光照傳感器原理應用及發展趨勢

王開群

貴州師范大學，貴州貴陽 550025

0 前言

隨著發展需要，傳感器技術在數字化、自動化及智能化的發展中發揮著重要作用。傳感器技術是通過信息的采集、轉換及處理等方式，達到對現代系統進行測控的目的。光照傳感器是傳感器中的一種類型，根據不同的光照度需求對光照進行測量控制。如今在生活、環境以及農業中已經離不開光照傳感器技術，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現了高效、便捷、健康、環保、安全及節能的效果。

1 研究現狀

國外對光照傳感器檢測技術的研究要早于我國，借鑒國外先進的光照傳感器技術，我國研制的光照傳感器也取得很大進步。隨著現代社會快速發展，人們在很多場合都離不開光照傳感器，為了規范光照傳感器技術，中國計量科學研究院提出了光照傳感器技術的標準，在2005年發布《光照度計檢定規程JJG 245-2005》[1]，為了提高適應性，2013年中國建筑科學研究院發布了《建筑照明設計標準GB 50034-2013》[2]。目前，光照傳感器在設計上有光電信號轉換和用單片機加以控制兩種形式[3]。在改善技術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或者是通過上位機進行的處理方式，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]。從研究內容來看，光照傳感器技術可以結合其他傳感器及技術實現智能調節、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

照度是對光照強度的簡稱，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，足夠的光線便于學習、生活及其他活動，光線過暗會帶來很多負面影響，照度計能夠用于檢測照明的條件。

光照傳感器可以感知光線明暗程度，在輸出時可以轉換為能用的電信號，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日光照射變化的狀況，光敏二極管對日照變化的反應具有高靈敏性，不受自身原本溫度的影響，再通過光照強度轉換為電流信號并傳入控制單元，實現車燈的自動控制[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，有對能量控制和轉換兩種類型，能量控制型的光照傳感器對光照度反應靈敏度要求不是很高，只需設置在某種場合所需要的光照度在哪個數值之上或之下即可，常見的有開關量的控制；而能量轉換型的光照傳感器是根據光照的程度以線性的形式輸出，對光照度的感應靈敏度要求較高。

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，根據其特點在不同的應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展的，可以對人工和太陽光照進行檢測。光在本質上是一種電磁波，正常情況下，太陽光中是有可見光、紫外光、紅外光及其他波長成分的復合光。光照傳感器的工作原理是把不同角度的各種光線經過余弦修正器匯聚到感光的區域中，在這個區域，太陽光在經過藍色和黃色的進口濾光片把除可見光外的其余光線過濾掉，經過濾光片的可見光可以照射到進口的光敏元件，光敏元件按照光照程度轉換成各種不同的電信號，電信號傳入單片機系統中，單片機系統再通過溫度來感應電路，把所采集到的相應的光電信號作溫度補償，最后把線性電信號精準地輸出。光照傳感器的主要元件是光敏元件，劉憲宇[8]運用光電技術能夠做到快速、無接觸、測量精準及遠距離的控制。光照傳感器工作原理流程如圖2所示。

4 光照傳感器的應用

4.1 光照傳感器的特點及應用范圍

光照傳感器根據環境所需的要求選用，在應用時需要考慮所要使用技術標準、測量的精度和范圍，根據量程、光譜范圍、輸出信號、精確度、工作環境及工作電壓等性能指標情況，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。不同的光敏元件所具有的特點不同，應用場合及范圍也各不相同，因此了解各種光敏元件的特點和應用對光照傳感器的選用有重要意義。各種光照元件的特點以及適用情況如表1所示。

4.2 光照傳感器在室內的應用

在室內使用的光照傳感器，要求對光的探測靈敏度要高，并且要有精準的線性放大電路，對光照的測量有多種范圍才能輸出精準的線性電信號。在室內多用壁掛安裝的形式，便于室內裝飾，常在倉庫、機房、工廠、智能樓宇控制、學校及家庭中應用。在室內，光照傳感器可以根據環境要求自動檢測并控制室內事物的運行狀態。包依勤和許文斌[9]以人體紅外和光強傳感器為基礎設計了智能網絡開關，這種智能網絡開關需滿足室內有人且光線較暗時燈才會自動開，在無線組網下能夠對數據進行實時傳輸，具有智能節能效果。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，利用互聯網技術可以對室內的內部環境進行管理，實現家居電器的遠程監測和調節控制，讓室內安全得到更好的保證。于鴻瑞等[11]通過把光照傳感器技術融入到互聯網技術中，設計出可對教室做智能管理的系統，使得管理更加便捷高效。李升紅[12]運用 BH1750FVI型的光照傳感器，并結合其他技術，可實現對家居中的盆栽進行智能監控，光照會影響植物對光合作用的進行，影響植物對水和礦物質的較好吸收，經過采用這種技術的檢測，用戶可以準確了解光照強度，植物能較好地生長，提高了環境舒適度。張波等人[13]的研究把光照傳感器應用在智能實驗室燈光和窗簾控制系統中，根據照度需求來實現實驗室燈和窗簾的自動控制。王曉曄等[14]采用光照傳感器與單片機結合，在不同位置安裝光照感知模塊后可以監測室內外日光的照度，當置于自動模式時，通過光敏感測器實現室內的窗簾自動控制，若光照度強自動關，沒有陽光時自動拉開。馬萍[15]把光照傳感器應用于智能農業系統中，有效對農作物進行光照的實時監測以及顯示反饋數據，以便智能系統能夠采取相應的應對措施。光照傳感器在室內一些環境的應用如圖3所示。

表1 各種光照元件特點及應用范圍

4.3 光照傳感器在室外的應用

在室外使用的光照傳感器要求其環境適應性較高，常選封閉型鑄鋁材質的，需要有防水、抗腐蝕、模擬信號的輸出精準及檢測量程寬的特點。在光控路燈、農業生產、環境監測及車燈中常應用到。在提高測量準確性的研究中，針對由環境影響和不規范的使用引起光照傳感器在品質、輸出及真實值之間差異性大的問題，周放[16]設計了自動校準系統，可以通過一個校準過程實現對多個光照傳感器的校準。米文輝等[17]的研究通過加入光照傳感器結合其他技術，實現對路燈的智能控制。在農業生產的研究中，為使農業快速發展，提高種植產量及縮短成熟時間，利用人工光源種植的方式也變得比較普遍，成為農業種植的一種新趨勢。張昕昱等[18]設計了余弦修正片材料，可用于多通道光量子傳感器，同時運用3D打印技術設計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。也有應用于溫室大棚中，嚴凱等[19]設計了多點光照采集系統，可以改變大棚植物的生長環境，管理者只需要在數據中心即可遠程監測溫室大棚。在汽車應用研究中，光照傳感器能夠檢測車外光線的明暗情況，可感知處于各種不同場景的路況，根據檢測到的道路情況，可自動控制車子大燈的開關狀態，自動調節空調和雨刮等，可以減少因光線問題對駕駛員操作的影響，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，在汽車電子工業中應用。許春平[21]把光照傳感器應用于智能傳感器中，利用單片機技術設計出雨量光照傳感器，可以用于汽車的獨立外裝，從而降低成本和提高汽車性能。何方等[22]設計了汽車的雨量光照傳感器的調試儀，給調試人員的工作帶來了極大的便利，在進行研發和調試工作中進一步提高了效率。光照傳感器在室外一些環境的應用如圖4所示。

5 光照傳感器的發展趨勢

光照傳感器的規格對其發展也尤為重要，因此改善性能指標是發展的關鍵。光照傳感器在光敏度、集成信號調節功能、封裝大小、最大勒克斯數、光譜響應及功耗等方面不斷改善，輸出不單是線性模擬輸出，將根據不同需求實現多種輸出形式，朝著集成化、微型化及智能化的方向發展。

近年來，光照傳感器在智能家居、產品、種植及制造等方面有很大的進展。智能手機中就用到許多的光照傳感器，如手機里的環境光線傳感器，可以根據檢測環境亮度自動調節屏幕亮度。通過綜合運用大數據，智能家居以及人工智能結合光照傳感器從不同維度去分析與判斷，可檢測物體的狀態，使生活變得更加智能方便。

6 結語

光照傳感器技術已經成為智能化發展的重要技術之一。光照傳感器與人們的生產和生活都有著緊密聯系，智能手機、電腦、激光打印機、電視機、工業生產、條形碼的讀取、汽車及醫療等都離不開光照傳感器。光照傳感器在自身性能指標、集成及體積上不斷改善，在多領域中從各方面與不同的新技術相結合，在質量上不斷提升，在應用范圍上更加廣泛，有助于傳感器技術的優化與發展，同時也推動智能化的發展。