Sensores de luz parecem bastante simples. Eles sentem a luz, assim como um termômetro sente a temperatura, e um velocímetro sente a velocidade. A temperatura e a velocidade são fáceis de compreender porque os detectamos de uma forma directa. Mas a luz é muito complicada. A temperatura e a velocidade são propriedades intensivas, por isso não dependem da massa ou do tamanho de um objecto. A luz pode ser medida como uma propriedade extensa, o que significa que a luz total coletada depende do tamanho do coletor (por exemplo, uma matriz solar do aterro coleta mais luz do que um minúsculo carregador de telefone solar), ou intensamente dividindo pela área.

Mas o que são sensores de luz mesmo medindo? Fótons? Energia? É complicado. As unidades são importantes para entender antes de tentar entender os sensores de luz.

Unidades de sensores de luz

Antes de podermos entender corretamente os sensores de luz e como aplicá-los, precisamos ser capazes de quantificar a luz. Infelizmente, a medição da luz utiliza algumas unidades estranhas. Por exemplo, as lâmpadas são normalmente classificadas usando lúmens, mas os sensores de luz normalmente fazem medições em lux. Além disso, tanto os lúmens quanto o lux são baseados em uma unidade de base arcana chamada candela.

A candela

Esta unidade é usada para descrever a intensidade luminosa, que é o quão forte a luz aparece ao olho humano. Baseia-se numa fórmula oficial SI que pondera cada comprimento de onda de luz num feixe, com base na sensibilidade do olho humano a este. Quanto maior for a intensidade luminosa de um feixe de luz, mais sensível é o olho humano a ele. (As candelas eram anteriormente conhecidas como “velas”, e a intensidade luminosa de uma vela normal é aproximadamente uma candela. Inteligente, certo?) A razão pela qual as candelas não são usadas para comparar lâmpadas e lanternas é que a intensidade de um feixe depende não só da potência da lâmpada, mas também de quanto dessa potência está concentrada numa determinada direcção. A maioria das lanternas usa espelhos atrás da lâmpada para concentrar mais luz na direção de saída e, portanto, parecem mais brilhantes. Isto significa que a lâmpada aumentou a intensidade numa direcção, utilizando a mesma quantidade de energia e emitindo a mesma quantidade total de luz. Para medir corretamente a saída de uma lâmpada, precisamos de uma nova unidade: o lúmen.

Lúmen

O lúmen é usado para medir o fluxo luminoso total de uma lâmpada. Este é o produto da intensidade luminosa (em candelas) e do ângulo sólido que o feixe preenche (em esterradianos). Uma lâmpada que emite luz em todas as direções pode ter uma intensidade luminosa de 10 candelas, que quando multiplicada pelo 4π steradians cheio teria um fluxo luminoso de 126 lúmens. Como dentro de uma lanterna, um espelho de um lado da lâmpada faria com que o outro lado parecesse mais brilhante devido ao reflexo de metade da saída da lâmpada. A intensidade da luz duplicaria para 20 candelas, mas o ângulo sólido seria reduzido pela metade para 2π steradians. Multiplicando a intensidade da luz em frente ao espelho e o novo ângulo sólido ainda daria 126 lúmens de fluxo luminoso. Não importa como a luz é refletida e concentrada, esta lâmpada sempre produzirá 126 lúmens de fluxo luminoso.

Lux

Se as lâmpadas são classificadas usando lúmens, por que os sensores de luz têm que usar uma unidade diferente? É a razão pela qual os músicos não são cegos nos concertos. Uma única lanterna pode parecer cega quando brilhou a uma polegada dos olhos de Drake, mas um mar de lanternas de telefone apontadas para o palco não é nada brilhante. Como a luz se espalha ao sair do telefone, apenas uma pequena quantidade de luz atinge os olhos dele no palco. À medida que um objeto se afasta de uma fonte de luz, a parte da luz que recebe também diminui. Para medir corretamente o fluxo luminoso percebido por uma superfície, chamada iluminação, usamos uma unidade chamada lux, que é igual a um lúmen por metro quadrado. À mesma distância de uma fonte de luz, uma folha de 1 metro quadrado é submetida à mesma iluminação que uma folha de 10 metros quadrados. A folha maior recolhe dez vezes mais luz, se medirmos o fluxo luminoso em lúmens, mas a sua área é tão grande que a iluminação é a mesma. Se as folhas se movem em direção à fonte de luz, o ângulo sólido ocupado por cada folha aumenta e, portanto, a iluminação também aumenta. A intensidade da luz é constante, e a área das chapas é constante, mas o ângulo sólido ocupado aumenta, aumentando, portanto, a iluminação que recebem. Os sensores de luz têm que medir a iluminação porque ela representa a luz fundida em uma área unitária, e porque eles não podem saber qual ângulo sólido eles ocupam.

Uses for Light Sensors

Detecção da iluminação

Os sensores de luz medem a iluminação, que pode ser usada para medir mais do que a luminosidade de uma fonte de luz. Como a iluminação diminui à medida que o sensor se afasta de uma luz constante, o sensor de luz pode ser usado para medir a distância relativa da fonte.

Figure 1: O gráfico mostra Iluminação vs Distância

Os sensores de luz são quase sempre uma superfície plana e unilateral, de modo que o ângulo sólido ocupado pelo sensor como visto a partir da fonte de luz pode mudar dependendo da sua orientação. Com o sensor de luz perpendicular à direção da luz, ele está ocupando o maior ângulo sólido possível. Como o sensor de luz gira para longe da luz, seu ângulo sólido diminui, com a iluminação, portanto, também diminui, até que o sensor de luz, em última análise, não detecta nenhuma iluminação direta quando paralelo aos feixes de luz ou quando voltado para longe. Este fato pode ser utilizado para determinar o ângulo de incidência de um feixe de luz no sensor.

Figure 2: O gráfico mostra Iluminação vs Ângulo

Controle de luminosidade

Os sensores de luz têm muitas utilizações. O uso mais comum na nossa vida diária é em telemóveis e comprimidos. A maioria da electrónica pessoal portátil tem agora sensores de luz ambiente usados para ajustar a luminosidade. Se o dispositivo pode sentir que está num lugar escuro, desliga o brilho do ecrã para poupar energia e não surpreende o utilizador com um ecrã muito brilhante.

Um outro uso comum dos sensores de luz é o controlo de luzes automáticas em automóveis e postes de iluminação pública. Utilizar um sensor de luz para accionar uma lâmpada quando está escuro no exterior poupa o ligeiro incómodo de ligar as luzes e poupa energia no dia em que o sol está suficientemente brilhante.

Segurança

No entanto, há muito mais utilizações do que a comodidade do consumidor. A detecção de intrusão em recipientes ou salas é uma importante aplicação de segurança. Ao enviar carga cara, pode ser importante saber quando um contêiner de embarque foi aberto, para que os casos envolvendo perda de produto possam ser resolvidos mais facilmente. Uma foto-resistência barata pode ser usada para registrar cada vez que o contêiner é aberto, para que se possa determinar em que ponto do processo os ladrões invadiram o contêiner, ou se o remetente estava sendo desonesto e alegou que o contêiner deve ter sido roubado.

Embora os sensores de luz sejam os únicos produtos que podem dar dados significativos em relação à luz, muitos outros produtos são sensíveis à luz. Por exemplo, pinturas e fotografias em papel e obras de arte mais antigas podem ser danificadas devido à exposição à luz solar, por isso é importante saber a quanta luz estão expostas. Ao enviar uma obra de arte, um sensor de luz poderia ser usado para verificar que não foi deixado ao sol por muito tempo.

Planeamento

Um sensor de luz também poderia ser usado para sentar a arte em um local permanente. Áreas próximas à entrada ou janelas de um museu poderiam ter luz solar demasiado intensa para materiais específicos, pelo que um sensor de luz poderia ser usado para localizar a arte de forma apropriada. Isto é semelhante ao método para sentar arrays solares em casas ou em campos. Não faz sentido construir e instalar um painel solar num determinado local se este não receber muita luz solar directa, por isso um sensor de luz é usado para encontrar a melhor colocação com a luz solar directa mais forte. (Como mencionei, um painel solar é apenas um sensor de luz muito grande, mas é mais fácil usar um dispositivo portátil para testar a luz solar do que usar o próprio painel.)

Agricultura

A luz solar tem implicações importantes na agricultura, especialmente no Oeste Americano com escassez de água. Diferentes culturas precisam de diferentes quantidades de luz solar, por isso é importante saber quais as parcelas de terra que obtêm maior exposição. À medida que o abastecimento de água se torna mais tenso em lugares como Utah, os agricultores têm uma obrigação financeira e social de limitar o consumo de água, ao mesmo tempo em que mantêm as suas culturas hidratadas. Uma tática adotada é regar as culturas à tarde ou à noite, para evitar que o sol quente cozinhe fora da água antes que o solo e as plantas possam absorvê-la adequadamente. Um sensor de luz poderia ser utilizado para gerir automaticamente um sistema de aspersão, regando apenas quando o sol não está mais brilhante. Quando acoplado a outros equipamentos de monitorização meteorológica para recolher dados relativos à temperatura, pressão e humidade, um sistema poderia não só regar quando o sol está fraco, mas também detectar inteligentemente a chuva ou nuvens que se aproximam para optimizar o seu horário de rega.

Como os sensores de luz funcionam

Agora que você entenda a confusão de unidades que quantificam a luz, podemos começar a entender como a iluminação é determinada usando sensores de luz.

Fotodiodo

Os sensores de luz às vezes usam um componente chamado fotodiodo para medir a iluminação. Quando feixes de luz atingem um fotodíodo, eles têm a tendência de soltar elétrons, causando o fluxo de uma corrente elétrica. Quanto mais brilhante for a luz, mais forte será a corrente elétrica. A corrente pode então ser medida para retornar a iluminação da luz. Se a corrente eléctrica induzida pela luz soa familiar, é porque este é o princípio de funcionamento dos painéis solares utilizados para alimentar a sinalização rodoviária e residencial. Os painéis solares são basicamente sensores de luz fotodíodos muito grandes.

Foto-resistor

Um outro tipo de sensor de luz é o foto-resistor. Um foto-resistor é uma resistência dependente da luz, o que significa que se houver uma mudança na luminosidade da luz brilhando sobre ele, haverá uma mudança na resistência. As foto-resistências são mais baratas do que os foto-diodos, mas são muito menos precisas, por isso são usadas principalmente para comparar níveis relativos de luz ou simplesmente se uma luz está ligada ou desligada.

Sensores de luz disponíveis

Como mencionado anteriormente, os sensores de luz (foto-resistores e foto-diodos) são versáteis e não super caros, por isso há muitas opções lá fora, desde componentes básicos até registradores de dados altamente precisos.

Um método para coletar dados de iluminação é usar as pequenas plataformas de computação usuais como Arduino ou Raspberry Pi. A utilização destas plataformas para medir a iluminação é útil porque a programação e interface com um computador é simples e as foto-resistências são muito acessíveis. Além disso, é possível utilizar o sensor de luz em conjunto com outro hardware de recolha de dados. No entanto, um sistema como este não seria muito preciso ou de fácil utilização.

Amazon tem muitos fotómetros de consumo que são tipicamente utilizados para fotografia. Eles são todos compactos e fáceis de usar, com dados aparecendo na tela em tempo real, e todos têm uma taxa de atualização razoavelmente boa de alguns hertz. Estes provavelmente seriam melhor usados para comparar o brilho relativo entre salas dentro de casa, mas a maioria tem uma grande variedade, então o uso ao ar livre também é uma opção.

Na verdade, nós vendemos um sensor de luz como parte de nossos sensores enDAQ. Ele usa um fotodiodo Si1133, e registra dados de iluminação no dispositivo juntamente com dados de aceleração, temperatura, pressão. Como a iluminação tem a candela como unidade base, as medições de luz precisam ser ajustadas para levar em conta a radiação eletromagnética não visível. A Si1133 faz isso medindo a luz infravermelha separadamente e usando-a para ajustar corretamente os dados de iluminação. O sensor de luz do sensor enDAQ também mede o índice UV além da luz visível.