广告

如何将光强度转换为一个电学量

2019-09-16 Thomas Brand,ADI公司 阅读:
如何将光强度转换为一个电学量
在设计房间照明或准备拍摄照片时,光强度的确定可能至关重要。在物联网(IoT)时代,确定光强度对所谓的智能农业来说也有着重要作用。在这种应用中,一项关键任务是对重要的植物参数进行监测和控制,以便促进植物最好地生长并加速光合作用。

问:如何测量不同光源的光强度?6m1ednc

答:拿一只红、绿、蓝光LED。6m1ednc

在设计房间照明或准备拍摄照片时,光强度的确定可能至关重要。在物联网(IoT)时代,确定光强度对所谓的智能农业来说也有着重要作用。在这种应用中,一项关键任务是对重要的植物参数进行监测和控制,以便促进植物最好地生长并加速光合作用。因此,光是最重要的一个因素。大多数植物通常会吸收可见光谱中的红、橙、蓝、紫等色波长的光。光谱中绿色和黄色波长的光一般会被反射,对植物生长的贡献不大。在不同生长阶段对部分光谱和光照射强度进行控制,可以使生长最大化,并最终提高产量。6m1ednc

图1所示电路设计可用于测量可见光谱范围内对植物光合作用起作用的光强度。这里使用了三种不同颜色的光电二极管(绿、红、蓝),可响应不同的波长。现在就可以使用光电二极管所测量到的光强信号,根据具体植物的要求控制光源。6m1ednc

图示电路由三个精密电流电压转换器(跨导放大器)组成,每种颜色(绿、红、蓝)对应一个。电流电压转换器的输出作为Σ-Δ模数转换器(ADC)的差分输入,从而将测量值以数字数据的形式提供给微控制器做后续处理。6m1ednc

光强转换为电流

根据光强不同,光电二极管中会有或多或少的电流流过。电流和光强之间的关系近似呈线性,如图2所示。图中显示了输出电流随红光(CLS15-22C/L213R/TR8)、绿光(CLS15-22C/L213G/TR8)和蓝光(CLS15-22C/L213B/TR8)光电二极管光强变化的特性曲线。6m1ednc

004ednc201909166m1ednc

图1:用于测量光强度的电路设计。6m1ednc

005ednc201909166m1ednc

图2:红、绿、蓝光光电二极管的电流光强特性曲线6m1ednc

然而,红、绿、蓝光二极管的相对灵敏度不同,因此每级的增益必须通过反馈电阻RFB单独确定。为此,每个二极管的短路电流(ISC)必须从数据手册获取,然后就可以通过它确定工作点处的灵敏度S(pA/lux)。再然后,就可以通过公式1计算RFB6m1ednc

002ednc201909166m1ednc
6m1ednc

其中,VFS,P-P表示期望的全输出电压范围(满量程、峰峰值);INTMAX表示最大光强度,对于直射阳光,其值为120,000lux。6m1ednc

电流电压转换

由于光电二极管的输出电流在皮安范围,因此高质量的电流电压转换要求运算放大器的偏置电流尽可能小,这样就可以产生相当大的误差。失调电压也应很小。ADI公司的AD8500是此类应用的理想选择,其偏置电流典型值为1pA,失调电压最大值为1mV。6m1ednc

模数转换

为了进一步处理测量值,在将光电二极管的电流转换成电压后,还必须以数字值的方式提供给微控制器。为此可以使用带多个差分输入的ADC,例如16位ADC AD7798。因此,被测电压的输出码如下:6m1ednc

003ednc201909166m1ednc
6m1ednc

其中,6m1ednc

AIN=输入电压,6m1ednc

N=位数,6m1ednc

GAIN=内部放大器的增益系数,6m1ednc

VREF=外部基准电压。6m1ednc

为了进一步降低噪声,在ADC的每个差分输入端均使用了共模和差分滤波器。6m1ednc

上述全部元器件都非常省电,这使得该电路非常适合于以电池供电的便携式现场应用。6m1ednc

结论

元器件的偏置电流和失调电压等误差源必须予以考虑。此外,转换器级的放大系数若不理想,则会影响信号质量,从而影响电路结果。采用图1中的电路,可以以较简单的方式将光强转换为电学值,以供进一步数据处理。6m1ednc

(作者简介:Thomas Brand,于2015年在德国慕尼黑加入ADI公司,当时他还在攻读硕士。毕业后,他参加了ADI公司的培训生项目。2017年,他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持,并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。)6m1ednc

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。6m1ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 为何从不曾在高压电线上看到鸟儿? 我们经常看到成群的鸟儿栖息在树上、屋顶上、各区域的电线杆电线上,甚至无线电天线上。然而,我发现我从未看过鸟类停在高压电线上休息…这是为什么呢?
  • 如何在嘈杂的环境中改善EV/HEV电池的健康状况 电动汽车/混合动力汽车中的噪声源具有不同频率和不同振幅,这使得如何更好地对其进行过滤成为了一个难题,从而不影响对电池电压、温度和电池组电流的测量。测量误差可能导致各种后果,包括错误报告电池充电状态、可能的过度充电和过度电池放电,这都可能会影响驾驶员、乘客和车辆的安全。
  • 创建高性价比的多功能锂离子电池测试解决方案 鉴于对锂离子电池的需求越来越多样化,因此我们迫切需要高性能、灵活的测试解决方案,从而最大限度地权衡利弊并实现成本效益。
  • 比亚迪进军无人机,能否成为大疆最强的对手 这几天,比亚迪成立新公司,进军无人机行业的事情在行业内被挖出来了。有人说比亚迪一个做汽车的公司怎么可能与大疆抗衡。我们从多个方面进行了分析。
  • 电源领域新宠:WBG组件 持续成长的功率半导体组件需求正推动WBG组件市场的成长,各家业者持续投资SiC与GaN材料与晶圆片的开发与量产。而WBG市场将往什么方向发展?谁在其中扮演要角?这些业者又如何克服数十年来WBG组件面临之高成本、低产量以及有限的供应链等挑战?
  • 如何为汽车电子系统提供供电和保护 通过总结上个世纪的经验,汽车制造商对会干扰运行、造成损坏的电子状况和瞬变进行了分类。国际标准化组织(ISO)对这些行业知识进行编译,制定出适用于道路车辆的ISO 16750-2和ISO 7367-2规范。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了