[科普中国]-照度传感器

工作原理

根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一个光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ。所以，不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。

光线照射在某些物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光伏效应三类，根据这些效应可制成不同的光电转换器件（称为光敏元件）。照度传感器是以光伏特效应来工作的。

在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，半导体PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发跃迁至导带形成自由电子，而价带则相应的形成自由空穴。这些电子一空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区与N区之间产生电压，称为光生电动势，这就是光伏效应。利用光伏效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等，其应用极为广泛。

利用光敏二极管的光伏效应可以制作照度传感器。光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，它的PN结装在管顶，可直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此反向电流称为暗电流。反向电流小的原因是在PN结中，P型中的电子和N型中的空穴（少数载流子）很少。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，光生电子一空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电流强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。

特光照度传感器的结构及性国内某公司生产的On9668光控阀值可调的光电集成传感器就可做成一个开关型可见光照度传感器。其典型入射波长为λp=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，光开关阀值通过外置电阻线性可调，直接输出高、低电平，外围电路简单。下图是开关型可见光照度传感器的原理图。

电气特性如下：

(1)暗电流小，低照度响应，灵敏度高。

(2)光控阀值通过外置电阻线性可调，直接输出高、低电平，外围电路简单。

(3)内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线。

(4)内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流可达30 mA。

(5)工作电压范围宽，温度稳定性好。

(6)可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止，近红外相对衰减，增强光学滤波效果。1

照度传感器的应用照度传感器根据环境灯光的变化，采用电子元器件将可见光转化成电信号，从而控制照明系统来保证使作业面的照度在一定范围内。当作业面的照度高于预设的照度值，关闭或调暗采光系统；当作业面的照度低于预设的照度值，开启或调亮采光系统。通常，前一个预设的照度值高于后一个预设的照度值，利用该“死区”以免频繁地开关照明设备。

照度传感器主要用于对天然采光的补偿或利用，若能从窗户或天空获得充足的自然光，则可以关闭电灯或降低电力消耗，这多见于玻璃幕墙建筑内办公室照明的控制。或者发送信号启动电动窗帘、遮阳幕布等，或者调节遮阳格栅的角度，来降低自然采光产生的照度，这样既可利用日光在室内产生的光影变化效果和色温变化效果，又可以保障照度控制在一定范围内，维持室内光环境的和谐，这都需要考虑与诸如电动窗帘等设备的配合，可在一些利用自然采光的展览厅见到。

照度传感器大多设有延时装置，以免天空中云的变化带来自然采光的变化，而导致照明系统控制的频繁变化，这在多云的天气尤显得重要。

采用单个照度传感器设置其控制区域时，应注意以下事项：

(1)控制区内作业活动内容、照度要求和环境相同；

(2)控制区内天然采光的条件相同；

(3)控制区域连续，没有隔断或墙体。

在室内，照度传感器的安装位置有两种：一种是直接安装在工作面上，但需要保证探头不被作业设备损伤，或者按照通常的做法，安装在天花板上，朝向作业面；另一种安装位置是朝向采光窗，直接测量自然采光。照度传感器也可以安装在灯具内，成为灯具的一部分，还可以安装在远离所控制的灯具回路的天花板上。当照度传感器用于室外环境中时，在北半球则多朝向北方．以免太阳光的直射，从而保证比较好的恒定照度。同时需要指出的是，由于室外照度传感器的灵敏度和可调节性比较低，所以不能与室内的照度传感器互换。1