Ljussensorer verkar ganska enkla. De känner av ljuset, precis som en termometer känner av temperaturen och en hastighetsmätare känner av hastigheten. Temperatur och hastighet är lätta att förstå eftersom vi känner av dem på ett okomplicerat sätt. Men ljus är mycket komplicerat. Temperatur och hastighet är intensiva egenskaper, så de beror inte på ett föremåls massa eller storlek. Ljus kan mätas som en extensiv egenskap, vilket innebär att det totala insamlade ljuset beror på kollektorns storlek (t.ex. samlar en solcellsanläggning på en soptipp mer ljus än en liten solcellsladdare för telefoner), eller intensivt genom att dividera med arean.

Men vad mäter ens ljussensorer? Fotoner? Energi? Det är komplicerat. Enheterna är viktiga att förstå innan man försöker förstå ljussensorer.

Ljussensorenheter

För att vi ska kunna förstå ljussensorer ordentligt och hur de ska användas måste vi kunna kvantifiera ljus. Tyvärr används vid mätning av ljus några märkliga enheter. Till exempel brukar glödlampor värderas med hjälp av lumen, men ljussensorer mäter vanligtvis i lux. Dessutom är både lumen och lux baserade på en mystisk basenhet som kallas candela.

Candela

Denna enhet används för att beskriva ljusstyrka, vilket är hur starkt ljus som upplevs av ett mänskligt öga. Den baseras på en SI-officiell formel som viktar varje våglängd av ljuset i en stråle baserat på hur känsligt det mänskliga ögat är för den. Ju högre ljusstyrka en ljusstråle har, desto känsligare är det mänskliga ögat för den. (Candela kallades tidigare för ”ljus”, och ljusstyrkan hos ett normalt ljus är ungefär en candela. Smart, eller hur?) Anledningen till att candela inte används för att jämföra glödlampor och ficklampor är att intensiteten hos en ljusstråle inte bara beror på glödlampans effekt, utan också på hur mycket av denna effekt som är koncentrerad i en viss riktning. De flesta ficklampor använder speglar bakom glödlampan för att koncentrera mer ljus i utgångsriktningen och därför verka ljusare. Detta innebär att glödlampan har ökad intensitet i en riktning, samtidigt som den använder samma mängd ström och avger samma totala mängd ljus. För att korrekt mäta en glödlampas effekt behöver vi en ny enhet: lumen.

Lumen

Lumen används för att mäta en glödlampas totala ljusflöde. Detta är produkten av ljusstyrkan (i candela) och den fasta vinkel som strålen fyller (i steradianer). En glödlampa som sänder ut ljus i alla riktningar kan ha en ljusstyrka på 10 candelas, vilket när det multipliceras med hela 4π steradianer skulle ge ett ljusflöde på 126 lumen. Precis som i en ficklampa skulle en spegel på ena sidan av glödlampan få den andra sidan att verka ljusare på grund av att hälften av glödlampans ljusflöde reflekteras. Ljusstyrkan skulle fördubblas till 20 candela, men den fasta vinkeln skulle halveras till 2π steradianer. Genom att multiplicera ljusstyrkan hos ljuset mittemot spegeln och den nya fasta vinkeln skulle man fortfarande få 126 lumen ljusflöde. Oavsett hur ljuset reflekteras och koncentreras kommer denna glödlampa alltid att producera 126 lumen ljusflöde.

Lux

Om glödlampor värderas med hjälp av lumen, varför måste då ljussensorer använda en annan enhet? Det är anledningen till att musiker inte bländas på konserter. En enda ficklampa kan verka bländande när den lyser en tum från Drakes ögon, men ett hav av ficklampor från telefoner som riktas mot scenen är inte alls ljus. Eftersom ljuset sprids när det lämnar telefonen är det bara en liten mängd ljus som träffar hans ögon på scenen. När ett föremål rör sig bort från en ljuskälla minskar också den andel av ljuset som det tar emot. För att korrekt mäta det ljusflöde som uppfattas av en yta, kallad belysningsstyrka, använder vi en enhet som kallas lux, som är lika med en lumen per kvadratmeter. På samma avstånd från en ljuskälla utsätts en yta på 1 kvadratmeter för samma belysningsstyrka som en yta på 10 kvadratmeter. Det större arket samlar in tio gånger så mycket ljus, om man mäter ljusflödet i lumen, men dess yta är lika stor, så belysningsstyrkan är densamma. Om arken rör sig mot ljuskällan ökar den fasta vinkeln som varje ark upptar, och därför ökar också belysningsstyrkan. Ljusets intensitet är konstant och arkens yta är konstant, men den fasta vinkeln ökar, vilket gör att belysningsstyrkan ökar. Ljussensorer måste mäta belysningsstyrkan eftersom den representerar det ljus som kastas på en enhetsyta, och eftersom de inte kan veta vilken fast vinkel de upptar.

Användningsområden för ljussensorer

Platsdetektering

Ljussensorer mäter belysningsstyrkan, som kan användas för att mäta mer än ljusstyrkan hos en ljuskälla. Eftersom belysningsstyrkan minskar när sensorn rör sig bort från ett stadigt ljus kan ljussensorn användas för att mäta det relativa avståndet från källan.

Figur 1: Grafen visar belysningsstyrkan i förhållande till avståndet

Ljussensorer är nästan alltid en platt, ensidig yta, så den fasta vinkeln som sensorn upptar sett från ljuskällan kan ändras beroende på dess orientering. När ljussensorn är vinkelrät mot ljusets riktning upptar den den största möjliga fasta vinkeln. När ljussensorn roterar bort från ljuset minskar den fasta vinkeln, vilket innebär att belysningsstyrkan också minskar, tills ljussensorn slutligen inte registrerar någon direkt belysningsstyrka när den är parallell med ljusstrålarna eller när den vänder sig bort från ljuset. Detta faktum kan användas för att bestämma vinkeln för en ljusstråles infallsvinkel på sensorn.

Figur 2: Grafen visar belysningsstyrkan i förhållande till vinkeln

Brightness Control

Ljussensorer har många användningsområden. Den vanligaste användningen i vårt dagliga liv är i mobiltelefoner och surfplattor. De flesta bärbara personliga elektronikprodukter har nu sensorer för omgivande ljus som används för att justera ljusstyrkan. Om enheten kan känna av att den befinner sig på en mörk plats sänker den skärmens ljusstyrka för att spara energi och inte överraska användaren med en mycket ljus skärm.

En annan vanlig användning av ljussensorer är att styra automatiska lampor i bilar och gatlyktor. Genom att använda en ljussensor för att utlösa en glödlampa när det är mörkt ute slipper man det lilla besväret att tända lamporna och sparar ström på dagen när solen är tillräckligt ljus.

Säkerhet

Det finns dock många fler användningsområden än konsumenternas bekvämlighet. Att upptäcka intrång i containrar eller rum är en viktig säkerhetstillämpning. Vid transport av dyrbar last kan det vara viktigt att veta när en transportcontainer har öppnats, så att fall med förlust av produkten kan lösas lättare. En billig fotoresistor skulle kunna användas för att logga varje gång containern öppnas, så att det kan fastställas vid vilken tidpunkt i processen tjuvar plundrade containern, eller om avsändaren var oärlig och hävdade att containern måste ha rånats.

Men även om ljussensorer är de enda produkter som kan ge meningsfulla uppgifter om ljus, är många andra varor känsliga för ljus. Till exempel kan målningar och fotografier på papper och äldre konstverk skadas på grund av exponering för solljus, så det är viktigt att veta hur mycket ljus de utsätts för. Vid transport av ett konstverk skulle en ljussensor kunna användas för att kontrollera att det inte lämnats i solen för länge.

Planering

En ljussensor skulle också kunna användas för att placera konsten på en permanent plats. Områden nära ingången eller fönstren i ett museum kan ha för hårt solljus för vissa material, så en ljussensor kan användas för att placera konsten på lämpligt sätt. Detta liknar den metod som används för att placera solfångare på hus eller på fält. Det är meningslöst att bygga och installera en solcellspanel på en viss plats om den inte får mycket direkt solljus, så en ljussensor används för att hitta den bästa placeringen med det starkaste direkta solljuset. (Som jag nämnde är en solpanel bara en mycket stor ljussensor, men det är lättare att använda en handhållen apparat för att testa solljuset än att använda själva panelen.)

Lantbruk

Solljuset har viktiga konsekvenser för jordbruket, särskilt i den vattenfattiga amerikanska västern. Olika grödor behöver olika mycket solljus, så det är viktigt att veta vilka jordlotter som får mest exponering. I takt med att vattentillgången blir alltmer ansträngd på platser som Utah har jordbrukarna en ekonomisk och social skyldighet att begränsa vattenförbrukningen och samtidigt hålla sina grödor hydrerade. En taktik som används är att vattna grödorna på eftermiddagen eller kvällen för att undvika att den varma solen kokar bort vattnet innan jorden och växterna kan absorbera det ordentligt. En ljussensor kan användas för att automatiskt styra ett sprinklersystem så att det bara vattnas när solen inte är som starkast. I kombination med annan väderövervakningsutrustning för att samla in data om temperatur, tryck och luftfuktighet kan ett system inte bara vattna när solen är svag, utan också på ett intelligent sätt upptäcka kommande regn eller moln för att optimera bevattningsschemat.

Hur ljussensorer fungerar

När du nu förstår röran av enheter som kvantifierar ljus kan vi börja förstå hur belysningsstyrkan bestäms med hjälp av ljussensorer.

Fotodiod

Ljussensorer använder ibland en komponent som kallas fotodiod för att mäta belysningsstyrkan. När ljusstrålar träffar en fotodiod har de en tendens att slå loss elektroner, vilket gör att en elektrisk ström flyter. Ju ljusare ljuset är, desto starkare är den elektriska strömmen. Strömmen kan sedan mätas för att återge ljusets belysningsstyrka. Om ljusinducerad elektrisk ström låter bekant beror det på att detta är funktionsprincipen för de solpaneler som används för att driva vägskyltar och hem. Solpaneler är i princip mycket stora fotodiod-ljussensorer.

Fotoresistor

En annan typ av ljussensor är fotoresistorn. En fotoresistor är ett ljusberoende motstånd, vilket innebär att om ljusstyrkan hos det ljus som lyser på den förändras kommer motståndet att förändras. Fotoresistorer är billigare än fotodioder, men är mycket mindre exakta, så de används mest för att jämföra relativa ljusnivåer eller helt enkelt för att avgöra om en lampa är tänd eller släckt.

Tillgängliga ljussensorer

Som tidigare nämnts är ljussensorer (fotoresistorer och fotodioder) mångsidiga och inte superdyra, så det finns många alternativ, från enkla komponenter till mycket exakta dataloggare.

En metod för att samla in uppgifter om belysningsstyrka är att använda de vanliga små dataplattformarna som Arduino eller Raspberry Pi. Att använda dessa plattformar för att mäta belysningsstyrka är användbart eftersom programmering och gränssnitt mot en dator är enkelt och fotoresistorerna är mycket prisvärda. Dessutom är det möjligt att använda ljussensorn tillsammans med annan hårdvara för datainsamling. Ett sådant system skulle dock inte vara särskilt exakt eller användarvänligt.

Amazon har många konsumentljusmätare som vanligtvis används för fotografering. De är alla kompakta och lätta att använda, med data som visas på skärmen i realtid, och alla har en ganska bra uppdateringsfrekvens på några hertz. Dessa skulle sannolikt bäst användas för att jämföra relativ ljusstyrka mellan rum inomhus, men de flesta har ett brett intervall, så utomhusanvändning är också ett alternativ.

Faktiskt sett säljer vi faktiskt en ljussensor som en del av våra enDAQ-sensorer. Den använder en Si1133-fotodiod och loggar belysningsdata på enheten tillsammans med accelerations-, temperatur- och tryckdata. Eftersom belysningsstyrkan har candela som basenhet måste mätningar av ljus justeras för att ta hänsyn till icke synlig elektromagnetisk strålning. Si1133 gör detta genom att mäta det infraröda ljuset separat och använda det för att korrekt justera belysningsdata. EnDAQ-sensorns ljussensor mäter även UV-indexet utöver det synliga ljuset.