Измерение и расчет значений Lux
Поверните сигнал фотодатчика в измерение освещенности.
Вспомогательная информация
-
Понимание освещенности: что в Люкс "// www.allaboutcircuits.com/technical-articles/understanding-illuminance-whats-in-a-lux/" target = "_ blank"> предыдущая статья, мы определили освещенность как воспринимаемый уровень яркости окружающей среды, с учетом объективной интенсивности света и спектрального отклика человеческого глаза. Освещенность является стандартной метрикой для прогнозирования того, насколько хорошо человек может видеть и выполнять необходимые действия в условиях освещения. Таким образом, если электронному устройству необходимо подражать человеческому отклику на внешнее освещение, например, автоматически затемнять дисплей, чтобы компенсировать более низкие уровни освещенности или регулировать внутреннее освещение в ответ на естественное освещение из окон - устройство должно знать, как определить освещенность.
Проблема в том, что светочувствительные компоненты имеют тенденцию генерировать выходные сигналы в виде тока или напряжения, а не люкс. Кроме того, люкс по своей природе специфичен для человеческого зрения: определяющая характеристика освещенности заключается в том, что измерения регулируются в соответствии с чувствительностью к длине волны человеческого глаза. Если характеристики чувствительности вашего фотодатчика не соответствуют характеристикам чувствительности человеческого глаза, вы не измеряете освещенность.
Начать с чувствительности
Irradiance измеряет объективную интенсивность электромагнитного излучения на единицу площади. Единица СИ представляет собой ватт на квадратный метр. Ватты определяются как джоули в секунду, а джоуль - это единица энергии, то излучение пропорционально скорости передачи электромагнитной энергии на единицу площади. Эта передача энергии - это то, что вызывает субатомный отклик от фоточувствительных электронных компонентов, поэтому вычисление величины люкс начинается с установления взаимосвязи между освещенностью и выходом датчика.
Давайте посмотрим на некоторые характеристики чувствительности для нескольких разных фотодатчиков.
OSRAM PIN-фотодиод, p / n SFH 2701:
Image Фототранзистор Fairchild, p / n KDT00030TR:
Image Rohm красный-зеленый-синий прозрачный датчик внешней освещенности IC, p / n BH1745NUC:
Image Первое, что вы, возможно, заметили, это то, что люди в Fairchild избавили нас от некоторых проблем - чувствительность фототранзистора обеспечивается как график выходного тока по сравнению с освещенностью. Вы можете использовать этот график для оценки значения lux от выходного тока, создаваемого датчиком; однако это не так прямолинейно, как кажется, как мы поговорим позже в этой статье.
Остальные две части предоставляют данные чувствительности, которые некоторые могут считать более интеллектуально удовлетворительными, поскольку они менее абстрагированы от физических явлений, которые определяют взаимосвязь между интенсивностью света и выходной реакцией. Фотодиод генерирует 1, 2 мкА для 0, 5 мВт / см 2 облучения на 650 нм. Небольшое преобразование единицы показывает, что чувствительность
{ frac {1.2 \ \ mu A} {5 \ \ frac {W} {m ^ 2}} = \ frac {0.24 \ \ mu A} { frac {W} {m ^ 2}} )
Другими словами, если фотодиод генерирует 0, 24 мкА выходного тока, облучение составляет 1 Вт / м 2 (конечно, это верно только в том случае, если длина волны света составляет 650 нм). В отличие от простого фотодиода, часть Rohm представляет собой высокоинтегрированный датчик внешней освещенности, который обеспечивает отдельные цифровые выходные значения для интенсивности света красного, зеленого, синего и полного спектра. Спектр, показанный выше, предназначен для полнодиапазонного (так называемого «чистого») детектора. В этом случае чувствительность связывает излучение с цифровым отсчетом, а не с током. Среднее выходное значение составляет 160 с освещенностью 20 мкВт / см 2, поэтому чувствительность
{ frac {160 \ counts} {0.2 \ \ frac {W} {m ^ 2}} = \ frac {800 \ counts} { frac {W} {m ^ 2}} = \ frac {1 \ count } {0, 00125 \ гидроразрыва {W} {м ^ 2}} )
Осветление освещенности
Как только вы узнаете чувствительность, вы можете сделать начальное преобразование от выхода датчика к освещенности в люксах. Магическое число - 683:
(1 \ \ frac {W} {m ^ 2} at \ 555 \ nm = 683 \ lux )
К сожалению, если вы просто примените этот коэффициент преобразования к выходу вашего датчика, то измерение освещенности может быть довольно плохим. Как вы, наверное, уже заметили, этот фактор справедлив только для электромагнитного излучения при 555 нм. Вспомните функцию яркости, описанную в предыдущей статье:
Image Чувствительность человеческого глаза резко изменяется от одной длины волны к другой, и, следовательно, коэффициент преобразования от облучения к освещенности также резко изменяется. Приведенное выше число является коэффициентом пересчета для длины волны пиковой чувствительности к человеческому глазу, и, следовательно, каждый другой коэффициент пересчета будет меньше 683. Чтобы еще хуже, спектральный отклик фотодатчика не совпадает с спектральным ответом человеческого глаза! Поэтому мы должны компенсировать тот факт, что два отдельных светочувствительных элемента - человеческий глаз и фотосенсор - более или менее чувствительны к бесчисленным различным длинам волн электромагнитного излучения, скрытым в беловатом свете, освещающем нашу окружающую среду.
Это кажется безнадежным, но первое, что нужно понять, - это то, что освещенность просто не может быть измерена с точностью, которую мы ожидаем от термометров или вольтметров или цифровых суппортов. Для этого нам понадобится либо 1) светочувствительное устройство со спектральным ответом, идентичное спектру человеческого глаза, либо 2) отдельные узкополосные фотоприемники, каждая из которых обладает известной чувствительностью, тонко настроенной на многочисленные длины волн в видимом спектре. Кроме того, такая точность ни в коем случае не нужна или даже не возможна. Кто действительно заботится, освещен ли офис в 450 люкс или 470 люкс? Действительно, измерение высокой точности люкс является почти противоречием в терминах, поскольку освещенность должна представлять собой реакцию человека на условия освещения - и как часто люди соглашаются на что-то настолько субъективное? Приведите двух человек в комнату и попросите их оценить яркость окружающего воздуха по шкале от 0 до 1000.,, как часто вы думаете, что получите тот же номер?
Таким образом, вычисление lux - это упражнение в аппроксимации, и в этом случае приблизительное значение просто отлично.
Избегайте общих оптических датчиков
Не нагружайте себя, выбирая фотодиод или фототранзистор, который не предназначен для аппроксимации спектральной чувствительности человеческого глаза. На следующем рисунке показан спектральный отклик фотодиода OSRAM (упомянутый выше), наложенный на функцию светимости:
Image Попытка компенсировать такое чрезвычайное несоответствие - это просто не очень хорошее время.
Простой способ
Вместо этого выберите устройство с спектральным ответом, основанным на человеческом видении, и информацией о преобразовании с выходом на люкс, представленной в таблице данных. Такие устройства не трудно найти; одним из примеров является фототранзистор Fairchild, упомянутый выше.
Image Однако что-то в этом заговоре кажется не совсем правильным - почему существуют две разные связи между v и lux, одна для лампы накаливания и одна для флуоресцентной лампы? Нам не нужно настраивать измерения освещенности в зависимости от природы источника света, потому что процесс расчета освещенности автоматически учитывает изменения спектрального состава. Ну, то, что вы видите на графике, - это способ компенсировать разницу между кривой чувствительности фототранзистора и функцией светимости:
Image Они достаточно согласованы, но не полностью соответствуют друг другу, поэтому интенсивность света, обнаруженная фототранзистором, не может быть напрямую преобразована в люкс. Обходным путем является определение различных коэффициентов пересчета на основе спектрального состава различных источников света. Fairchild сделал это для ламп накаливания и флуоресцентного света, но как насчет солнечного света? Или белые светодиоды? Или галогенные лампы? Ну, как мы сказали, приближение должно быть достаточно хорошим, когда дело доходит до освещенности. Просто найдите деталь с таблицей данных, которая предоставляет достаточную информацию для вашего конкретного приложения. Вот наложение для датчика окружающего света (Vishay p / n TEPT4400), описанного как «чувствительный к видимому свету, очень похожий на человеческий глаз»:
Image Очевидно, что некорректированное значение люкс на основе этого устройства не будет сказочно точным. Максимальная длина волны близка к оптимальной, но длины волн в верхней и нижней трети видимого спектра слишком сильно влияют на выходной ток.
Вывод
Мы рассмотрели основы чувствительности фотоприемника и как эта чувствительность связана с освещенностью. Вы знаете, какие детали нужно искать, если вам нужно генерировать простые, разумно точные значения люкс. В следующей статье мы обсудим более сложный подход, при котором выход из широкополосного фотодатчика изменяется на основе спектральных данных из красных, зеленых и синих фотодатчиков.
Следующая статья в серии: Измерение и расчет значений люкс, часть 2