用LED實現光電轉化的演示型太陽輻射計

馬駿+馬飛+徐麗梅+黃俊玲

摘要： 本論文使用發光二極管（LED）作為太陽輻射計的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，構成放大電路即可，結構簡單易于實現。其主要功能是測量直接太陽輻射，與專門設計的探測器相比，LED還能探測窄波段的波長。此外LED本身具有發光特性，將探測電路和發光電路設計在一起，使用一個轉換開關即可實現LED在兩種功能間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED燈可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

關鍵詞： LED；光探測器；太陽輻射計

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中圖分類號：TL812 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太陽輻射是地球表面的能量來源，在地球表面進行太陽輻射測量，對于研究太陽輻射對地球生物的影響和合理有效利用太陽能具有十分主要的意義，因此日益受到人們重視。太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接輻射、天空散射輻射、地面反射輻射或太陽總輻射等輻射量。如今常用的太陽輻射測量方法：①設計不同波長的通道采用濾光片，用跟蹤系統來捕捉太陽光譜數據，并用單片機進行數據處理；②用硅光電池作太陽輻射傳感器，經過模數轉換，再對采集到的數據進行網絡化傳輸。然而上述測量方法均存在著結構復雜和測量成本高的問題，因此亟待改進。而對于LED的使用，只廣泛應用于照明系統。

可利用太陽能大小是太陽能熱水器和太陽能發電的關鍵參數。利用LED作為傳感器獲得太陽能輻射大小，進而計算太陽能的利用率。目前使用太陽能傳感器種類繁多，功能各異，具有直接太陽輻射測量功能的也不少，但大多數測量儀器結構復雜，成本較高。本論文的目的是提供一種使用發光二極管（LED）作為光探測器的太陽輻射計，并且可以利用LED進行照明。該儀器原理簡單，所需原材料少，制作也很簡單，還可探測窄波段的波長，添加不同顏色的LED和相應放大器后還能用于測量其他波段的光。只要在使用前經過校準，得到的結構就可和花費幾千美金制作的專業儀器的結果一樣好。此外，還可以利用LED的發光特性，使用一個轉換開關，實現探測和照明兩種功能的切換。

太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接、天空散射輻射、地球反射輻射或太陽總輻射等輻射量，是大氣光學、氣象研究和空氣污染檢測的一種很好的儀器。

1 目的和設計思路

太陽光以電磁波輻射方式到達地球表面，通常稱為短波輻射，含紫外、可見和紅外三大光譜區，如圖1所示。

從圖中可知，在可見光中，綠光的波帶較寬，因此本項目優先使用綠LED作為太陽能傳感器的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳和地之間）接入電壓表測量輸出電壓即可。

為實現上述目的，本實驗采用了下面電路圖所示的方法，使用了一個轉換開關S1：當開關S1置右端時為探測電路，只需將LED接入741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳）和地之間接入電壓表測量輸出電壓即可。此外，當開關S1置左端時，電路僅由電源、電阻、LED組成，是一個簡單的照明電路，可添加不同顏色或功率的LED燈，實現手電筒、驗鈔燈等其他照明功能。

當用紅色、黃色或其他顏色的LED燈做實驗時，電壓變化范圍不明顯，可在原來電路后面再接一級運放（如圖2右半部分），將輸出電壓信號進一步放大，便于觀察。

2 實驗過程及現象

如圖3所示，由于是在室內，故采用手電筒光做實驗，當用手電筒光逐漸靠近LED燈時，電壓逐漸增大。為便于觀察，本實驗采用了三線電壓表來實時顯示電壓數據。當無光照時，電壓幾乎為0；當手電筒光逐漸靠近綠色LED時電壓逐漸增大，最大能到6V多；之后，又分別用了紅色和黃色的LED做實驗，其變化范圍都不到1V。由于紅色LED變化不明顯，因此在紅色LED探測電路后面添加了二級放大電路，其變化規律如圖4所示。

實驗取綠色和紅色LED隨光強變化的電壓數據，X軸為光強，Y軸為電壓；左圖為綠色LED的電壓數據，最大可到6V；中間的圖為紅色LED的電壓數據，最大可到0.99V；由于紅色變化范圍較小，可將紅色那一路接放大電路，如右圖所示數據，最大可到9.8V

此外，還可以如圖2電路原理圖所示添加一個轉換開關，當開關置左端時，電路只由電源和LED組成，是一個發光照明電路；當開關置右端時，為探測電路，此時LED燈不亮，電壓與光強呈線性的關系，如圖4所得實驗數據。

3 結論

本實驗可以通過所測得的電壓變化來證明LED能探測太陽輻射的強弱，有利于更加充分的利用太陽能。LED本身可作發光元件，使用一個轉換開關即可實現LED在探測電路和發光電路之間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。實驗電源可以采用蓄電池，將探測到的太陽能存儲起來并在需要的時候轉化為電能，供LED照明，實現能源的循環

利用。

參考文獻：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太陽輻射計的設計與實現[J].安徽大學學報（自然科學版），2006，30（3）.

[2]張海輝，楊青.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011，27（9）.

[3]唐慧強，魏倩.基于Zigbee技術的太陽輻射計的設計[J].儀器技術與傳感器，2010（6）.

[4]麻金繼.利用太陽輻射計反演合肥地區的水汽含量[J].安徽師范大學學報（自然科學版），2006，29（3）.

[5]謝偉.太陽輻射計技術分析[J].紅外，2003（3）.endprint

摘要： 本論文使用發光二極管（LED）作為太陽輻射計的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，構成放大電路即可，結構簡單易于實現。其主要功能是測量直接太陽輻射，與專門設計的探測器相比，LED還能探測窄波段的波長。此外LED本身具有發光特性，將探測電路和發光電路設計在一起，使用一個轉換開關即可實現LED在兩種功能間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED燈可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

關鍵詞： LED；光探測器；太陽輻射計

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中圖分類號：TL812 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太陽輻射是地球表面的能量來源，在地球表面進行太陽輻射測量，對于研究太陽輻射對地球生物的影響和合理有效利用太陽能具有十分主要的意義，因此日益受到人們重視。太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接輻射、天空散射輻射、地面反射輻射或太陽總輻射等輻射量。如今常用的太陽輻射測量方法：①設計不同波長的通道采用濾光片，用跟蹤系統來捕捉太陽光譜數據，并用單片機進行數據處理；②用硅光電池作太陽輻射傳感器，經過模數轉換，再對采集到的數據進行網絡化傳輸。然而上述測量方法均存在著結構復雜和測量成本高的問題，因此亟待改進。而對于LED的使用，只廣泛應用于照明系統。

可利用太陽能大小是太陽能熱水器和太陽能發電的關鍵參數。利用LED作為傳感器獲得太陽能輻射大小，進而計算太陽能的利用率。目前使用太陽能傳感器種類繁多，功能各異，具有直接太陽輻射測量功能的也不少，但大多數測量儀器結構復雜，成本較高。本論文的目的是提供一種使用發光二極管（LED）作為光探測器的太陽輻射計，并且可以利用LED進行照明。該儀器原理簡單，所需原材料少，制作也很簡單，還可探測窄波段的波長，添加不同顏色的LED和相應放大器后還能用于測量其他波段的光。只要在使用前經過校準，得到的結構就可和花費幾千美金制作的專業儀器的結果一樣好。此外，還可以利用LED的發光特性，使用一個轉換開關，實現探測和照明兩種功能的切換。

太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接、天空散射輻射、地球反射輻射或太陽總輻射等輻射量，是大氣光學、氣象研究和空氣污染檢測的一種很好的儀器。

1 目的和設計思路

太陽光以電磁波輻射方式到達地球表面，通常稱為短波輻射，含紫外、可見和紅外三大光譜區，如圖1所示。

從圖中可知，在可見光中，綠光的波帶較寬，因此本項目優先使用綠LED作為太陽能傳感器的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳和地之間）接入電壓表測量輸出電壓即可。

為實現上述目的，本實驗采用了下面電路圖所示的方法，使用了一個轉換開關S1：當開關S1置右端時為探測電路，只需將LED接入741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳）和地之間接入電壓表測量輸出電壓即可。此外，當開關S1置左端時，電路僅由電源、電阻、LED組成，是一個簡單的照明電路，可添加不同顏色或功率的LED燈，實現手電筒、驗鈔燈等其他照明功能。

當用紅色、黃色或其他顏色的LED燈做實驗時，電壓變化范圍不明顯，可在原來電路后面再接一級運放（如圖2右半部分），將輸出電壓信號進一步放大，便于觀察。

2 實驗過程及現象

如圖3所示，由于是在室內，故采用手電筒光做實驗，當用手電筒光逐漸靠近LED燈時，電壓逐漸增大。為便于觀察，本實驗采用了三線電壓表來實時顯示電壓數據。當無光照時，電壓幾乎為0；當手電筒光逐漸靠近綠色LED時電壓逐漸增大，最大能到6V多；之后，又分別用了紅色和黃色的LED做實驗，其變化范圍都不到1V。由于紅色LED變化不明顯，因此在紅色LED探測電路后面添加了二級放大電路，其變化規律如圖4所示。

實驗取綠色和紅色LED隨光強變化的電壓數據，X軸為光強，Y軸為電壓；左圖為綠色LED的電壓數據，最大可到6V；中間的圖為紅色LED的電壓數據，最大可到0.99V；由于紅色變化范圍較小，可將紅色那一路接放大電路，如右圖所示數據，最大可到9.8V

此外，還可以如圖2電路原理圖所示添加一個轉換開關，當開關置左端時，電路只由電源和LED組成，是一個發光照明電路；當開關置右端時，為探測電路，此時LED燈不亮，電壓與光強呈線性的關系，如圖4所得實驗數據。

3 結論

本實驗可以通過所測得的電壓變化來證明LED能探測太陽輻射的強弱，有利于更加充分的利用太陽能。LED本身可作發光元件，使用一個轉換開關即可實現LED在探測電路和發光電路之間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。實驗電源可以采用蓄電池，將探測到的太陽能存儲起來并在需要的時候轉化為電能，供LED照明，實現能源的循環

利用。

參考文獻：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太陽輻射計的設計與實現[J].安徽大學學報（自然科學版），2006，30（3）.

[2]張海輝，楊青.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011，27（9）.

[3]唐慧強，魏倩.基于Zigbee技術的太陽輻射計的設計[J].儀器技術與傳感器，2010（6）.

[4]麻金繼.利用太陽輻射計反演合肥地區的水汽含量[J].安徽師范大學學報（自然科學版），2006，29（3）.

[5]謝偉.太陽輻射計技術分析[J].紅外，2003（3）.endprint

摘要： 本論文使用發光二極管（LED）作為太陽輻射計的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，構成放大電路即可，結構簡單易于實現。其主要功能是測量直接太陽輻射，與專門設計的探測器相比，LED還能探測窄波段的波長。此外LED本身具有發光特性，將探測電路和發光電路設計在一起，使用一個轉換開關即可實現LED在兩種功能間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED燈可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

關鍵詞： LED；光探測器；太陽輻射計

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中圖分類號：TL812 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太陽輻射是地球表面的能量來源，在地球表面進行太陽輻射測量，對于研究太陽輻射對地球生物的影響和合理有效利用太陽能具有十分主要的意義，因此日益受到人們重視。太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接輻射、天空散射輻射、地面反射輻射或太陽總輻射等輻射量。如今常用的太陽輻射測量方法：①設計不同波長的通道采用濾光片，用跟蹤系統來捕捉太陽光譜數據，并用單片機進行數據處理；②用硅光電池作太陽輻射傳感器，經過模數轉換，再對采集到的數據進行網絡化傳輸。然而上述測量方法均存在著結構復雜和測量成本高的問題，因此亟待改進。而對于LED的使用，只廣泛應用于照明系統。

可利用太陽能大小是太陽能熱水器和太陽能發電的關鍵參數。利用LED作為傳感器獲得太陽能輻射大小，進而計算太陽能的利用率。目前使用太陽能傳感器種類繁多，功能各異，具有直接太陽輻射測量功能的也不少，但大多數測量儀器結構復雜，成本較高。本論文的目的是提供一種使用發光二極管（LED）作為光探測器的太陽輻射計，并且可以利用LED進行照明。該儀器原理簡單，所需原材料少，制作也很簡單，還可探測窄波段的波長，添加不同顏色的LED和相應放大器后還能用于測量其他波段的光。只要在使用前經過校準，得到的結構就可和花費幾千美金制作的專業儀器的結果一樣好。此外，還可以利用LED的發光特性，使用一個轉換開關，實現探測和照明兩種功能的切換。

太陽輻射計是用來測量太陽輻射光譜特性的儀器，可同時用于測量不同波長的太陽直接、天空散射輻射、地球反射輻射或太陽總輻射等輻射量，是大氣光學、氣象研究和空氣污染檢測的一種很好的儀器。

1 目的和設計思路

太陽光以電磁波輻射方式到達地球表面，通常稱為短波輻射，含紫外、可見和紅外三大光譜區，如圖1所示。

從圖中可知，在可見光中，綠光的波帶較寬，因此本項目優先使用綠LED作為太陽能傳感器的光探測器，只需將LED接入一個741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳和地之間）接入電壓表測量輸出電壓即可。

為實現上述目的，本實驗采用了下面電路圖所示的方法，使用了一個轉換開關S1：當開關S1置右端時為探測電路，只需將LED接入741運放的兩個輸入端，由于發光二極管不僅可以通電后發光，而且有強光照射時可以將光信號轉換成微小電流信號，因此在LED后面串聯一個大阻值電阻，與741運放構成放大電路，將微小電流信號轉換成可以明顯讀數的電壓信號，再在運放的輸出端（即芯片6腳）和地之間接入電壓表測量輸出電壓即可。此外，當開關S1置左端時，電路僅由電源、電阻、LED組成，是一個簡單的照明電路，可添加不同顏色或功率的LED燈，實現手電筒、驗鈔燈等其他照明功能。

當用紅色、黃色或其他顏色的LED燈做實驗時，電壓變化范圍不明顯，可在原來電路后面再接一級運放（如圖2右半部分），將輸出電壓信號進一步放大，便于觀察。

2 實驗過程及現象

如圖3所示，由于是在室內，故采用手電筒光做實驗，當用手電筒光逐漸靠近LED燈時，電壓逐漸增大。為便于觀察，本實驗采用了三線電壓表來實時顯示電壓數據。當無光照時，電壓幾乎為0；當手電筒光逐漸靠近綠色LED時電壓逐漸增大，最大能到6V多；之后，又分別用了紅色和黃色的LED做實驗，其變化范圍都不到1V。由于紅色LED變化不明顯，因此在紅色LED探測電路后面添加了二級放大電路，其變化規律如圖4所示。

實驗取綠色和紅色LED隨光強變化的電壓數據，X軸為光強，Y軸為電壓；左圖為綠色LED的電壓數據，最大可到6V；中間的圖為紅色LED的電壓數據，最大可到0.99V；由于紅色變化范圍較小，可將紅色那一路接放大電路，如右圖所示數據，最大可到9.8V

此外，還可以如圖2電路原理圖所示添加一個轉換開關，當開關置左端時，電路只由電源和LED組成，是一個發光照明電路；當開關置右端時，為探測電路，此時LED燈不亮，電壓與光強呈線性的關系，如圖4所得實驗數據。

3 結論

本實驗可以通過所測得的電壓變化來證明LED能探測太陽輻射的強弱，有利于更加充分的利用太陽能。LED本身可作發光元件，使用一個轉換開關即可實現LED在探測電路和發光電路之間相互轉換。作為發光元件，安裝不同顏色的LED可以實現手電筒、驗鈔燈等其他功能。實驗電源可以采用蓄電池，將探測到的太陽能存儲起來并在需要的時候轉化為電能，供LED照明，實現能源的循環

利用。

參考文獻：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太陽輻射計的設計與實現[J].安徽大學學報（自然科學版），2006，30（3）.

[2]張海輝，楊青.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011，27（9）.

[3]唐慧強，魏倩.基于Zigbee技術的太陽輻射計的設計[J].儀器技術與傳感器，2010（6）.

[4]麻金繼.利用太陽輻射計反演合肥地區的水汽含量[J].安徽師范大學學報（自然科學版），2006，29（3）.

[5]謝偉.太陽輻射計技術分析[J].紅外，2003（3）.endprint