Senzorii de lumină par destul de simpli. Ei detectează lumina, la fel cum un termometru detectează temperatura, iar un vitezometru detectează viteza. Temperatura și viteza sunt ușor de înțeles, deoarece le simțim într-un mod direct. Dar lumina este foarte complicată. Temperatura și viteza sunt proprietăți intensive, deci nu depind de masa sau dimensiunea unui obiect. Lumina poate fi măsurată ca o proprietate extensivă, ceea ce înseamnă că lumina totală colectată depinde de dimensiunea colectorului (de exemplu, o rețea solară de la un depozit de deșeuri colectează mai multă lumină decât un mic încărcător solar de telefon), sau intensiv prin împărțirea la suprafață.
Dar ce măsoară senzorii de lumină? Fotoni? Energia? Este complicat. Unitățile sunt importante de înțeles înainte de a încerca să înțelegem senzorii de lumină.
Unitățile senzorilor de lumină
Înainte de a înțelege corect senzorii de lumină și modul de aplicare a acestora, trebuie să fim capabili să cuantificăm lumina. Din păcate, măsurarea luminii folosește niște unități ciudate. De exemplu, becurile sunt de obicei evaluate folosind lumeni, dar senzorii de lumină iau de obicei măsurători în lux. În plus, atât lumenii, cât și luxul se bazează pe o unitate de bază arhaică numită candela.
Candela
Această unitate este folosită pentru a descrie intensitatea luminoasă, care reprezintă cât de puternică pare lumina pentru un ochi uman. Ea se bazează pe o formulă oficială SI care ponderează fiecare lungime de undă a luminii dintr-un fascicul în funcție de cât de sensibil este ochiul uman la aceasta. Cu cât intensitatea luminoasă a unui fascicul de lumină este mai mare, cu atât ochiul uman este mai sensibil la el. (Candela era cunoscută anterior sub numele de „lumânări”, iar intensitatea luminoasă a unei lumânări normale este de aproximativ o candelă. Inteligent, nu-i așa?) Motivul pentru care lumânările nu sunt folosite pentru a compara becurile și lanternele este că intensitatea unui fascicul depinde nu doar de puterea becului, ci și de cât de mult din această putere este concentrată într-o anumită direcție. Majoritatea lanternelor folosesc oglinzi în spatele becului pentru a concentra mai multă lumină în direcția de ieșire și, prin urmare, par mai luminoase. Acest lucru înseamnă că becul are o intensitate crescută într-o direcție, în timp ce utilizează aceeași cantitate de energie și emite aceeași cantitate totală de lumină. Pentru a măsura corect puterea unui bec, avem nevoie de o nouă unitate: lumenul.
Lumen
Lumenul este utilizat pentru a măsura fluxul luminos total al unui bec. Acesta este produsul dintre intensitatea luminoasă (în candele) și unghiul solid pe care îl umple fasciculul (în steradiani). Un bec care emite lumină în toate direcțiile ar putea avea o intensitate luminoasă de 10 candele, care, înmulțită cu 4π steradiani, ar avea un flux luminos de 126 lumeni. La fel ca în interiorul unei lanterne, o oglindă pe o parte a becului ar face ca cealaltă parte să pară mai luminoasă datorită reflectării a jumătate din puterea becului. Intensitatea luminii s-ar dubla, ajungând la 20 de candele, dar unghiul solid s-ar înjumătăți la 2π steradiani. Înmulțind intensitatea luminii din partea opusă oglinzii și noul unghi solid s-ar obține încă 126 de lumeni de flux luminos. Indiferent de modul în care lumina este reflectată și concentrată, acest bec va produce întotdeauna 126 de lumeni de flux luminos.
Lux
Dacă becurile sunt evaluate folosind lumeni, de ce trebuie ca senzorii de lumină să folosească o unitate diferită? Acesta este motivul pentru care muzicienii nu sunt orbiți la concerte. O singură lanternă poate părea orbitoare atunci când este îndreptată la un centimetru distanță de ochii lui Drake, dar o mare de lanterne de telefon îndreptate spre scenă nu este deloc luminoasă. Deoarece lumina se împrăștie pe măsură ce părăsește telefonul, doar o cantitate mică de lumină atinge ochii lui pe scenă. Pe măsură ce un obiect se îndepărtează de o sursă de lumină, scade și partea de lumină pe care o primește. Pentru a măsura corect fluxul luminos perceput de o suprafață, numit iluminanță, folosim o unitate numită lux, care este egală cu un lumen pe metru pătrat. La aceeași distanță de o sursă de lumină, o foaie de 1 metru pătrat este supusă aceluiași nivel de iluminare ca o foaie de 10 metri pătrați. Foaia mai mare colectează de zece ori mai multă lumină, dacă se măsoară fluxul luminos în lumeni, dar suprafața sa este la fel de mare, astfel încât iluminanța este aceeași. Dacă foile se deplasează spre sursa de lumină, unghiul solid ocupat de fiecare foaie crește și, prin urmare, crește și iluminarea. Intensitatea luminii este constantă, iar suprafața foilor este constantă, dar unghiul solid ocupat crește, crescând astfel iluminarea pe care o primesc. Senzorii de lumină trebuie să măsoare iluminanța pentru că aceasta reprezintă lumina aruncată pe o unitate de suprafață și pentru că ei nu pot ști ce unghi solid ocupă.
Utilizări pentru senzorii de lumină
Detecția amplasării
Senzorii de lumină măsoară iluminanța, care poate fi folosită pentru a măsura mai mult decât luminozitatea unei surse de lumină. Deoarece iluminanța scade pe măsură ce senzorul se îndepărtează de o lumină constantă, senzorul de lumină poate fi folosit pentru a măsura distanța relativă față de sursă.
Figura 1: Graficul arată iluminanța în funcție de distanță
Senzorii de lumină sunt aproape întotdeauna o suprafață plană, cu o singură față, astfel încât unghiul solid ocupat de senzor, așa cum este văzut de la sursa de lumină, se poate schimba în funcție de orientarea sa. În cazul în care senzorul de lumină este perpendicular pe direcția luminii, acesta ocupă cel mai mare unghi solid posibil. Pe măsură ce senzorul de lumină se rotește în direcția opusă luminii, unghiul său solid scade și, prin urmare, și iluminarea scade, până când, în cele din urmă, senzorul de lumină nu detectează nicio iluminare directă atunci când este paralel cu fasciculele de lumină sau când este orientat în direcția opusă. Acest fapt poate fi folosit pentru a determina unghiul de incidență al unui fascicul de lumină asupra senzorului.
Figura 2: Graficul arată iluminarea în funcție de unghi
Controlul luminozității
Senzorii de lumină au o mulțime de utilizări. Cea mai frecventă utilizare în viața noastră de zi cu zi este în telefoane mobile și tablete. Majoritatea dispozitivelor electronice personale portabile au acum senzori de lumină ambientală utilizați pentru a regla luminozitatea. Dacă dispozitivul poate simți că se află într-un loc întunecat, acesta reduce luminozitatea ecranului pentru a economisi energie și pentru a nu surprinde utilizatorul cu un ecran foarte luminos.
O altă utilizare obișnuită a senzorilor de lumină este controlul luminilor automate din automobile și al felinarelor stradale. Utilizarea unui senzor de lumină pentru a declanșa un bec atunci când afară este întuneric economisește ușoara bătaie de cap de a aprinde luminile și economisește energie în timpul zilei, atunci când soarele este suficient de strălucitor.
Securitate
Există însă mult mai multe utilizări decât confortul consumatorului. Detectarea intruziunii în containere sau încăperi este o aplicație importantă pentru securitate. Atunci când se expediază marfă scumpă, poate fi important să se știe când un container de transport a fost deschis, astfel încât cazurile care implică pierderea produsului să poată fi rezolvate mai ușor. Un fotorezistor ieftin ar putea fi folosit pentru a înregistra fiecare dată când containerul este deschis, astfel încât să se poată determina în ce moment al procesului hoții au dat buzna în container sau dacă expeditorul a fost necinstit și a pretins că containerul trebuie să fi fost jefuit.
În timp ce senzorii de lumină sunt singurele produse care pot oferi date semnificative cu privire la lumină, multe alte bunuri sunt sensibile la lumină. De exemplu, picturile și fotografiile pe hârtie și operele de artă mai vechi pot fi deteriorate din cauza expunerii la lumina soarelui, astfel încât este important să se știe la câtă lumină sunt expuse. Atunci când se expediază o operă de artă, un senzor de lumină ar putea fi folosit pentru a verifica dacă aceasta nu a fost lăsată la soare prea mult timp.
Planificare
Un senzor de lumină ar putea fi folosit, de asemenea, pentru amplasarea operei de artă într-o locație permanentă. Zonele din apropierea intrării sau a ferestrelor unui muzeu ar putea avea o lumină solară prea puternică pentru anumite materiale, astfel încât un senzor de lumină ar putea fi folosit pentru a amplasa arta în mod corespunzător. Acest lucru este similar cu metoda de amplasare a panourilor solare pe case sau pe câmpuri. Nu are sens să construiești și să instalezi un panou solar într-un anumit loc dacă acesta nu va primi prea multă lumină directă a soarelui, așa că un senzor de lumină este folosit pentru a găsi cea mai bună locație cu cea mai puternică lumină directă a soarelui. (După cum am menționat, un panou solar este doar un senzor de lumină foarte mare, dar este mai ușor să folosești un dispozitiv portabil pentru a testa lumina solară decât să folosești panoul în sine.)
Agricultura
Lumina solară are implicații importante asupra agriculturii, în special în vestul american lipsit de apă. Diferite culturi au nevoie de cantități diferite de lumină solară, astfel încât este important să se știe ce parcele de teren primesc cea mai mare expunere. Pe măsură ce aprovizionarea cu apă devine din ce în ce mai tensionată în locuri precum Utah, fermierii au obligația financiară și socială de a limita consumul de apă, menținându-și în același timp culturile hidratate. O tactică adoptată este aceea de a uda culturile după-amiaza sau seara, pentru a evita ca soarele fierbinte să prăjească apa înainte ca solul și plantele să o poată absorbi corespunzător. Un senzor de lumină ar putea fi utilizat pentru a gestiona automat un sistem de aspersoare, udând doar atunci când soarele nu este cel mai puternic. Atunci când este combinat cu alte echipamente de monitorizare a vremii pentru a colecta date privind temperatura, presiunea și umiditatea, un sistem ar putea nu numai să ude atunci când soarele este slab, ci și să detecteze în mod inteligent ploaia sau norii care se apropie pentru a optimiza programul de udare.
Cum funcționează senzorii de lumină
Acum că ați înțeles mizeria de unități care cuantifică lumina, putem începe să înțelegem cum se determină iluminarea cu ajutorul senzorilor de lumină.
Fotodiodă
Senzorii de lumină folosesc uneori o componentă numită fotodiodă pentru a măsura iluminarea. Atunci când fasciculele de lumină lovesc o fotodiodă, acestea au tendința de a desprinde electronii, provocând trecerea unui curent electric. Cu cât lumina este mai strălucitoare, cu atât curentul electric este mai puternic. Curentul poate fi apoi măsurat pentru a returna iluminarea luminii. Dacă curentul electric indus de lumină vă sună familiar, este pentru că acesta este principiul de funcționare al panourilor solare utilizate pentru a alimenta panourile rutiere și casele. Panourile solare sunt, practic, senzori de lumină cu fotodiode foarte mari.
Fotorezistori
Un alt tip de senzor de lumină este fotorezistorul. Un fotorezistor este o rezistență dependentă de lumină, ceea ce înseamnă că, dacă există o schimbare a luminozității luminii care strălucește asupra sa, va exista o schimbare a rezistenței. Fotorezistențele sunt mai ieftine decât fotodiodele, dar sunt mult mai puțin precise, așa că sunt utilizate în principal pentru a compara nivelurile relative de lumină sau pur și simplu pentru a stabili dacă o lumină este aprinsă sau stinsă.
Senzori de lumină disponibili
După cum am menționat mai devreme, senzorii de lumină (fotorezistori și fotodiode) sunt versatili și nu sunt super scumpi, așa că există o mulțime de opțiuni, de la componente de bază până la înregistratoare de date de mare precizie.
O metodă de colectare a datelor de iluminare este utilizarea obișnuitelor platforme de calcul de mici dimensiuni, cum ar fi Arduino sau Raspberry Pi. Folosirea acestor platforme pentru a măsura iluminanța este utilă deoarece programarea și interfațarea cu un calculator este simplă, iar fotorezistențele sunt foarte accesibile. În plus, este posibil să se utilizeze senzorul de lumină în tandem cu alte echipamente de colectare a datelor. Cu toate acestea, un astfel de sistem nu ar fi foarte precis sau ușor de utilizat.
Amazon are o mulțime de luxmetre de consum care sunt utilizate de obicei pentru fotografie. Toate sunt compacte și ușor de utilizat, cu date care apar pe ecran în timp real, și toate au o rată de reîmprospătare rezonabil de bună, de câțiva hertzi. Acestea ar fi probabil cel mai bine utilizate pentru a compara luminozitatea relativă între încăperi în interior, dar majoritatea au o gamă largă, astfel încât utilizarea în aer liber este, de asemenea, o opțiune.
De fapt, noi chiar vindem un senzor de lumină ca parte a senzorilor noștri enDAQ. Acesta folosește o fotodiodă Si1133 și înregistrează datele privind iluminarea pe dispozitiv împreună cu datele de accelerație, temperatură, presiune. Deoarece iluminanța are ca unitate de bază candela, măsurătorile de lumină trebuie ajustate pentru a ține cont de radiațiile electromagnetice invizibile. Si1133 face acest lucru prin măsurarea separată a luminii infraroșii și utilizarea acesteia pentru a ajusta în mod corespunzător datele privind iluminanța. Senzorul de lumină al senzorului enDAQ măsoară, de asemenea, indicele UV în plus față de lumina vizibilă.
.