簡易數(shù)字照度計的設計與實現(xiàn)

李　偉，劉昭廷，呂靖薇，張麗巍，劉松江，宋利偉

(1.東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

簡易數(shù)字照度計的設計與實現(xiàn)

李偉1,2，劉昭廷1,2，呂靖薇1,2，張麗巍1,2，劉松江1,2，宋利偉1,2

(1.東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

摘要：基于UI202可見光照度傳感器設計了成本低、體積小、動態(tài)范圍大、操作方便的簡易照度計. 通過對UI202的光照特性進行測量，得出輸出電流和光強的關系，并通過電流電壓轉換技術，將輸出電流轉換成電壓信號，再利用低漂移、低功耗儀表放大器AD620芯片對電壓信號進行調理，使其輸出電壓信號與標準照度計進行對應，最后可得到動態(tài)范圍為0～7 000 lx的照度計.

關鍵詞：UI202；光照特性；照度計

光照度是衡量環(huán)境的重要指標，而照度計是進行照度測量的專用儀器，在現(xiàn)代工農業(yè)生產以及日常生活中，對于非高精度要求的用戶而言費用較高. 目前市場上的照度計測量探頭大多使用硅光電池，為使得硅光電池的光譜響應與人眼相一致，需要特殊的濾光片對入射光進行修正，以達到光度學的測量要求. 目前市面上照度計的設計成本高、操作繁瑣，本文采用UI202可見光照度傳感器為核心部件，外加信號調理模塊和數(shù)顯模塊制成了簡易數(shù)字照度計，它具有制作簡單、原理易懂、操作方便、成本低的優(yōu)點，不需任何輔助器件就能夠完成照度測量.

1設計原理

UI202是低成本的可見光照度傳感器，它具有接近人眼光譜光視效率曲線的光譜響應曲線，內部集成光學過濾器，對紅外線有很強的抵抗性，其光譜響應曲線如圖1所示. 動態(tài)范圍由外接電阻和電源電壓決定(10 kΩ和5 V條件下可以給出0～2 000 lx動態(tài)范圍，如果用1 kΩ外接電阻，則可以達到7 000 lx)，內部的暗電流抑制措施，可以在全溫度工作范圍內提供高精度，即使在較低照度水平也表現(xiàn)良好.

圖1　UI202傳感器的光譜響應曲線

數(shù)字照度計的整體設計方案如圖2所示，以UI202傳感器為核心，利用其光照特性得到照度和電壓之間關系，再利用信號調理模塊對電壓信號進行調理，使其輸出電壓信號與標準照度計進行對應，最后利用數(shù)顯模塊進行顯示.

圖2　整體設計方案框圖

2UI202的光電特性及測試原理

通過測量UI202照度傳感器的輸出電流、輸出電壓與光照強度之間的關系，得到UI202照度傳感器的光照特性，測試電路見圖3，可以通過選擇合適的RSS，或者不同的VDD，使其工作在所需要的光照度范圍. 通常選擇電阻在1 kΩ～1 MΩ.

圖3　電路原理圖

光照強度的變化會引起傳感器的變化，從而影響電路電流及電壓值的分布，通過電流表測量電路電流，可得到輸出電流與光照強度的關系. 圖4為當RSS取1 kΩ時，輸出電流與光照強度的關系曲線，由圖4可知其具有較好的線性度.

圖4　輸出電流與照度關系

在輸出電流與光強成線性關系的基礎上，通過串聯(lián)電阻將電流轉換成電壓，可得到其光照特性，如圖5所示，從圖5可以看出，輸出電壓隨著光照強度的增加而線性增加，當照度達到7 000 lx時，電壓趨于飽和.

圖5　輸出電壓與照度關系

3照度計測試

通過測量UI202照度傳感器的輸出電流、輸出電壓與光照強度之間的關系，得到UI202照度傳感器的光照特性. 利用UI202光照度傳感器的光照特性，通過電壓對照度進行反應，最后對照度計進行設計. 通過對電阻阻值(1 kΩ,10 kΩ和25 kΩ)的選取，可以設計得到不同量程的照度計，如圖6所示. 當RSS=1 kΩ時，照度可達到7 000 lx；當RSS=10 kΩ時，照度可達到2 000 lx；當RSS=25 kΩ時，照度可達到1 000 lx.

圖6　測試曲線

本實驗使用的信號調理模塊由低漂移、低功耗儀表放大器AD620構成，如圖7所示. 輸出電壓UO為

圖7　放大器AD620原理圖

UO=G(U+IN-U-IN),

(1)

式中G是增益，且

(2)

調節(jié)增益調節(jié)電位器RG即可以改變模塊的增益，利用泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產的標準數(shù)字式照度計TES-1330A做標注，最后通過數(shù)顯模塊進行顯示，如圖8所示.

從圖8中可以看出，相對示值誤差Er=±8%，符合JJG 245-2005光照度計檢定規(guī)程中二級照度計規(guī)定要求. 簡易數(shù)字照度計的實物照片如圖9所示.

圖8　信號調理后的測試曲線

圖9　數(shù)字照度計實物照片

4結束語

本文通過對UI202照度傳感器的光照特性進行測量，得到其變化規(guī)律，基于此規(guī)律，開發(fā)了低成本、操作簡單的數(shù)字照度計. 該照度計的量程可通過開關控制不同的接入電阻的選取不同的量程，量程分別為0～1 000 lx,0～2 000 lx和0～7 000 lx，可以實現(xiàn)照度計所需要的基本功能.

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[責任編輯：尹冬梅]

Design and implementation of a simple digital light illuminanometer

LI Wei1,2, LIU Zhao-ting1,2, Lü Jing-wei1,2, ZHANG Li-wei1,2,LIU Song-jiang1,2, SONG Li-wei1,2

(1.Electronic Science College， Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.The University-enterprise R & D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province, Daqing 163318, China)

Abstract:A kind of simple illuminometer of low-cost, small size, dynamic range and easy operation was designed in detail based on visible illumination sensor UI202. By measuring the performance of UI202, the relationship between output current and light intensity was obtained. And the output current was converted into voltage signal through current voltage conversion technology. The output voltage was regulate using the low drift, low power amplifier AD620 according to the standard illumanometer, then a dynamic range of 0～7 000 lx was obtained for the illumanometer.

Key words:UI202; illumination performance; illumanometer

收稿日期：2015-12-06；修改日期：2016-04-26

作者簡介：李偉(1983-)，男，黑龍江綏化人，東北石油大學大學電子科學學院講師，碩士，主要從事物理學實驗、測試計量技術及儀器等方面的教學和研究工作.

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0019-03

資助項目：黑龍江省2014規(guī)劃課題項目(No.GJD1214002)；黑龍江省高等省教育學會2014年高行裝教育科學研究課題(No.14G081);黑龍江省教育廳科技項目(No.12541096)