照度傳感器工作原理

根據(jù)愛因斯坦的光子假說：光是一粒一粒運動著的粒子流，這些光粒子稱為光子。每一個光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率γ。所以，不同頻率的光子具有不同的能量。光的頻率越高，其光子能量就越大。

光線照射在某些物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。逸出來的電子稱為光電子。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)三類，根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換器件（稱為光敏元件）。照度傳感器是以光伏特效應(yīng)來工作的。

在光照下，若入射光子的能量大于禁帶寬度，半導(dǎo)體PN結(jié)附近被束縛的價電子吸收光子能量，受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶形成自由電子，而價帶則相應(yīng)的形成自由空穴。這些電子一空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，于是在P區(qū)與N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，稱為光生電動勢，這就是光伏效應(yīng)。利用光伏效應(yīng)制成的敏感元件有光電池、光敏二極管和光敏三極管等，其應(yīng)用極為廣泛。

利用光敏二極管的光伏效應(yīng)可以制作照度傳感器。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，它的PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，此反向電流稱為暗電流。反向電流小的原因是在PN結(jié)中，P型中的電子和N型中的空穴（少數(shù)載流子）很少。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過PN結(jié)的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，光生電子一空穴對的濃度也相應(yīng)變動，通過外電路的光電流強度也隨之變動，可見光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

國內(nèi)某公司生產(chǎn)的On9668光控閥值可調(diào)的光電集成傳感器就可做成一個開關(guān)型可見光照度傳感器。其典型入射波長為λp=520nm，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，光開關(guān)閥值通過外置電阻線性可調(diào)，直接輸出高、低電平，外圍電路簡單。下圖1是開關(guān)型可見光照度傳感器的原理圖。

電氣特性如下：

(1)暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高。

(2)光控閥值通過外置電阻線性可調(diào)，直接輸出高、低電平，外圍電路簡單。

(3)內(nèi)置雙敏感元，自動衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線。

(4)內(nèi)置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流可達30 mA。

(5)工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好。

(6)可選光學(xué)納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止，近紅外相對衰減，增強光學(xué)濾波效果。

照度傳感器根據(jù)環(huán)境燈光的變化，采用電子元器件將可見光轉(zhuǎn)化成電信號，從而控制照明系統(tǒng)來保證使作業(yè)面的照度在一定范圍內(nèi)。當(dāng)作業(yè)面的照度高于預(yù)設(shè)的照度值，關(guān)閉或調(diào)暗采光系統(tǒng)；當(dāng)作業(yè)面的照度低于預(yù)設(shè)的照度值，開啟或調(diào)亮采光系統(tǒng)。通常，前一個預(yù)設(shè)的照度值高于后一個預(yù)設(shè)的照度值，利用該“死區(qū)”以免頻繁地開關(guān)照明設(shè)備。

照度傳感器主要用于對天然采光的補償或利用，若能從窗戶或天空獲得充足的自然光，則可以關(guān)閉電燈或降低電力消耗，這多見于玻璃幕墻建筑內(nèi)辦公室照明的控制。或者發(fā)送信號啟動電動窗簾、遮陽幕布等，或者調(diào)節(jié)遮陽格柵的角度，來降低自然采光產(chǎn)生的照度，這樣既可利用日光在室內(nèi)產(chǎn)生的光影變化效果和色溫變化效果，又可以保障照度控制在一定范圍內(nèi)，維持室內(nèi)光環(huán)境的和諧，這都需要考慮與諸如電動窗簾等設(shè)備的配合，可在一些利用自然采光的展覽廳見到。

照度傳感器大多設(shè)有延時裝置，以免天空中云的變化帶來自然采光的變化，而導(dǎo)致照明系統(tǒng)控制的頻繁變化，這在多云的天氣尤顯得重要。

采用單個照度傳感器設(shè)置其控制區(qū)域時，應(yīng)注意以下事項：

(1)控制區(qū)內(nèi)作業(yè)活動內(nèi)容、照度要求和環(huán)境相同；

(2)控制區(qū)內(nèi)天然采光的條件相同；

(3)控制區(qū)域連續(xù)，沒有隔斷或墻體。

在室內(nèi)，照度傳感器的安裝位置有兩種：一種是直接安裝在工作面上，但需要保證探頭不被作業(yè)設(shè)備損傷，或者按照通常的做法，安裝在天花板上，朝向作業(yè)面；另一種安裝位置是朝向采光窗，直接測量自然采光。照度傳感器也可以安裝在燈具內(nèi)，成為燈具的一部分，還可以安裝在遠離所控制的燈具回路的天花板上。當(dāng)照度傳感器用于室外環(huán)境中時，在北半球則多朝向北方．以免太陽光的直射，從而保證比較好的恒定照度。同時需要指出的是，由于室外照度傳感器的靈敏度和可調(diào)節(jié)性比較低，所以不能與室內(nèi)的照度傳感器互換。