全天候照度傳感器的研制與探索

虞秋波

（寧波市市政設(shè)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(shè)計是否合格的主要指標(biāo)之一，晴朗天氣下的照度數(shù)據(jù)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(guān)重要。

在陰雨天氣下保障行人、車輛的出行照度需求，達(dá)到正常天氣的照度要求，這就需要用專業(yè)儀器測量陰雨天氣下的照度數(shù)據(jù)，并提供給城市管理部門，從而科學(xué)調(diào)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(shè)計思路

為實現(xiàn)全天候道路照明現(xiàn)場照度測量，對現(xiàn)有照度傳感器進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)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(shè)計構(gòu)想，設(shè)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(jìn)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(jìn)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(xué)材料，經(jīng)過嚴(yán)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(tǒng)為動態(tài)檢測道路路面照度提供設(shè)備支撐，現(xiàn)場的照度測量數(shù)據(jù)通過測量主機(jī)進(jìn)行分析，最終將檢測數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)，通過分析測試軟件，實時得到現(xiàn)場照度的測量數(shù)據(jù)。全天候車載式道路照明照度測量系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 全天候車載式道路照明照度測量系統(tǒng)圖

2 主要結(jié)構(gòu)

全天候照度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)想是在專用高精度照度計基礎(chǔ)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(jìn)行封裝，實現(xiàn)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(diào)平，支架內(nèi)設(shè)計供傳感器調(diào)平的二維調(diào)節(jié)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(qiáng)度磁鐵，牢固吸附在汽車引擎蓋的外表面。其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全天候照度傳感器外形結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(shù)值也會變化，而平面探頭對溫度的抗干擾能力則明顯優(yōu)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(shù)值變化更大，而平面探頭的測量數(shù)值變化幅度較小。最終選擇了平面的內(nèi)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(jī)玻璃和光學(xué)玻璃。有機(jī)玻璃選擇了普通的和高透明的，光學(xué)玻璃選了無色和有色，經(jīng)過對比實驗，最后留下高透明的有機(jī)玻璃和無色光學(xué)玻璃進(jìn)行最終測試，其主要選擇標(biāo)準(zhǔn)就是光衰低、透過率高、機(jī)械強(qiáng)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(jié)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(tǒng)一定標(biāo)后，再拿到現(xiàn)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(jī)玻璃、無色光學(xué)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(jìn)行數(shù)據(jù)比較（見表1）。

表1 光衰試驗數(shù)據(jù)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(xué)玻璃比加裝有機(jī)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(biāo)來看無色光學(xué)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(zhì)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(xué)性能。其所占的比率取決于玻璃的厚度、片數(shù)、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(yè)的檢測儀器分別對有機(jī)玻璃和無色光學(xué)玻璃進(jìn)行透過率對比試驗，在可見光的不同波長內(nèi)對其透光率進(jìn)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(xué)玻璃的透過率明顯優(yōu)于有機(jī)玻璃，這對照度傳感器在不同光源下進(jìn)行測量非常關(guān)鍵。

3.3 雨水附著對比試驗

全天候照度測量傳感器要適應(yīng)在陰雨天氣下的測量，當(dāng)雨水滴落在不同材料表面，是否對照度測量產(chǎn)生不同影響，為此進(jìn)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(jī)玻璃和無色光學(xué)玻璃的蓋子中，然后在實驗室進(jìn)行校準(zhǔn)，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(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 同等降雨量下不同封裝材料對照度測量數(shù)據(jù)影響的對比試驗

通過上述的試驗對比，以及現(xiàn)場的實際情況，可以看到加裝了無色光學(xué)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(xué)玻璃的表面對雨水的附著力更小，雨水更容易滑落，而有機(jī)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(xué)玻璃更適合。

經(jīng)過3組測試結(jié)果，可以明顯看到無色光學(xué)玻璃比有機(jī)玻璃更適合做全天候照度傳感器的封裝。在實驗時也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)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(xué)玻璃在這方面則更好。最終選擇無色光學(xué)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(xué)玻璃封裝，使用前請緩慢打開鏡頭蓋，將其放置在儀器箱內(nèi)，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(jié)束后，應(yīng)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(fēng)處風(fēng)干，待其干燥后再進(jìn)行封裝。切忌在太陽下暴曬，以免破壞其光學(xué)系統(tǒng)。

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(hù)鏡頭。

5）傳感器探頭較重，應(yīng)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(jié)，使用時要將其有序展開，切忌盤繞在一起。使用結(jié)束后也應(yīng)按照規(guī)定的方法收整后放好。

5 結(jié)論

全天候照度傳感器的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了在陰雨、下霧等天氣狀況下的照度測量空白，實現(xiàn)了全天候道路照明現(xiàn)場的照度測量，可以根據(jù)不同天氣的照度情況調(diào)節(jié)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(shè)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(jié)果均良好，其各項技術(shù)指標(biāo)均已到達(dá)設(shè)計要求，符合全天候照度測量儀器的技術(shù)要求。