Los sensores de luz parecen bastante simples. Detectan la luz, al igual que un termómetro detecta la temperatura y un velocímetro la velocidad. La temperatura y la velocidad son fáciles de comprender porque las percibimos de forma directa. Pero la luz es muy complicada. La temperatura y la velocidad son propiedades intensivas, por lo que no dependen de la masa o el tamaño de un objeto. La luz puede medirse como una propiedad extensiva, lo que significa que la luz total recogida depende del tamaño del colector (por ejemplo, un panel solar de un vertedero recoge más luz que un diminuto cargador solar de teléfono), o de forma intensiva dividiendo por la superficie.

¿Pero qué miden los sensores de luz? ¿Fotones? ¿La energía? Es complicado. Es importante entender las unidades antes de intentar comprender los sensores de luz.

Unidades de los sensores de luz

Antes de poder entender correctamente los sensores de luz y cómo aplicarlos, tenemos que ser capaces de cuantificar la luz. Por desgracia, la medición de la luz utiliza algunas unidades extrañas. Por ejemplo, las bombillas se clasifican normalmente en lúmenes, pero los sensores de luz suelen medir en luxes. Además, tanto los lúmenes como los luxes se basan en una arcaica unidad base llamada candela.

La Candela

Esta unidad se utiliza para describir la intensidad luminosa, que es la fuerza con la que la luz aparece ante el ojo humano. Se basa en una fórmula oficial del SI que pondera cada longitud de onda de la luz en un haz en función de la sensibilidad del ojo humano a la misma. Cuanto mayor es la intensidad luminosa de un haz de luz, más sensible es el ojo humano a ella. (Las candelas se conocían antiguamente como «velas», y la intensidad luminosa de una vela normal es aproximadamente una candela. Inteligente, ¿verdad?) La razón por la que las candelas no se utilizan para comparar bombillas y linternas es que la intensidad de un haz no sólo depende de la potencia de la bombilla, sino también de la cantidad de esa potencia que se concentra en una dirección determinada. La mayoría de las linternas utilizan espejos detrás de la bombilla para concentrar más luz en la dirección de salida y, por tanto, parecer más brillantes. Esto significa que la bombilla ha aumentado la intensidad en una dirección, mientras que utiliza la misma cantidad de energía y emite la misma cantidad total de luz. Para medir correctamente la potencia de una bombilla, necesitamos una nueva unidad: el lumen.

Lumen

El lumen se utiliza para medir el flujo luminoso total de una bombilla. Es el producto de la intensidad luminosa (en candelas) y el ángulo sólido que llena el haz (en estereorradianes). Una bombilla que emite luz en todas las direcciones puede tener una intensidad luminosa de 10 candelas, que multiplicada por los 4π estereorradianes completos tendría un flujo luminoso de 126 lúmenes. Como en el interior de una linterna, un espejo en un lado de la bombilla haría que el otro lado pareciera más brillante debido a la reflexión de la mitad de la salida de la bombilla. La intensidad de la luz se duplicaría a 20 candelas, pero el ángulo sólido se reduciría a la mitad a 2π estereorradianes. Multiplicando la intensidad de la luz opuesta al espejo y el nuevo ángulo sólido seguiría dando 126 lúmenes de flujo luminoso. No importa cómo se refleje y concentre la luz, esta bombilla siempre producirá 126 lúmenes de flujo luminoso.

Lux

Si las bombillas se clasifican usando lúmenes, ¿por qué los sensores de luz tienen que usar una unidad diferente? Es la razón por la que los músicos no se quedan ciegos en los conciertos. Una sola linterna puede parecer cegadora cuando brilla a una pulgada de los ojos de Drake, pero un mar de linternas de teléfono apuntando al escenario no es brillante en absoluto. Como la luz se dispersa al salir del teléfono, sólo una pequeña cantidad de luz llega a sus ojos en el escenario. A medida que un objeto se aleja de una fuente de luz, la parte de la luz que recibe también disminuye. Para medir correctamente el flujo luminoso percibido por una superficie, llamado iluminancia, se utiliza una unidad llamada lux, que equivale a un lumen por metro cuadrado. A la misma distancia de una fuente de luz, una hoja de 1 metro cuadrado está sometida a la misma iluminancia que una hoja de 10 metros cuadrados. La hoja más grande recoge diez veces más luz, si se mide el flujo luminoso en lúmenes, pero su superficie es igual de grande, por lo que la iluminancia es la misma. Si las láminas se acercan a la fuente de luz, el ángulo sólido ocupado por cada una de ellas aumenta y, por tanto, también aumenta la iluminancia. La intensidad de la luz es constante, y el área de las láminas es constante, pero el ángulo sólido ocupado aumenta, por lo que aumenta la iluminancia que reciben. Los sensores de luz tienen que medir la iluminancia porque representa la luz proyectada sobre una unidad de superficie, y porque no pueden saber qué ángulo sólido ocupan.

Usos de los sensores de luz

Detección de ubicación

Los sensores de luz miden la iluminancia, que puede utilizarse para medir algo más que el brillo de una fuente de luz. Dado que la iluminancia disminuye a medida que el sensor se aleja de una luz fija, el sensor de luz puede utilizarse para medir la distancia relativa a la fuente.

Figura 1: Gráfico de la iluminancia frente a la distancia

Los sensores de luz son casi siempre una superficie plana y unilateral, por lo que el ángulo sólido que ocupa el sensor visto desde la fuente de luz puede cambiar dependiendo de su orientación. Con el sensor de luz perpendicular a la dirección de la luz, está ocupando el mayor ángulo sólido posible. A medida que el sensor de luz se aleja de la luz, su ángulo sólido disminuye, con lo que la iluminancia también disminuye, hasta que el sensor de luz finalmente no detecta ninguna iluminancia directa cuando está paralelo a los haces de luz o cuando está de espaldas. Este hecho puede utilizarse para determinar el ángulo de incidencia de un haz de luz en el sensor.

Figura 2: El gráfico muestra la iluminancia frente al ángulo

Control de luminosidad

Los sensores de luz tienen muchos usos. El uso más común en nuestra vida diaria es en teléfonos móviles y tabletas. La mayoría de los aparatos electrónicos personales portátiles tienen ahora sensores de luz ambiental que se utilizan para ajustar el brillo. Si el dispositivo detecta que está en un lugar oscuro, reduce el brillo de la pantalla para ahorrar energía y no sorprender al usuario con una pantalla muy brillante.

Otro uso habitual de los sensores de luz es el control de las luces automáticas de los automóviles y las farolas. El uso de un sensor de luz para activar una bombilla cuando está oscuro en el exterior ahorra la ligera molestia de encender las luces y ahorra energía en el día cuando el sol es lo suficientemente brillante.

Seguridad

Sin embargo, hay muchos más usos que la comodidad del consumidor. Detectar la intrusión en contenedores o habitaciones es una importante aplicación de seguridad. Cuando se envía una carga costosa, puede ser importante saber cuándo se ha abierto un contenedor de transporte, para poder resolver más fácilmente los casos de pérdida de producto. Se podría utilizar una fotorresistencia barata para registrar cada vez que se abre el contenedor, de modo que se pueda determinar en qué momento del proceso los ladrones asaltaron el contenedor, o si el remitente estaba siendo deshonesto y afirmaba que el contenedor debía haber sido robado.

Aunque los sensores de luz son los únicos productos que pueden dar datos significativos con respecto a la luz, muchos otros bienes son sensibles a la luz. Por ejemplo, las pinturas y fotografías en papel y las obras de arte más antiguas pueden dañarse debido a la exposición a la luz solar, por lo que es importante saber a cuánta luz están expuestas. Al enviar una obra de arte, se podría utilizar un sensor de luz para verificar que no se ha dejado al sol durante demasiado tiempo.

Planificación

Un sensor de luz también podría utilizarse para ubicar el arte en un lugar permanente. Las zonas cercanas a la entrada o a las ventanas de un museo podrían tener una luz solar demasiado intensa para determinados materiales, por lo que se podría utilizar un sensor de luz para ubicar el arte de forma adecuada. Es un método similar al que se utiliza para ubicar los paneles solares en las casas o en los campos. No tiene sentido construir e instalar un panel solar en un lugar determinado si no va a recibir mucha luz solar directa, así que se utiliza un sensor de luz para encontrar la mejor ubicación con la luz solar directa más intensa. (Como ya he mencionado, un panel solar no es más que un sensor de luz muy grande, pero es más fácil utilizar un dispositivo manual para comprobar la luz solar que utilizar el propio panel.)

Agricultura

La luz solar tiene importantes implicaciones en la agricultura, especialmente en el oeste americano, que carece de agua. Los distintos cultivos necesitan diferentes cantidades de luz solar, por lo que es importante saber qué parcelas reciben la mayor exposición. A medida que el suministro de agua se hace más escaso en lugares como Utah, los agricultores tienen la obligación financiera y social de limitar el consumo de agua, al tiempo que mantienen sus cultivos hidratados. Una táctica que se está adoptando es regar los cultivos por la tarde o por la noche, para evitar que el sol caliente cocine el agua antes de que el suelo y las plantas puedan absorberla adecuadamente. Un sensor de luz podría utilizarse para gestionar automáticamente un sistema de riego, regando sólo cuando el sol no esté en su punto más alto. Si se combina con otros equipos de vigilancia meteorológica para recopilar datos sobre la temperatura, la presión y la humedad, un sistema podría no sólo regar cuando el sol es tenue, sino también detectar de forma inteligente la lluvia o las nubes que se aproximan para optimizar su programa de riego.

Cómo funcionan los sensores de luz

Ahora que entiende el lío de las unidades que cuantifican la luz, podemos empezar a entender cómo se determina la iluminancia utilizando sensores de luz.

Fotodiodo

Los sensores de luz utilizan a veces un componente llamado fotodiodo para medir la iluminancia. Cuando los rayos de luz inciden en un fotodiodo, tienden a desprender electrones, provocando el flujo de una corriente eléctrica. Cuanto más brillante sea la luz, más fuerte será la corriente eléctrica. La corriente puede medirse para obtener la iluminancia de la luz. Si la corriente eléctrica inducida por la luz le resulta familiar, es porque éste es el principio de funcionamiento de los paneles solares que se utilizan para alimentar las señales de tráfico y los hogares. Los paneles solares son básicamente sensores de luz fotodiodos muy grandes.

Fotorresistencia

Otro tipo de sensor de luz es la fotorresistencia. Una fotorresistencia es una resistencia dependiente de la luz, lo que significa que si hay un cambio en el brillo de la luz que incide sobre ella, habrá un cambio en la resistencia. Las fotorresistencias son más baratas que los fotodiodos, pero son mucho menos precisas, por lo que se utilizan sobre todo para comparar niveles de luz relativos o simplemente para saber si una luz está encendida o apagada.

Sensores de luz disponibles

Como se ha mencionado anteriormente, los sensores de luz (fotorresistencias y fotodiodos) son versátiles y no son súper caros, por lo que hay un montón de opciones por ahí, desde componentes básicos hasta registradores de datos de alta precisión.

Un método para recoger datos de iluminancia es el uso de las pequeñas plataformas informáticas habituales como Arduino o Raspberry Pi. El uso de estas plataformas para medir la iluminancia es útil porque la programación y la interconexión con un ordenador son sencillas y las fotorresistencias son muy asequibles. Además, es posible utilizar el sensor de luz junto con otro hardware de recogida de datos. Sin embargo, un sistema como éste no sería muy preciso ni fácil de usar.

Amazon tiene un montón de medidores de luz de consumo que se utilizan normalmente para la fotografía. Son todos compactos y fáciles de usar, con los datos que aparecen en la pantalla en tiempo real, y todos tienen una frecuencia de actualización razonablemente buena de unos pocos hertzios. Estos probablemente sería mejor utilizar para comparar el brillo relativo entre las habitaciones en el interior, pero la mayoría tienen una amplia gama, por lo que el uso al aire libre es también una opción.

De hecho, en realidad vendemos un sensor de luz como parte de nuestros sensores enDAQ. Utiliza un fotodiodo Si1133, y registra los datos de iluminancia en el dispositivo junto con los datos de aceleración, temperatura y presión. Dado que la iluminancia tiene la candela como unidad base, las mediciones de la luz deben ajustarse para tener en cuenta la radiación electromagnética no visible. El Si1133 hace esto midiendo la luz infrarroja por separado y usándola para ajustar adecuadamente los datos de iluminancia. El sensor de luz del sensor enDAQ también mide el índice UV además de la luz visible.