全天候照度傳感器的研制與探索

虞秋波

（寧波市市政設施研究所，浙江 寧波 315012）

城市道路的路面照度是判斷道路照明設計是否合格的主要指標之一，晴朗天氣下的照度數據一直是判斷的前提，在陰雨天氣下的路面照度往往由于測量儀器的限制被忽略，但在某些場所卻至關重要。

在陰雨天氣下保障行人、車輛的出行照度需求，達到正常天氣的照度要求，這就需要用專業儀器測量陰雨天氣下的照度數據，并提供給城市管理部門，從而科學調整路燈的功率，合理提高道路的整體照度，為行人提供出行保障。

1 設計思路

為實現全天候道路照明現場照度測量，對現有照度傳感器進行了調研，發現并沒有符合全天候測量條件的照度傳感器。因此，提出全天候照度傳感器的設計構想，設計在不同的天氣情況下、不同路燈光源下、不同燈桿高度下，都可以進行照度測量的傳感器。全天候傳感器首先要防雨防水，可以在下雨天進行測量，傳感器的封裝鏡頭必須選擇低光衰、高透過率的光學材料，經過嚴格的光譜及角度特性校正，并解決傳感器的防水密封問題，確保LED光源、高壓鈉燈等路燈光源在全天候曲線條件下都可以正常測量。

全天候車載式道路照明照度測量系統為動態檢測道路路面照度提供設備支撐，現場的照度測量數據通過測量主機進行分析，最終將檢測數據上傳至計算機，通過分析測試軟件，實時得到現場照度的測量數據。全天候車載式道路照明照度測量系統圖如圖1所示。

圖1 全天候車載式道路照明照度測量系統圖

2 主要結構

全天候照度傳感器結構設想是在專用高精度照度計基礎上加裝了密封性能好的鋁合金外殼，并用透明材料作為透光鏡頭進行封裝，實現防水、防雨功能。為便于安裝，將該傳感器固定在鋁合金支架上；為便于傳感器調平，支架內設計供傳感器調平的二維調節器；為便于傳感器及支架固定在汽車的引擎蓋上，在傳感器支架底部安裝3塊高強度磁鐵，牢固吸附在汽車引擎蓋的外表面。其外形結構如圖2所示。

圖2 全天候照度傳感器外形結構圖

3 傳感器和鏡頭透光材料的選擇

3.1 照度計傳感器的選擇

目前市場上手持式的照度計有2種：

1）硒光電池前加余弦修正器形成的一種半球型照度傳感器，如圖3所示。

圖3 半球型照度傳感器

2）硅光電池前加余弦修正器形成的平面照度傳感器，如圖4所示。

圖4 平面照度傳感器

為選擇更適合的照度傳感器，做了2組實驗：

1）溫度特性的對比實驗，通過傳感器周圍溫度的升高和降低，發現半球型照度傳感器比平面照度傳感器更容易受到溫度的影響，在測量時隨著溫度的變化，測量的數值也會變化，而平面探頭對溫度的抗干擾能力則明顯優于前者。

2）角度的變化影響測試，在手持測量時隨著測量時的抖動，圓弧形探頭測量的數值變化更大，而平面探頭的測量數值變化幅度較小。最終選擇了平面的內置硅光電池照度傳感器作為此次實驗的照度傳感器。

3.2 封裝材料的選擇

封裝的材料選擇也非常重要。主要的選擇對象有2種：有機玻璃和光學玻璃。有機玻璃選擇了普通的和高透明的，光學玻璃選了無色和有色，經過對比實驗，最后留下高透明的有機玻璃和無色光學玻璃進行最終測試，其主要選擇標準就是光衰低、透過率高、機械強度高、雨水附著力小等。

3.2.1 光衰試驗

在照度傳感器上封裝透明材料后，測試的結果有一定的衰減，因此，選取了3個相同照度傳感器，在實驗室先統一定標后，再拿到現場測試。選取一段封閉的道路，路燈的光源為LED和高壓鈉燈，將3個照度傳感器垂直朝上放置在燈具正下方，分別將有機玻璃、無色光學玻璃放置在其中2個照度傳感器的上方，與不放置封裝材料的照度傳感器進行數據比較（見表1）。

表1 光衰試驗數據對比

由表1可知，在LED路燈光源和高壓鈉燈的下方加裝無色光學玻璃比加裝有機玻璃的光衰小，但和正常傳感器測量的照度值比則偏小。從光衰這個指標來看無色光學玻璃更適合封裝。

3.2.2 透過率對比試驗

在入射光通量自被照面或介質入射面至另外一面離開的過程中，投射并透過物體的輻射能與投射到物體上的總輻射能之比，稱為該物體的透過率。

對于可見光來說，玻璃對其的反射量、吸收量和透射量與總光通量的比率分別稱為光反射率、光吸收率和光透過率，用于表征玻璃的光學性能。其所占的比率取決于玻璃的厚度、片數、顏色和表面清潔程度。一般來說，厚度越大，顏色越深，表面灰塵越多，可見光透過率就越小。

在實驗室中通過專業的檢測儀器分別對有機玻璃和無色光學玻璃進行透過率對比試驗，在可見光的不同波長內對其透光率進行測試。圖5為透光率檢測儀實物圖，圖6為透過率對比試驗曲線圖。

圖5 透光率檢測儀

圖6 透過率對比試驗曲線圖

通過透過率的對比試驗可以看到，無色光學玻璃的透過率明顯優于有機玻璃，這對照度傳感器在不同光源下進行測量非常關鍵。

3.3 雨水附著對比試驗

全天候照度測量傳感器要適應在陰雨天氣下的測量，當雨水滴落在不同材料表面，是否對照度測量產生不同影響，為此進行了專門的模擬測試，在實驗室選擇3只照度傳感器，其中一只不封裝，另外兩只分別封裝在有機玻璃和無色光學玻璃的蓋子中，然后在實驗室進行校準，保持一致。分別在小雨和中雨的天氣下對LED光源和高壓鈉燈光源進行測試。測試數據詳見表2。

表2 同等降雨量下不同封裝材料對照度測量數據影響的對比試驗

通過上述的試驗對比，以及現場的實際情況，可以看到加裝了無色光學玻璃的傳感器探頭受到降雨量的影響更小。主要原因在于無色光學玻璃的表面對雨水的附著力更小，雨水更容易滑落，而有機玻璃的表面雨水不易滑落。因此，在雨水附著對比試驗中無色光學玻璃更適合。

經過3組測試結果，可以明顯看到無色光學玻璃比有機玻璃更適合做全天候照度傳感器的封裝。在實驗時也發現，有機玻璃的表面更容易留下劃痕，長時間使用后封裝表面模糊，而無色光學玻璃在這方面則更好。最終選擇無色光學玻璃作為照度傳感器的封裝材料。

4 使用注意事項

1）傳感器采用光學玻璃封裝，使用前請緩慢打開鏡頭蓋，將其放置在儀器箱內，使用完成后再將其緩慢蓋好。

2）傳感器安裝在汽車引擎蓋后，先檢查其鏡頭是否存在臟污，如有請及時用柔軟的擦拭布將其擦干凈。

3）傳感器在雨天測試結束后，應先用柔軟的擦拭布將鏡頭擦干凈，再用干燥毛巾將傳感器整體水滴擦干，將其放置在通風處風干，待其干燥后再進行封裝。切忌在太陽下暴曬，以免破壞其光學系統。

4）傳感器在使用過程中要輕拿輕放，切忌碰撞、摔落，鏡頭切忌用硬物劃傷，重點保護鏡頭。

5）傳感器探頭較重，應定期檢查固定螺絲是否松動，如松動請用工具鎖緊。

6）傳感器的連接線較長，且長期盤在探頭底座下，容易打結，使用時要將其有序展開，切忌盤繞在一起。使用結束后也應按照規定的方法收整后放好。

5 結論

全天候照度傳感器的出現，彌補了在陰雨、下霧等天氣狀況下的照度測量空白，實現了全天候道路照明現場的照度測量，可以根據不同天氣的照度情況調節路燈的功率，來控制道路照明的整體情況。該儀器已在寧波市市政設施中心使用，在小雨、中雨、大雨及霧天和正常天氣下的測量結果均良好，其各項技術指標均已到達設計要求，符合全天候照度測量儀器的技術要求。