezystor. Fotorezystor jest rezystorem zależnym od światła, co oznacza, że jeśli nastąpi zmiana jasności światła padającego na niego, nastąpi zmiana rezystancji. Fotorezystory są tańsze niż fotodiody, ale są znacznie mniej dokładne, więc są używane głównie do porównywania względnych poziomów światła lub po prostu tego, czy światło jest włączone czy wyłączone.
Dostępne czujniki światła
Jak wspomniano wcześniej, czujniki światła (fotorezystory i fotodiody) są uniwersalne i nie są super drogie, więc istnieje wiele opcji, od podstawowych komponentów do bardzo dokładnych rejestratorów danych.
Jedną z metod zbierania danych o natężeniu oświetlenia jest użycie typowych małych platform obliczeniowych, takich jak Arduino lub Raspberry Pi. Użycie tych platform do pomiaru natężenia oświetlenia jest przydatne, ponieważ programowanie i współpraca z komputerem jest prosta, a fotorezystory są bardzo tanie. Ponadto, możliwe jest wykorzystanie czujnika światła w połączeniu z innymi urządzeniami do zbierania danych. Jednak system taki jak ten nie byłby bardzo dokładny lub przyjazny dla użytkownika.
Amazon ma wiele konsumenckich światłomierzy, które są zwykle używane do fotografii. Wszystkie są kompaktowe i łatwe w użyciu, z danymi pojawiającymi się na ekranie w czasie rzeczywistym, i wszystkie mają dość dobrą częstotliwość odświeżania kilku herców. Prawdopodobnie byłyby one najlepiej wykorzystywane do porównywania względnej jasności pomiędzy pomieszczeniami wewnątrz, ale większość z nich ma szeroki zakres, więc użycie na zewnątrz jest również opcją.
Jak w rzeczywistości, faktycznie sprzedajemy czujnik światła jako część naszych czujników enDAQ. Wykorzystuje on fotodiodę Si1133 i rejestruje dane dotyczące natężenia oświetlenia w urządzeniu wraz z danymi dotyczącymi przyspieszenia, temperatury i ciśnienia. Ponieważ jednostką bazową natężenia oświetlenia jest kandela, pomiary światła muszą być skorygowane w celu uwzględnienia niewidzialnego promieniowania elektromagnetycznego. Si1133 dokonuje tego poprzez oddzielny pomiar światła podczerwonego i wykorzystanie go do odpowiedniego dostosowania danych iluminancji. Czujnik światła czujnika enDAQ oprócz światła widzialnego mierzy również wskaźnik UV.
.