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如何将光强度转换为一个电学量

时间:2019-09-16 作者:Thomas Brand,ADI公司 阅读:
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?

答:拿一只红、绿、蓝光LED。

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。

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。

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。

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。

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图1:用于测量光强度的电路设计。

005ednc20190916

图2:红、绿、蓝光光电二极管的电流光强特性曲线

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RFB

002ednc20190916

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。

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。

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:

003ednc20190916

其中,

AIN=输入电压,

N=位数,

GAIN=内部放大器的增益系数,

VREF=外部基准电压。

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。

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。

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。

(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。)

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

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