簡易數(shù)字照度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計(jì)量技術(shù)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(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計(jì)量技術(shù)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(shè)計(jì)了成本低、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、操作方便的簡易照度計(jì). 通過對UI202的光照特性進(jìn)行測量，得出輸出電流和光強(qiáng)的關(guān)系，并通過電流電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再利用低漂移、低功耗儀表放大器AD620芯片對電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其輸出電壓信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)進(jìn)行對應(yīng)，最后可得到動(dòng)態(tài)范圍為0～7 000 lx的照度計(jì).

關(guān)鍵詞：UI202；光照特性；照度計(jì)

光照度是衡量環(huán)境的重要指標(biāo)，而照度計(jì)是進(jìn)行照度測量的專用儀器，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中，對于非高精度要求的用戶而言費(fèi)用較高. 目前市場上的照度計(jì)測量探頭大多使用硅光電池，為使得硅光電池的光譜響應(yīng)與人眼相一致，需要特殊的濾光片對入射光進(jìn)行修正，以達(dá)到光度學(xué)的測量要求. 目前市面上照度計(jì)的設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理模塊和數(shù)顯模塊制成了簡易數(shù)字照度計(jì)，它具有制作簡單、原理易懂、操作方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，不需任何輔助器件就能夠完成照度測量.

1設(shè)計(jì)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(yīng)曲線，內(nèi)部集成光學(xué)過濾器，對紅外線有很強(qiáng)的抵抗性，其光譜響應(yīng)曲線如圖1所示. 動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍，如果用1 kΩ外接電阻，則可以達(dá)到7 000 lx)，內(nèi)部的暗電流抑制措施，可以在全溫度工作范圍內(nèi)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(yīng)曲線

數(shù)字照度計(jì)的整體設(shè)計(jì)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(guān)系，再利用信號(hào)調(diào)理模塊對電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其輸出電壓信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)進(jìn)行對應(yīng)，最后利用數(shù)顯模塊進(jìn)行顯示.

圖2　整體設(shè)計(jì)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(qiáng)度之間的關(guān)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(qiáng)度的變化會(huì)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(qiáng)度的關(guān)系. 圖4為當(dāng)RSS取1 kΩ時(shí)，輸出電流與光照強(qiáng)度的關(guān)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(guān)系

在輸出電流與光強(qiáng)成線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過串聯(lián)電阻將電流轉(zhuǎn)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(qiáng)度的增加而線性增加，當(dāng)照度達(dá)到7 000 lx時(shí)，電壓趨于飽和.

圖5　輸出電壓與照度關(guān)系

3照度計(jì)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(qiáng)度之間的關(guān)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(jìn)行反應(yīng)，最后對照度計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì). 通過對電阻阻值(1 kΩ,10 kΩ和25 kΩ)的選取，可以設(shè)計(jì)得到不同量程的照度計(jì)，如圖6所示. 當(dāng)RSS=1 kΩ時(shí)，照度可達(dá)到7 000 lx；當(dāng)RSS=10 kΩ時(shí)，照度可達(dá)到2 000 lx；當(dāng)RSS=25 kΩ時(shí)，照度可達(dá)到1 000 lx.

圖6　測試曲線

本實(shí)驗(yàn)使用的信號(hào)調(diào)理模塊由低漂移、低功耗儀表放大器AD620構(gòu)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(diào)節(jié)增益調(diào)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(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式照度計(jì)TES-1330A做標(biāo)注，最后通過數(shù)顯模塊進(jìn)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(jì)檢定規(guī)程中二級照度計(jì)規(guī)定要求. 簡易數(shù)字照度計(jì)的實(shí)物照片如圖9所示.

圖8　信號(hào)調(diào)理后的測試曲線

圖9　數(shù)字照度計(jì)實(shí)物照片

4結(jié)束語

本文通過對UI202照度傳感器的光照特性進(jìn)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(jì). 該照度計(jì)的量程可通過開關(guān)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(shí)現(xiàn)照度計(jì)所需要的基本功能.

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[責(zé)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(xué)大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院講師，碩士，主要從事物理學(xué)實(shí)驗(yàn)、測試計(jì)量技術(shù)及儀器等方面的教學(xué)和研究工作.

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)06-0019-03

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