Датчик интенсивности солнечного излучения своими руками

Зачем нужна небольшая темная полусфера в передней части торпедо

Многие автомобилисты интересуются, что за полукруглый выступ находится на панели торпедо в некоторых авто. Нужно сразу отметить, что, как правило, этот «шарик» — прибор довольно функциональный и нужный, так как внутри находится датчик. В данной статье рассмотрены основные вопросы, связанные с этой деталью.

Какой датчик скрывается в полусфере

Этот прибор в технической терминологии носит название «датчик интенсивности солнечного света». Также его называют «датчик света», «датчик солнечного излучения» и так далее.

В некоторых автомобилях в полусфере может находиться датчик включения сигнализации, цель которого – световым сигналом оповещать окружающих, что в автомобиле включена сигнализация.

Как работает датчик

На основании показаний этого датчика система понимает степень освещенности. Алгоритмы системы зависят от того, какое время суток и какая погода за бортом.

Зачем нужен датчик интенсивности солнечного света

Датчик интенсивности солнечного света встроен в автомобили с климат-контролем. Необходим он для того, чтобы климат-контроль понимал, какое время суток и какая погода за бортом. На основании этого настраиваются климатические системы автомобиля. Соответственно, если палит солнце, воздух в салоне необходимо охладить; если на улице ночь и темень, климат-контроль сделает в машине теплее; если за бортом пасмурно, система подберет среднюю температуру.

Работать эта система будет, только если вы включите режим «Auto».

Существует также датчик интенсивности солнечного света, который отвечает за автоматическое включение-выключение фар ближнего света, но, как правило, это отдельный прибор, и устанавливается он чаще всего на зеркало заднего вида.

Тем не менее, в некоторых автомобилях датчик света – общий для обеих систем, и на основании его показаний работают и климат-контроль, и система автоматического включения фар. Чаще всего такое объединение функций можно встретить на машинах эконом-класса или недорогих внедорожниках нулевых годов.

Почему не стоит закрывать полусферу

На тех автомобилях, в которые встроен единый датчик света для климат-контроля и автоматического включения фар, некоторые автомобилисты прикрывают непрозрачной материей полусферу. Делают они это, чтобы рычажок, регулирующий свет фар, всегда находился в значении «Auto», так как в России действует закон, обязывающий водителей включать ближний свет и в дневное время тоже. Ожидать каких-то поломок в связи с этим не стоит, но климат-контроль, например, будет настраивать температуру некорректно, что может вызвать дискомфорт.

Всегда ли в полусфере находится датчик

В некоторых автомобилях, для которых наличие климат-контроля зависит от комплектации, полусфера устанавливается по умолчанию. Но датчик внутри нее есть только в автомобилях с климат-контролем в комплектации. Если климат-контроля в автомобиле нет, а полусфера присутствует, то это, скорее всего, просто декоративная пустышка.

Источник

Использование светодиода как оптического сенсора (фотоприемника). Мой самодельный радиометр для измерения излучения Солнца

Светодиод как источник излучения

Светодиод (англ. LED) чаще всего используется в качестве излучателя света (при прямом смещении pn-перехода, англ. forward biased).
Кристалл светодиода излучает свет под определенными углами, так как из-за явления полного внутреннего отражения световые частицы могут покидать кристалл только в пределах конусов вывода излучения (англ. escape cones) — верхнего и боковых (для прямоугольного кристалла):

Можно рассмотреть диаграмму его излучения под различными углами, расположив светодиод параллельно экрану:

Как видно, присутствует сильный верхний луч от верхнего конуса, усиленный фокусирующим эффект корпуса, и более слабые боковые лучи, обусловленные боковыми конусами.
Можно рассмотреть центральный луч подробнее, расположив светодиод перпендикулярно экрану:

Светодиод как приемник излучения

Светодиод может использоваться и в качестве фотоприемника (при обратном смещении pn-перехода, англ. reverse biased). Впервые этот эффект исследовал в 1970-е годы Forrest M. Mims III (forrestmims.org), он описывается в многочисленных публикациях. С помощью этого эффекта можно, например, подстраивать яркость свечения индикаторного светодиода в зависимости от уровня освещения.

Forrest M. Mims III

К преимуществам светодиода как оптического сенсора можно отнести его низкую стоимость и достаточо узкую полосу пропускания, не требующую применения дополнительных оптических фильтров. К недостаткам можно отнести влияние температуры на результаты измерения.

Для применения светодиода в качестве датчика света на него необходимо подать обратное напряжение смещения (анод — «минус», катод — «плюс»). Напомню, что у светодиода длинный вывод — анод, короткий — катод.

Фотоны, падающие на pn-переход светодиода, вызывают генерацию фототока (англ. photocurrent)), который весьма невелик (светодиод не предназначен для генерации большого фототока):

Имеются данные, что при прямом падении солнечного света на 5-мм красный светодиод (1000 мКд при 20 мА) фототок составляет 20 мкА.

Работающий как фотоприемника светодиод можно представить в виде параллельного соединения источника фототока I_F и емкости C (10. 15 пФ):

Следует отметить, что в таком режиме светодиод будет реагировать на световое излучение с длиной волны, равной или меньшей, чем длина волны излучения светодиода (например, у желто-зеленого светодиода она составляет 555 нм, а максимум чувствительности такого светодиода как фотоприемника приходится на 525 нм с шириной диапазона чувствительности около 50 нм, а красный светодиод является хорошим детектором оранжевого света):

Красные, оранжевые и желтые светодиоды основаны на AlGaInP, синие, зеленые — на InGaN. При этом необходимо учесть, что влияние оказывают и фильтрующие свойства корпуса светодиода.

Я провел ряд опытов, которые показали, что красный светодиод не реагирует на излучение инфракрасного светодиода, зеленый — на излучение инфракрасного и красного сетодиодов и красного лазера, белый — на излучение инфракрасного, красного и зеленого сетодиодов и красного и зеленого лазеров.

Оценить световой поток, падающий на светодиод, можно двумя способам:

1 — измерение фототока
2 — использование светодиода как конденсатора в режиме заряда/разряда (фактически выполняется интеграция фототока по времени)

Измерение фототока

Измерять фототок можно непосредственно или с помощью измерения напряжения на резисторе R.

Использование заряда/разряда емкости светодиода

В этом варианте светодиод через токограничивающий резистор подключается к выводу микроконтроллера через токоограничивающий резистор. Вывод переключается в режим «выхода» для заряда емкости светодиода, а затем в режим «входа» для измерения напряжения светодиода в процессе разряда. При этом оппределяется длительность разряда T до порогового напряжения:

Ультрафиолетовое излучение Солнца

УФ-излучение Солнца делится на три области:
UVA — 315. 400 нм — на земной поверхности в 15. 20 раз превышает UVB
UVB — 280. 315 нм — 90 % поглощается атмосферой, изменения уровня UVB сильно ощущаются людьми, причем сам уровень зависит от высоты, расположения Солнца в небе, объема озона в атмосфере и облачного покрова
UVC — 100. 280 нм — почти всё поглощается атмосферой

Оценка интенсивности солнечного излучения, проходящего через атмосферу

Для измерения передачи солнечного света через земную атмосферу применяются два вида инструментов:

• инструменты для измерения излучения всего неба (англ. full-sky instruments) — радиометры (широкополосные радиометры — пиранометры или солариметры);
  для радиометров реакция детектора на прямое облучение источником света должна быть пропорциональна косинусу зенитного угла источника света (англ. cosine response).
• инструменты для измерения прямого солнечного излучения (англ. direct sunlight instruments) — солнечные фотометры (широкополосные фотометры — пирогелиометры).

В обоих этих категориях применяются инструменты для измерения излучения в широком диапазоне длин волн или только для заданной длины волны.

Forrest M. Mims III построил солнечный фотометр (англ. Sun photometer) на основе светодиодов для измерения оптической плотности атмосферы. Это позволяет оценить содержание аэрозолей, озона и водяного пара в атмосфере.
Сейчас подобные детекторы широко применяются для измерений в близком инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах.

Мой самодельный радиометр

Я сделал свой простейший зенитный узкополосный радиометр (англ. zenith-looking narrow-band radiometer), подключив батарею «Крона» через интегральный стабилизатор 78L05 (выходное напряжение составило около 5 В) и резистор сопротивлением 4,7 МОм к «белому» светодиоду (5 мм):

Светодиод белого свечения на самом деле содержит «синий» светодиод (на основе InGaN или GaN с длиной волны излучения 465 нм), что делает его восприимчивым к лучам синего, фиолетового и ультрафиолетового света. Это позволяет оценить интенсивность УФ-излучения Солнца.
Сам светодиод я поместил в непрозрачную трубку, оставив открытой только верхнюю полусферу корпуса.
Я измеряю напряжение на резисторе R, пропорциональное фототоку светодиода, цифровым мультиметром на пределе 2 В.

Мой радиометр измеряет излучение неба в зените (англ. zenith sky radiance (ZSR)).

Общая интенсивность излучения (англ. irradiance) складывается из двух составляющих:
$T = S + D$ , где $S$ — прямое излучение Солнца, $D$ — рассеянное излучение (от неба).
Чем меньше высота Солнца (больше его зенитный угол $z$), тем длинее путь, проходимый солнечными лучами в атмосфере и тем меньше $S$.
При закрытом облаками Солнце $S$ уменьшается (при плотной облачности — весьма заметно), но при этом возрастает $D$, причем уровень этой составляющей при облачности может превышать уровень для ясного неба.

Я расположил светодиод вертикально на открытом месте в июльский день:

Я получил такие результаты:

При закате 4 августа 2017 года при практически безоблачном небе напряжение на резисторе составило 3 мВ.

При поднесении датчика моего фотометра практически вплотную к светящейся КЛЛ мощностью 23 Вт показания напряжения на составляют 0,20. 0,25 В, что соответствует фототоку 43. 53 нА.

Продолжение следует

Источник

Датчик интенсивности солнечного излучения своими руками

Индикатор светового излучения

Автор: SSMix
Опубликовано 20.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2014»

Предлагаемый Вашему вниманию многофункциональный прибор может использоваться для многих целей: как люксметр для измерения уровня светового излучения, как измеритель индекса ультрафиолетового излучения, как индикатор формы видимого и инфракрасного излучения от разных источников с осциллографированием в полосе частот от 20Гц до 200кГц и выводом осциллограммы на графический ЖКИ. Благодаря малым габаритам прибора и легкости в использовании он станет незаменимым помощником при выборе и покупке безопасных для здоровья энергосберегающих лампочек, мониторов, телевизоров, смартфонов, планшетов, телефонов и всего прочего, излучающего свет или имеющего дисплей. Таким прибором можно легко проверить эффективность солнцезащитных очков, исправность любого ИК-пульта, а также производить сравнения по силе света разных источников, например лампочек или светодиодов.

История создания описываемого в данной статье прибора следующая. В своё время автор никак не мог понять один интересный момент. Раньше, работая по 4-6 часов в день за кинескопным монитором Samsung без каких-либо неприятных ощущений, а затем пересев на новый ЖК-монитор LG L1715S, уже через 30-40 минут появлялась резь и покраснение в глазах, а затем добавлялась головная боль. Аналогичный эффект проявлялся и при длительном пользовании смартфоном Nokia 6220 classic. Выяснить причину это явления удалось случайно через несколько лет.

Проблема оказалась в ШИМ-модуляции подсветки дисплея. Видимо, производители упомянутых выше устройств не особенно заморачивались с регулировкой яркости подсветки, и использовали самый примитивный способ, т.е. диммирование. Какие последст-вия для самочувствия и здоровья пользователей имеет мерцание экрана (с полным размахом по яркости, кстати), производителей похоже не интересует.
В сети Интернет есть форумы, посвящённые выбору мониторов и телевизоров без ШИМ-мерцания. Для выявления ШИМ используются в основном “карандашный тест” (стробоскопический эффект при кратности частоты колебаний зажатого между двумя пальцами карандаша и частоты ШИМ) и видео камеры телефонов, но надежней и точней, пожалуй, использование фотодиода и осциллографа. Правда, при непосредственном подключении фотодиода к стандартному 1М-омному входу осциллографа имеет место сильный завал частотной характеристики из-за низкой скорости заряда-разряда суммарной ёмкости в образовавшейся RC-цепи.

На практике таким способом можно увидеть пульсации сигнала частотой до нескольких кГц (в зависимости от суммарной ёмкости фотодиода, кабеля, осциллографа и монтажа).
Нагрузив фотодиод сопротивлением 10…100 кОм можно расширить частотный диапазон измерений за счет уменьшения постоянной времени τ=RC, однако при этом во столько же раз упадёт чувствительность.
На практике фотодиод обычно используют совместно с операционным усилителем (ОУ) по следующей типовой схеме включения:

“Секрет” данной схемы заключается в том, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ отрицательная обратная связь стремится установить такое напряжение на выходе усилителя, чтобы выровнять потенциал с инвертирующим входом. А поскольку фотодиод включен непосредственно между входами ОУ, создаётся режим работы, близкий к короткому замыканию для фотодиода, что обеспечивает малое τ, и, как следствие, высокое быстродействие схемы.
При помощи такой схемы было выяснено, что у монитора LG L1715S имеет место мерцание частотой 100кГц промодулированное частотой около 375Гц. У смартфона Nokia 6220 classic измеренная частота ШИМ составила 290-295Гц. При максимальной яркости подсветки мерцание исчезает, но яркость получается слишком избыточной.
Вот лишь несколько кратких выдержек из различных статей о негативном воздействии мерцания света, выложенных в Интернете:

“Одной из важных характеристик искусственного освещения является пульсация светового потока или, как часто говорят, мерцание света. Пульсация светового потока на глаз практически не воспринимается, так как частота пульсации превышает критическую частоту слияния мельканий, но неблагоприятно влияет на человека, вызывая повышенную утомляемость. Отрицательное воздействие пульсации возрастает с ее увеличением, появляется напряжение на глазах, усталость, трудность сосредоточения на сложной работе, головная боль.”
“По санитарным нормам при работе с монитором компьютера уровень пульсаций, частотой до 300 Гц, не должен превышать 5%.”
“Частота пульсаций светового потока 100 Гц превышает критическую частоту слияния световых мельканий, поэтому колебания света зрительно не воспринимаются, однако их отрицательное воздействие на организм человека установлено в многочисленных исследованиях. Многочисленными экспериментами установлено, что при частоте колебаний света 100 Гц отрицательное воздействие на организм человека достаточно мало только при глубине пульсации не более 5-6 %. При питании источников света током частотой 300 Гц и выше глубина пульсации не имеет значения, так как на эту частоту мозг не реагирует.”
“Установлено, что повышенная пульсация освещенности оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему, причем в большей степени – непосредственно на нервные элементы коры головного мозга и фоторецепторные элементы сетчатки глаз.
Исследования показывают, что у человека снижается работоспособность (производительность труда и качество выполняемых работ), появляется напряжение в глазах, повышается усталость, труднее сосредотачиваться на сложной работе, ухудшается память, чаще возникает головная боль. Отрицательное воздействие пульсации возрастает с увеличением ее глубины.
По данным Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР (РАН), мозг пользователя ПЭВМ крайне отрицательно реагирует на два (и более) одновременных, но различных по частоте и не кратных друг другу ритма световых раздражений. При этом на биоритмы мозга накладываются пульсации от изображений на экране дисплея и пульсации от осветительных установок.”
СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы». Пункт 6.14: «Коэффициент пульсации не должен превышать 5%».

Таким образом, отрицательное воздействие на человека оказывает вообще освещение с мерцанием. Те же энергосберегающие и светодиодные лампочки в зависимости от производителя могут также иметь запредельный уровень пульсаций, а при их старении, по мере выгорания люминофора, склонны добавлять ещё и долю ультрафиолета!
Также существенное влияние оказывает именно импульсный характер ШИМ-пульсаций светодиодной подсветки дисплеев. Поскольку светодиоды обладают малой инерционностью в процессе включения/выключения, возникает резкий перепад импульсов света в отличие от прежних кинескопных экранов.
Поэтому возникла идея разработать карманный прибор для оценки безопасности мониторов, телевизоров, лампочек и т.п., чтобы не таскать с собой осциллограф с разными приставками.
В результате получился прибор со следующими техническими характеристиками:

— диапазон развертки для осциллографирования
светового излучения (380. 1100 нм)…………………. 5мс/дел…5мкс/дел
— максимальная частота дискретизации АЦП.………. 1 МГц
— диапазон измеряемой частоты………………………. 20Гц…200кГц
— коэф. пульсаций………………………………………. 0…100%
— диапазон измерения УФ излучения (240. 370 нм)….0…20UVI*
— диапазон измерения уровня освещённости в
видимом диапазоне светового излучения……………. 0…100000 люкс
— дисплей………………………………………………. графический ЖК, 96х68 пикс.
— питание…………………………………………………. Li-Po аккумулятор (150мА∙ч)
— потребляемый ток в рабочем режиме………………. 13 мА
— потребляемый ток в энергосберегающем режиме……22 мкА
— габаритные размеры……………………………………. 65х50х17,5мм
— вес………………………………………………………. 40г.

*При индексе УФ излучения менее 0 UVI замер производится в диапазоне (0…69) мВт/см2.

Для измерений используются 3 датчика: 1) УФ излучения, 2) для осциллографирования, и 3) уровня освещённости, с которых на дисплей прибора выводится следующая информация:

В верхней строке:
— индекс ультрафиолетового излучения (UVI) или мощность в мВт/см2;
— напряжение аккумулятора (в Вольтах) в первые 3 сек. после включения питания, затем уровень освещённости в люксах;
— символ батарейки, заполняемый пропорционально уровню заряда аккумулятора.
В основной части экрана выводится осциллограмма светового излучения с сеткой.
В нижней строке:
— коэффициент пульсаций светового излучения в %;
— частота пульсаций;
— скорость развертки.
В самом низу экрана выводится аналоговая шкала уровня осциллографируемого светового излучения для оценки его интенсивности.
Масштабирование осциллограммы по вертикали осуществляется автоматически. По горизонтали переключение скорости развертки по умолчанию после включения осуществляется автоматически (символ * после скорости развёртки). При кратковременном нажатии кнопки “ ” осуществляется выбор скорости вручную. При этом символ * после скорости развёртки исчезает. Повторное включение автоматического переключения скорости развёртки осуществляется одновременным нажатием кнопок “ ”. При нажатии и удержании кнопки “>” более 2 сек происходит фиксация всех показаний на дисплее (кроме символа батареи). Переход в режим замеров осуществляется по нажатию любой кнопки.
При отсутствии нажатия кнопок в течение 2 мин после включения питания происходит переход в энергосберегающий режим с выводом сообщения о выключении. В течение 5 секунд нажатием любой из кнопок можно отменить выключение. Для повторного включения прибора необходимо кратковременно нажать любую из кнопок или выключить и заново включить питание.

Схема электрическая прибора:

Для его удешевления выбран недорогой микроконтроллер DD1 STM32F050F4P в корпусе TSSOP20, имеющий на борту 16кБ Flash-памяти, 4кБ ОЗУ, АЦП с максимальной частотой выборок 1МГц, и обладающий быстродействием ядра до 48 МГц. На выбор главным образом повлияла очень низкая цена и довольно быстродействующий 12-разрядный АЦП.
Тактовый генератор микроконтроллера работает от кварца 4 МГц с умножением до 28 МГц. Данная частота выбрана для получения максимальной скорости выборок встроенного АЦП.
Для индикации использован дешевый и пока ещё доступный у ремонтников дисплей от серии телефонов Nokia 1202_1203_1280 с разрешением 96х68 пикс. Черно-белый дисплей выбран для удобства считывания с него данных при ярком солнечном свете, т.к. цветной дисплей в при таком интенсивном освещении становится практически нечитаемым. Выбранный дисплей имеет встроенную светодиодную подсветку, яркость которой можно установить подбором сопротивления резистора R25.
В качестве датчика для осциллографирования HL1 использован быстродействующий фотодиод SFH229, работающий в широком спектральном диапазоне 380. 1100 нм. Он подключен по типовой схеме к ОУ DA1.2 MCP6022. Коэффициент передачи для очень малых сигналов определяется сопротивлением резистора R6, а для больших – R1.
В качестве датчика ультрафиолетового излучения использован фотодиод HL2 GUVA-S12SD, работающий в диапазоне UV-B (240. 370нм), и имеющий нормированную характеристику индекса ультрафиолетового солнечного излучения. Данный фотодиод можно заказать в Китае, а можно аккуратно (двумя паяльниками) выпаять из готовой платы UV Sensor TOY0044 (слева) или SEN00700P (справа):

Такие готовые платы используются в качестве внешних модулей для Arduino и широко распространены в Интернет-магазинах. Схема включения фотодиода скопирована с платы TOY0044. Для усилителя сигнала использована вторая половинка ОУ DA1.2.
В качестве датчика освещенности DA4 использован очень дешевый аналоговый сенсор NOA1211 от On Semiconductor, представляющий собой совмещённые в одном корпусе фотодиод с усилителем с переключаемым коэффициентом усиления по выводам GB1, GB2. Поскольку у микроконтроллера задействованы все линии, GB1 и GB2 подключены к питающему напряжению, что соответствует минимальной чувствительности и самому широкому диапазону измерений от 0 до 100000 люкс. Токовый выход датчика нагружен на цепь R5, C6, с которой полученное напряжение подаётся на вход АЦП микроконтроллера.
Питание на датчики и дисплей подаётся через ключ VT1, управляемый микроконтроллером.
Напряжение питания составляет +3В, и формируется линейным стабилизатором DA3 MCP1700-3002E/TT, который через выключатель питания SA1 подключается к аккумулятору GB1. Резистор R17 предназначен для быстрой разрядки ёмкостей по цепи питания и сброса микроконтроллера, что ускоряет последующее включение.
Для зарядки аккумулятора использована специализированная микросхема DA2 MCP73831T-2ATI. Ток зарядки задаётся сопротивлением резистора R11 и в данном случае составляет 100 мА. Зарядка осуществляется от внешнего источника напряжением 5В, подключаемым к разъёму X1 miniUSB. Светодиоды HL3, HL4 служат для индикации процесса зарядки. Красный светодиод HL3 указывает на заряд, зелёный HL4 – на завершение.
Разъём X2 предназначен для программирования микроконтроллера через интерфейс USART. Если на выводе 1 (BOOT0) DD1 в момент подачи питания или после сброса присутствует лог.1 – задействуется внутренний бутлоадер для загрузки программы извне. Высокий уровень может быть сформирован как от программатора, так и установкой джампера на контакты разъёма X3 (справа по схеме). Для работы микроконтроллера на выводе 1 (BOOT0) DD1 должен присутствовать лог.0.
Прибор собран на односторонней печатной плате толщиной 1 мм с габаритами 58,5х43,5 мм, разработанной под стандартный пластиковый корпус Z69.

Источник