Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła

ghost666 16 Dec 2018 20:25 2088 14
  • Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła
    Pytanie: Czy z pomocą pojedynczego wzmacniacza pomiarowego (instrumentalnego) mogę zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła?

    Odpowiedź: Tak, wystarczy zamienić opornik ustawiający wzmocnienie tego rodzaju układu dwoma fotorezystorami.

    W wielu aplikacjach, w których trzeba mierzyć intensywność światła, pomiar względny jest istotniejszy niż poznanie bezwzględnych wartości natężenia. W ten sposób na przykład pomiar taki można wykorzystać do porównania jasności w dwóch pokojach, by możliwe było ustawienie jej w nich obydwu na takim samym poziomie przez np. cały dzień w czasie, gdy w jednym z nich zmienia się np. nasłonecznienie w ciągu dnia.

    Tego rodzaju sterowanie istotne jest nie tylko w pokojach, ale na przykład w systemach oświetlenia do widzenia maszynowego na linii produkcyjnej, gdzie chcemy zapewnić jednorodne oświetlenie np. z wielu kierunków, bądź w kilku strefach naszej linii produkcyjnej.

    Najprostszym podejściem do tego rodzaju pomiaru, byłoby wykorzystanie oczywiście dwóch sensorów natężenia światła i porównywanie ich odczytów, na przykład poprzez podanie napięć wyjściowych na wejścia wzmacniacza różnicowego, dzięki czemu na jego wyjściu otrzymalibyśmy różnicę napięć, czyli różnicę pomiędzy oboma natężeniami światła.

    Istnieje jednakże prostszy sposób na realizację tego rodzaju układu w oparciu o wzmacniacz pomiarowy. Na rysunku 1 pokazano przykładowy układ, w którym w miejsce opornika ustalającego wzmocnienie we wzmacniaczu instrumentalnym, wstawiono dwa fotooporniki, mierzące natężenia światła.

    Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła
    Rys.1. Schemat układu do pomiaru różnicy intensywności światła.


    W układzie rysunku 1 znajdują się dwa fotooporniki - R1 oraz R2. Są one odpowiedzialne za pomiar natężeń światła.

    Czym jest fotoopornik? W dużym uproszczeniu mówiąc, jest to pasywny element elektroniczny, którego rezystancja jest odwrotnie proporcjonalna do natężenia światła. Tego rodzaju fotooporniki mogą mieć różny kształt i wielkość, a także zakres rezystancji czułości etc. Tego rodzaju elementy są niezwykle praktyczne do wykorzystania w wielu urządzeniach - alarmach, sterownikach świateł etc.

    W większości wypadków rezystancja fotoopornika w ciemności jest bardzo wysoka, rzędy 1 MΩ, ale gdy tylko światło padnie na ten element, spada ona do dziesiątek kiloomów i niżej - np. do 10..20 kΩ dla 10 luksów i 2..4 kΩ dla 100 luksów - dla przykładowego modelu fotoopornika.

    W przykładzie wykorzystani fotorezystor z RadioShack (numer katalogowy 276-1657). Zdjęcie tego elementu widzimy na rysunku 2.

    Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła
    Rys.2. Przykładowy fotoopornik (z katalogu RadioShack, nr. katalogowy 276-1657).


    Schemat pokazany na rysunku 1 wykorzystuje dwa fotooporniki i wzmacniacz pomiarowy AD623. Fotorezystor R1 jest naszym punktem odniesienia, załóżmy, że znajduje się on w pomieszczeniu referencyjnym. Jeśli porównujemy większą ilość natężeń światła, to powinniśmy wykorzystać natężenie tego światła we wszystkich pomiarach.

    Pomiar można realizować w dowolnym czasie, ale pamiętajmy, że fotoopornik nie jest szczególnie szybkim elementem. W przypadku wykorzystanego tutaj modelu, zmiana rezystancji zajmuje od 8 do 12 milisekund od zmiany natężenia światła. Po zgaszeniu wszystkich świateł, powrót do początkowej rezystancji zająć może nawet kilka sekund.

    Projekt pokazany na rysunku 1 jest bardzo prosty. System zasilany jest napięciem symetrycznym ±5 V. Na obu wejściach podane jest to samo napięcie VIN, dzięki czemu na obu fotoopornikach występuje to samo napięcie względem masy układu, która podpięta jest do drugiego terminala obu fotooporników w układzie.

    Jeżeli na oba fotorezystory padać będzie takie samo natężenie światła, to różnica płynącego przez nie prądu wynosić będzie także zero, ponieważ obie rezystancje będą sobie równe. To z kolei sprawi, że napięcie wyjściowe z wzmacniacza różnicowego wyniesie zero. W momencie, gdy pokoje będą oświetlone w różny sposób, pojawi się różnica w natężeniach światła, co przełoży się na zmianę napięcia na wyjściu wzmacniacza pomiarowego. Polaryzacja tego napięcia powie nam, gdzie jest jaśniej - jeśli napięcie wyjściowe będzie dodatnie, to więcej światła pada na opornik drugi, a jeśli ujemne, to na pierwszy.

    Na rysunku 3 zaprezentowano przebieg wyjściowy z prezentowanego układu. Napięciem wejściowym w tym przypadku jest przebieg prostokątny o napięciu międzyszczytowym równym 1 V. Obecne na wyjściu napięcie około 2 V wskazuje, że źródło światła znajdujące się w pokoju numer dwa jest jaśniejsze.

    Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła
    Rys.3. Napięcie wyjściowe z układu do pomiaru jasności względnej.


    Do układu z rysunku 1 podłączono na wyjście dwie diody LED - żółtą i czerwoną. Podłączone są one antysymetrycznie pomiędzy wyjście wzmacniacza a masę, dzięki czemu w momencie, gdy napięcie będzie wyższe od zera, zapali się dioda czerwona, a gdy niższe od zera - dioda żółta. Jasność diody będzie odpowiadała różnicy w jasności pomiędzy badanymi pomieszczeniami.

    W momencie, gdy w obu pokojach będzie takie samo natężenie światła, napięcie wyjściowe wynosić będzie około 0 V, to obie diody LED będą zgaszone.

    Napięcie wyjściowe z układu opisane jest w tym przypadku następującym równaniem:

    $$V_{OUT} = V_{IN} \times 50 k\Omega \times ( \frac {1} {LDR_1} - \frac {1} {LDR_2})$$

    Po skalibrowaniu układu - zakładając, że natężenie w pokoju odniesienia nie zmienia się i chcemy utrzymać konkretny poziom jasności, to możliwa jest wymiana fotoopornika R1 na zwykły rezystor, który będzie miał taką samą rezystancję jak fotorezystor przy natężeniu, jakie chcemy uzyskać.

    Tego rodzaju układ można wykorzystać na przykład do wyszukiwania kierunku, z którego pada światło. Tego rodzaju sensory wykorzystywane są na przykład w trackerach solarnych, które sterują ruchem ogniw fotowoltaicznych, śledzących położenie słońca na niebie.

    Powyższy układ jest prosty w budowie i pozwala na łatwy pomiar względnego natężenia światła z pomocą dwóch fotooporników. Układ pobiera niewielkie napięcie i może być zasilany z dwóch baterii paluszków.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-160.html

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11515 posts with rating 9740, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • #2
    wit0000
    Level 6  
    Ja jestem emerytowany Górnikiem i tak bardzo to się na tym nie znam. Ale jako prosty chłop tobym zmierzył najpierw jedną intensywność światła, następnie drugą, wykonując zwykłe działanie odejmowanie daje różnice.
    Pozdrawiam i przepraszam jak nie o to chodziło.
  • #3
    viayner
    Level 42  
    Witam,
    ciekawe podejscie ale czym to sie bedizie roznilo od ukladu w ktorym zamienimy fotorezystory na wejscia odwracajace i nieodwracajace a "sygnal przelaczajacy" na rezystor wzmocnienia ?
    Dodatkowe pytanie a w czym ten uklad bedzie lepszy od zwyklego OA w konfiguracji roznicowej gdzie na wej + i - sa dolaczone fotorezystory zasilane ze zrodla sygnalu przelaczajcego ?
    Pozdrawiam
  • #4
    jamcijest
    Level 12  
    Nie wchodząc w szczegóły, jakim opornikiem, rezystorem itd. Interesująca jest dla mnie automatyka tego rozwiązania. I tak np.: jeśli rozłożę ,,czujniki" po dużej np.: sali, gdzie przez okna, dochodzić może dodatkowe światło, światła, np.: wstającego słońca, ale nie od razu na całą salę, tylko w jej fragmencie. I tu ,,automat" dorzuci mi Luxów, w kąty, gdzie jeszcze słoneczko nie dociera. I z powrotem. Słoneczko odchodzi, w pewnych częściach sali, mrocznieje, ale nie, bo układ czuwa i dokłada. Suuuper!
  • #5
    viayner
    Level 42  
    Witam,
    w tym wypadku mozna mowic tylko o srednim poziomie swiatla, mozna by rozwazyc integrator, calkowanie w czasie i po powierzchni ale to juz rozbudowa ukladu.
    Pozdrawiam
  • #6
    ArturAVS
    Moderator HP/Truck/Electric
    Ja mierzyłem swoim okiem. Oświetlenie 3x100W żarowe, książkę słabo się czytało. Zmieniłem na Led 3x 20W. Widzę jak przy świetle słonecznym.

    Każdy użytkownik patrzy na obiektywną intensywność swoim okiem.
    Nikt podejrzewam nie będzie kupował sprzętu pomiarowego, aby sobie w domku zmierzyć poszczególne źródła oświetlenia.
    A już tym bardziej bawił w różnicowe pomiary. Bardziej jakieś labolatorium pomiarowe czy inna instytucja.

    Aczkolwiek sama zasada pomiaru różnicowego została w przystępny sposób wyjaśniona.

    Co innego taki np. BHPowiec. Ma sprzęt, to zmierzy czy na odpowiednim stanowisku pracy jest odpowiednie oświetlenie.
  • #7
    Janusz_kk
    Level 36  
    Fotooporniki są bez sensu, raz że wolne, dwa mają dość duży rozrzut parametrów, trzy starzeją się. To dyskwalifikuje zastosowanie układu w
    ghost666 wrote:
    systemach oświetlenia do widzenia maszynowego na linii produkcyjnej


    Prostota układu jest w tym momencie wadą.
  • #8
    Joseline
    Level 10  
    Janusz_kk wrote:
    Fotooporniki są bez sensu, raz że wolne, dwa mają dość duży rozrzut parametrów, trzy starzeją się. To dyskwalifikuje zastosowanie układu w
    ghost666 wrote:
    systemach oświetlenia do widzenia maszynowego na linii produkcyjnej


    Prostota układu jest w tym momencie wadą.


    Całkowicie z tym zgadzam się.

    Jeżeli chodzi o prostotę rozwiązania to nie rozumiem po co w ogóle potrzebny jest wzmacniacz?
    Do wspomnianych rozwiązań wystarczyłoby mierzyć opór fotorezystora albo napięcie z fotodiody miernikiem.

    Znacznie lepszym rozwiązaniem jeżeli chodzi o rzetelny pomiar, będzie zastosowanie fotodiody.
    Nie będzie to oczywiście jeden wzmacniacz pomiarowy, natomiast można go wykonać na 3 wzmacniaczach różnicowych w jednej obudowie.

    Rzadko zadawane pytania: jak zmierzyć różnicę intensywności dwóch źródeł światła
    http://www.ti.com/ww/en/analog/Amplifiers-eBook/

    Trochę wiedzy na temat zastosowania wzmacniaczy do fotodiod można zaczerpnąć z Application Note od Burr-Brown zatytułowanego „Photodiode monitoring with OP amps” dostępnego obecnie na stronie TI http://www.ti.com/general/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=sboa035

    Dla tych kto zaczyna swoje przygody z fotodiodami, polecam „Photodiode Tutorial” od THORLABS
    https://www.thorlabs.com/tutorials.cfm?tabID=787382FF-26EB-4A7E-B021-BF65C5BF164B
  • #9
    j570
    Level 13  
    Właśnie fotorezystor będzie tu najlepszy. Jego powolność jest tu zaletą. Jeśli będziesz miał światło stroboskopowe np. świetlówki, to w zależności od faz zapalania zobaczysz cuda na wyjściu.
  • #10
    bonanza
    Power inverters specialist
    Czytałem w gazecie KOBIECEJ z początku XX w. - genialno-prosty sposób porównania 2 źródeł światła. Weź biały papier, zrób tłustą plamę. Plama w świetle padającym jest ciemna, ponieważ tłuszcz przepuszcza światło, które z tego powodu się nie odbija od kartki. Popatrz na kartkę oświetloną z drugiej strony - plama jest jaśniejsza, z tego samego powodu. Teraz ustaw oba porównywane źródła światła w jednej linii (zwykle dwa punkty mieszczą się na jednej linii) i po tej linii przesuwaj papier z plamą, aż stanie się ona niewidoczna. Zmierz odległości papieru od obu lamp: moce lamp są w takiej proporcji, jak kwadraty odległości (intensywność światła spada z kwadratem odległości). OKDR fototranzystory.
  • #11
    jamcijest
    Level 12  
    Dwoma Luxomierzami, zapewne. Lub jednym, dwukrotnie.
  • #12
    wit0000
    Level 6  
    Myślę że jednym Luxomierzem. Dlaczego???.
    Dlatego że każde urządzenie pomiarowe ma jakąś skalę niedokładności, a więc jak to zrobimy tylko jednym to ta sama skala niedokładności będzie taka sama w obu pomiarach. A po co kupować, albo pożyczać drugie urządzenie spewnością innej firmy i inny model.
  • #13
    jamcijest
    Level 12  
    Pewnego razu, otrzymałem zadanie wyprodukowania pewnej ilości takich opraw, do lamp sodowych (nie pamiętam symboli) o mocy 400 Watt każda. Każda oprawa miała tak rozkładać światło na powierzchni odbierającej, aby ilości światła były równomiernie rozłożone. Nie miałem środków na jakieś wymyślne ekscesy. Pieniążków wystarczyło jeno, na LS 400 produkcji Zakładu Lamp Elektronowych ,,Polam"(zdaje się, że przypomniałem sobie!), dławiki, startery i kostki zaciskowe. Reszta, to cienka blacha duraluminiowa, której właściwości odblaskowe, tylko w początkowej fazie, były, ,,jakie takie"! Wymyśliłem odbłyśnik, o kształcie lecącej kartki papieru o formatce A3, zgiętej w połowie tak, że skrzydła, formatów A4 , patrząc od tyłu(?) dawały wrażenie, lecącego ptaka. Zgięcie ustawione do osi lampy, równolegle, dawały odbłysk w dół na powierzchnię, równomiernie. I o to chodziło. Pomiary natężenia światła, wykonywałem Luxomierzem i pamiętam, że udało mi się, całkiem nieźle. Dzisiaj, po latach, jeszcze spotykam w tym miejscu, owe wypociny, ręcznej roboty, ,,na kolanie"!
  • #14
    Joseline
    Level 10  
    j570 wrote:
    Właśnie fotorezystor będzie tu najlepszy. Jego powolność jest tu zaletą. Jeśli będziesz miał światło stroboskopowe np. świetlówki, to w zależności od faz zapalania zobaczysz cuda na wyjściu.


    'Cuda' będą widoczne w pomiarze oscyloskopem.
    Jeżeli światło ma składową AC to wystarczy przełączyć miernik w odpowiedni tryb z nazwą AC. Z resztą, do takich zastosowań został on stworzony.
    Można również zastosować filtr dolnoprzepustowy.
  • #15
    jamcijest
    Level 12  
    Tego jeszcze nie robiłem. Ale przecież oscyloskop, jest narzędziem uniwersalnym. Zależy, co i jak ma podane.