光照傳感器原理應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

王開群

貴州師范大學(xué)，貴州貴陽 550025

0 前言

隨著發(fā)展需要，傳感器技術(shù)在數(shù)字化、自動(dòng)化及智能化的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。傳感器技術(shù)是通過信息的采集、轉(zhuǎn)換及處理等方式，達(dá)到對(duì)現(xiàn)代系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控的目的。光照傳感器是傳感器中的一種類型，根據(jù)不同的光照度需求對(duì)光照進(jìn)行測(cè)量控制。如今在生活、環(huán)境以及農(nóng)業(yè)中已經(jīng)離不開光照傳感器技術(shù)，在智能控制中用到許多光照傳感器。光照傳感器的使用很大程度上實(shí)現(xiàn)了高效、便捷、健康、環(huán)保、安全及節(jié)能的效果。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)光照傳感器檢測(cè)技術(shù)的研究要早于我國(guó)，借鑒國(guó)外先進(jìn)的光照傳感器技術(shù)，我國(guó)研制的光照傳感器也取得很大進(jìn)步。隨著現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展，人們?cè)诤芏鄨?chǎng)合都離不開光照傳感器，為了規(guī)范光照傳感器技術(shù)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提出了光照傳感器技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，在2005年發(fā)布《光照度計(jì)檢定規(guī)程JJG 245-2005》[1]，為了提高適應(yīng)性，2013年中國(guó)建筑科學(xué)研究院發(fā)布了《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50034-2013》[2]。目前，光照傳感器在設(shè)計(jì)上有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和用單片機(jī)加以控制兩種形式[3]。在改善技術(shù)上有硬件和軟件兩種方法，硬件的改善主要通過光電器元件、光照所用材料以及光照電路的途徑；軟件的改善通常用到單片機(jī)或者是通過上位機(jī)進(jìn)行的處理方式，通過以上兩種改善方式可以讓光照傳感器的使用范圍變得越來越廣[4-5]。從研究?jī)?nèi)容來看，光照傳感器技術(shù)可以結(jié)合其他傳感器及技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、管理與控制。

2 光照傳感器定義及分類

2.1 光照傳感器定義

照度是對(duì)光照強(qiáng)度的簡(jiǎn)稱，是表示物體表面的光通量與被照的面積之間的比值，通常也說物體的照明程度[6]。光照度單位為勒克斯（Lux或Lx），在人們生活和工作中有著重要作用，足夠的光線便于學(xué)習(xí)、生活及其他活動(dòng)，光線過暗會(huì)帶來很多負(fù)面影響，照度計(jì)能夠用于檢測(cè)照明的條件。

光照傳感器可以感知光線明暗程度，在輸出時(shí)可以轉(zhuǎn)換為能用的電信號(hào)，是傳感器中的一種類型。光照傳感器采用光敏二極管來檢測(cè)日光照射變化的狀況，光敏二極管對(duì)日照變化的反應(yīng)具有高靈敏性，不受自身原本溫度的影響，再通過光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并傳入控制單元，實(shí)現(xiàn)車燈的自動(dòng)控制[7]。

2.2 光照傳感器分類

光照傳感器的類型比較多，可按能量處理形式、光敏元件、工作方式等分類。按能量處理形式分，有對(duì)能量控制和轉(zhuǎn)換兩種類型，能量控制型的光照傳感器對(duì)光照度反應(yīng)靈敏度要求不是很高，只需設(shè)置在某種場(chǎng)合所需要的光照度在哪個(gè)數(shù)值之上或之下即可，常見的有開關(guān)量的控制；而能量轉(zhuǎn)換型的光照傳感器是根據(jù)光照的程度以線性的形式輸出，對(duì)光照度的感應(yīng)靈敏度要求較高。

按光敏元件分，種類較多，有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管及電荷耦合器件等，每一種光敏元件有其各自不同的特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)在不同的應(yīng)用中所選擇的光敏元件也是各不相同。

按工作方式分，可分為吸收方式、反射方式、遮光方式及輻射方式，不同的工作方式有各自原理，應(yīng)用于不同的事物中。圖1為光照傳感器類型圖。

3 光照傳感器的工作原理

光照傳感器是基于光的原理發(fā)展的，可以對(duì)人工和太陽光照進(jìn)行檢測(cè)。光在本質(zhì)上是一種電磁波，正常情況下，太陽光中是有可見光、紫外光、紅外光及其他波長(zhǎng)成分的復(fù)合光。光照傳感器的工作原理是把不同角度的各種光線經(jīng)過余弦修正器匯聚到感光的區(qū)域中，在這個(gè)區(qū)域，太陽光在經(jīng)過藍(lán)色和黃色的進(jìn)口濾光片把除可見光外的其余光線過濾掉，經(jīng)過濾光片的可見光可以照射到進(jìn)口的光敏元件，光敏元件按照光照程度轉(zhuǎn)換成各種不同的電信號(hào)，電信號(hào)傳入單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)再通過溫度來感應(yīng)電路，把所采集到的相應(yīng)的光電信號(hào)作溫度補(bǔ)償，最后把線性電信號(hào)精準(zhǔn)地輸出。光照傳感器的主要元件是光敏元件，劉憲宇[8]運(yùn)用光電技術(shù)能夠做到快速、無接觸、測(cè)量精準(zhǔn)及遠(yuǎn)距離的控制。光照傳感器工作原理流程如圖2所示。

4 光照傳感器的應(yīng)用

4.1 光照傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

光照傳感器根據(jù)環(huán)境所需的要求選用，在應(yīng)用時(shí)需要考慮所要使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量的精度和范圍，根據(jù)量程、光譜范圍、輸出信號(hào)、精確度、工作環(huán)境及工作電壓等性能指標(biāo)情況，再選擇符合需求的光照傳感器，在選擇中要分析所選擇的光照傳感器性能指標(biāo)。不同的光敏元件所具有的特點(diǎn)不同，應(yīng)用場(chǎng)合及范圍也各不相同，因此了解各種光敏元件的特點(diǎn)和應(yīng)用對(duì)光照傳感器的選用有重要意義。各種光照元件的特點(diǎn)以及適用情況如表1所示。

4.2 光照傳感器在室內(nèi)的應(yīng)用

在室內(nèi)使用的光照傳感器，要求對(duì)光的探測(cè)靈敏度要高，并且要有精準(zhǔn)的線性放大電路，對(duì)光照的測(cè)量有多種范圍才能輸出精準(zhǔn)的線性電信號(hào)。在室內(nèi)多用壁掛安裝的形式，便于室內(nèi)裝飾，常在倉庫、機(jī)房、工廠、智能樓宇控制、學(xué)校及家庭中應(yīng)用。在室內(nèi)，光照傳感器可以根據(jù)環(huán)境要求自動(dòng)檢測(cè)并控制室內(nèi)事物的運(yùn)行狀態(tài)。包依勤和許文斌[9]以人體紅外和光強(qiáng)傳感器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，這種智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)需滿足室內(nèi)有人且光線較暗時(shí)燈才會(huì)自動(dòng)開，在無線組網(wǎng)下能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，具有智能節(jié)能效果。許勝[10]通過特定的微處理與光照傳感器及其他傳感模塊連接，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)室內(nèi)的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)家居電器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)控制，讓室內(nèi)安全得到更好的保證。于鴻瑞等[11]通過把光照傳感器技術(shù)融入到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，設(shè)計(jì)出可對(duì)教室做智能管理的系統(tǒng)，使得管理更加便捷高效。李升紅[12]運(yùn)用 BH1750FVI型的光照傳感器，并結(jié)合其他技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居中的盆栽進(jìn)行智能監(jiān)控，光照會(huì)影響植物對(duì)光合作用的進(jìn)行，影響植物對(duì)水和礦物質(zhì)的較好吸收，經(jīng)過采用這種技術(shù)的檢測(cè)，用戶可以準(zhǔn)確了解光照強(qiáng)度，植物能較好地生長(zhǎng)，提高了環(huán)境舒適度。張波等人[13]的研究把光照傳感器應(yīng)用在智能實(shí)驗(yàn)室燈光和窗簾控制系統(tǒng)中，根據(jù)照度需求來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室燈和窗簾的自動(dòng)控制。王曉曄等[14]采用光照傳感器與單片機(jī)結(jié)合，在不同位置安裝光照感知模塊后可以監(jiān)測(cè)室內(nèi)外日光的照度，當(dāng)置于自動(dòng)模式時(shí)，通過光敏感測(cè)器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的窗簾自動(dòng)控制，若光照度強(qiáng)自動(dòng)關(guān)，沒有陽光時(shí)自動(dòng)拉開。馬萍[15]把光照傳感器應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，有效對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行光照的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及顯示反饋數(shù)據(jù)，以便智能系統(tǒng)能夠采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。光照傳感器在室內(nèi)一些環(huán)境的應(yīng)用如圖3所示。

表1 各種光照元件特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

4.3 光照傳感器在室外的應(yīng)用

在室外使用的光照傳感器要求其環(huán)境適應(yīng)性較高，常選封閉型鑄鋁材質(zhì)的，需要有防水、抗腐蝕、模擬信號(hào)的輸出精準(zhǔn)及檢測(cè)量程寬的特點(diǎn)。在光控路燈、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及車燈中常應(yīng)用到。在提高測(cè)量準(zhǔn)確性的研究中，針對(duì)由環(huán)境影響和不規(guī)范的使用引起光照傳感器在品質(zhì)、輸出及真實(shí)值之間差異性大的問題，周放[16]設(shè)計(jì)了自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以通過一個(gè)校準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)光照傳感器的校準(zhǔn)。米文輝等[17]的研究通過加入光照傳感器結(jié)合其他技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能控制。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究中，為使農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，提高種植產(chǎn)量及縮短成熟時(shí)間，利用人工光源種植的方式也變得比較普遍，成為農(nóng)業(yè)種植的一種新趨勢(shì)。張昕昱等[18]設(shè)計(jì)了余弦修正片材料，可用于多通道光量子傳感器，同時(shí)運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了濾光片配套使用的防串光套，使濾光片的邊緣漏光問題得到解決。也有應(yīng)用于溫室大棚中，嚴(yán)凱等[19]設(shè)計(jì)了多點(diǎn)光照采集系統(tǒng)，可以改變大棚植物的生長(zhǎng)環(huán)境，管理者只需要在數(shù)據(jù)中心即可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)溫室大棚。在汽車應(yīng)用研究中，光照傳感器能夠檢測(cè)車外光線的明暗情況，可感知處于各種不同場(chǎng)景的路況，根據(jù)檢測(cè)到的道路情況，可自動(dòng)控制車子大燈的開關(guān)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)和雨刮等，可以減少因光線問題對(duì)駕駛員操作的影響，降低交通事故。韓芝俠[20]將雨量和光照傳感器集成，形成一種新型雨量光照傳感器，在汽車電子工業(yè)中應(yīng)用。許春平[21]把光照傳感器應(yīng)用于智能傳感器中，利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出雨量光照傳感器，可以用于汽車的獨(dú)立外裝，從而降低成本和提高汽車性能。何方等[22]設(shè)計(jì)了汽車的雨量光照傳感器的調(diào)試儀，給調(diào)試人員的工作帶來了極大的便利，在進(jìn)行研發(fā)和調(diào)試工作中進(jìn)一步提高了效率。光照傳感器在室外一些環(huán)境的應(yīng)用如圖4所示。

5 光照傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

光照傳感器的規(guī)格對(duì)其發(fā)展也尤為重要，因此改善性能指標(biāo)是發(fā)展的關(guān)鍵。光照傳感器在光敏度、集成信號(hào)調(diào)節(jié)功能、封裝大小、最大勒克斯數(shù)、光譜響應(yīng)及功耗等方面不斷改善，輸出不單是線性模擬輸出，將根據(jù)不同需求實(shí)現(xiàn)多種輸出形式，朝著集成化、微型化及智能化的方向發(fā)展。

近年來，光照傳感器在智能家居、產(chǎn)品、種植及制造等方面有很大的進(jìn)展。智能手機(jī)中就用到許多的光照傳感器，如手機(jī)里的環(huán)境光線傳感器，可以根據(jù)檢測(cè)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度。通過綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)，智能家居以及人工智能結(jié)合光照傳感器從不同維度去分析與判斷，可檢測(cè)物體的狀態(tài)，使生活變得更加智能方便。

6 結(jié)語

光照傳感器技術(shù)已經(jīng)成為智能化發(fā)展的重要技術(shù)之一。光照傳感器與人們的生產(chǎn)和生活都有著緊密聯(lián)系，智能手機(jī)、電腦、激光打印機(jī)、電視機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)、條形碼的讀取、汽車及醫(yī)療等都離不開光照傳感器。光照傳感器在自身性能指標(biāo)、集成及體積上不斷改善，在多領(lǐng)域中從各方面與不同的新技術(shù)相結(jié)合，在質(zhì)量上不斷提升，在應(yīng)用范圍上更加廣泛，有助于傳感器技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)智能化的發(fā)展。