Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Еще проще, чем датчики температуры и давления, изготовляется фотометрический датчик, часто называемый люксметром, но на самом деле выполняющий гораздо более широкие функции.

Измерение параметров светового излучения является очень сложной задачей, особенно если отсутствует четкое представление о том, что и каким образом надо измерять. Даже в самых серьезных лабораториях иногда могут быть получены обескураживающие результаты из-за того, что при измерениях пренебрегли оформлением четкого протокола.

Надо знать, что основной величиной в фотометрии является сила света источника излучения, измеряемая в канделах. Люкс, более известная единица, на самом деле является единицей измерения освещенности, а это принципиально разные величины.

Для получения освещенности в один люкс экран площадью один квадратный метр должен быть расположен на расстоянии одного метра от точечного источника излучения, однородно излучающего свет во всех направлениях (сила света составляет одну канделу).

Строго говоря, экран должен иметь форму сферического сегмента площадью один квадратный метр, а не плоского квадрата со сторонами в один метр. В таком случае каждая точка экрана будет расположена на одинаковом расстоянии (1 м) от источника. Это важно, так как освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. В указанных условиях область пространства, ограниченная прямыми, которые соединяют источник с линией, образующей периметр экрана, представляет собой «телесный угол» в один стерадиан и заключает световой поток в один люмен. Следовательно, освещенность в один люкс соответствует световому потоку в один люмен, падающему на один квадратный метр площади.

Освещенный подобным образом экран будет отражать, по меньшей мере, часть падающего на него света. Таким образом, он обладает некоторой яркостью, выражаемой в канделах на квадратный метр единицах, называемых нит (нт). Именно эту яркость измеряют экспонометрами в фотографии, тогда как люксметрами измеряют количество света, падающего на поверхность (например, на рабочий стол).

Связь между этими двумя величинами весьма сложна, поскольку основана на отражающих свойствах экрана и зависит от его альбедо (белизны) — величины, характеризующей способность тела отражать падающий на него световой поток, — а также от угла наблюдения экрана. К примеру, в фотографии обычно предполагают, что «средний» объект отражает не более 18 % падающего на него света.

Для того чтобы читатели правильно поняли процесс калибровки нижеописанного прибора, в табл. 6.2 приведены некоторые величины освещенности, получаемые определенной поверхностью в различных природных условиях. Можно убедиться, что динамический диапазон освещенностей достаточно велик.

Таблица 6.2. Некоторые реперные точки фотометрии

В табл. 6.3 приводятся соотношения между основными единицами яркости, применяемыми на практике.

Таблица 6.3. Соотношение между основными единицами яркости

Как с инженерной точки зрения, так и с точки зрения практической электроники все фотометрические измерения производятся с помощью фотоэлектрической ячейки. Однако когда из результатов этих измерений, полученных в вольтах, нужно получить величины силы света, освещенности, светового потока или яркости, надо подходить к этому с точки зрения физика.

Один из самых простых фотометрических датчиков — это фотодиод. Если его включить как фотовольтаическую ячейку, то его ток короткого замыкания будет почти прямо пропорционален освещенности. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но все не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода.

PIN-фотодиод из монокристаллического кремния — например, широко распространенный элемент BPW 34 — имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зеленый фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого образца). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны».

Из подобных элементов строятся ячейки солнечных батарей, которые обычно предназначены для использования в системах электропитания малой мощности, но эти фотоэлементы также могут быть отличными фотометрическими датчиками!

Несмотря на ощутимую разницу в размерах, фотодиод BPW 34 и самая маленькая из ячеек SOLEMS имеют сопоставимую чувствительность. Так, при освещенности 1000 люкс BPW 34 формирует ток короткого замыкания около 65 мкА, а ячейка SOLEMS 05/048/016 — около 95 мкА.

Различие заключается в том, что батарея SOLEMS состоит из пяти обычных диодов, включенных последовательно, что позволяет увеличить генерируемое ею напряжение. При коротком замыкании напряжения нет вовсе, тогда как отдаваемый ток определяется элементом батареи с наименьшей площадью (в среднем около 1,2 см²).

Отметим, однако, что фотодиод BPW 34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм².

Все это означает, что, применяя нестандартную схему подстройки, в нижеописанном устройстве можно использовать и фотодиод BPW 34 (производства компании Siemens или Centronic), и солнечную батарею SOLEMS. Последний вариант более предпочтителен при измерениях освещенности, результат которых, выраженный в люксах, должен быть точным, a BPW 34 — в случаях, когда нужен датчик очень маленьких размеров (в частности, при измерениях оптической плотности).

При условии работы с монохроматическим излучением (красный светодиод, полупроводниковый или иной лазер) люксметр позволяет определять светопередачу любого полупрозрачного объекта (фильтр, пластмассовая пленка, определенная область на фотонегативе и т. п.). Достаточно отрегулировать измерительную цепь так, чтобы обеспечить индикацию светопередачи, равную 1,00 при прямой видимости, и тогда после размещения объекта между источником света и фотодиодом с индикатора можно считывать непосредственно показания уровня светопередачи.

Используя полученный результат, легко рассчитать оптическую плотность светового потока: она с точностью до знака равна десятичному логарифму величины светопередачи.

Принципиальная схема люксметра, приведенная на рис. 6.16, повторяет классическое схемное решение, описанное в различных руководствах по применению операционных усилителей.

Рис 6.16. Принципиальная схема люксметра

Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада U в таком случае будет определяться как U = R·I, где R — сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I — фототок, формируемый фотодиодом.

С учетом коэффициента усиления второго каскада, регулируемого в пределах от 1 до 11, четыре переключаемых резистора в цепи обратной связи первого каскада позволят успешно перекрыть пределы 50, 500,5000 и 50 000 люкс при выходном напряжении 5 В. Естественно, эти величины могут быть переопределены пользователем — путем изменения либо номиналов резисторов, либо коэффициента усиления второго каскада.