如何將光強度轉換為一個(gè)電學(xué)量

問(wèn)題：

如何測量不同光源的光強度？

回答：

拿一只紅光、綠光、藍光LED。

光強度的確定可能至關(guān)重要，例如，在設計房間的照明或準備拍攝照片時(shí)。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，確定光強度對于所謂智能農業(yè)也有著(zhù)重要作用。在這種情況下，一項關(guān)鍵任務(wù)是監測和控制重要的植物參數，以促進(jìn)植物最好地生長(cháng)并加速光合作用。因此，光是最重要的因素之一。大多數植物通常吸收可見(jiàn)光譜中紅光、橙光、藍光和紫光波長(cháng)的光。光譜中綠光和黃光波長(cháng)的光一般會(huì )被反射，對植物生長(cháng)的貢獻不大。通過(guò)控制不同生長(cháng)階段中的部分光譜和光照射強度，可以使生長(cháng)最大化，最終提高產(chǎn)量。

圖1顯示了一個(gè)用于測量可見(jiàn)光譜范圍內的光強度的電路設計，用于植物光合作用的實(shí)驗。這里使用了三種不同顏色的光電二極管（綠光、紅光和藍光），它們響應不同的波長(cháng)。通過(guò)光電二極管測量的光強度現在可以用來(lái)根據具體植物的要求控制光源。

所示電路由三個(gè)精密的電流-電壓轉換器（跨導放大器）組成，每種顏色（綠光、紅光和藍光）對應一個(gè)。電流-電壓轉換器的輸出連接到Σ-Δ模數轉換器(ADC)的差分輸入，從而將測量值作為數字數據提供給微控制器以做進(jìn)一步處理。

光強度轉換為電流

根據光強度，會(huì )有或多或少的電流流過(guò)光電二極管。電流和光強度之間的關(guān)系近似為線(xiàn)性，如圖2所示。圖中顯示了紅光(CLS15-22C/L213R/TR8)、綠光(CLS15-22C/L213G/TR8)和藍光(CLS15-22C/L213B/TR8)光電二極管的輸出電流與光強度的特性曲線(xiàn)。

圖1.用于測量光強度的電路設計

圖2.紅光、綠光和藍光光電二極管的電流與光強度的特性曲線(xiàn)

然而，紅光、綠光和藍光二極管的相對靈敏度是不同的，因此每級的增益必須通過(guò)反饋電阻RFB單獨確定。為此，必須從數據手冊中獲取每個(gè)二極管的短路電流(ISC)，然后在由其確定的工作點(diǎn)處獲得靈敏度S (pA/lux)。RFB計算如下：

VFS,P-P表示所需的全輸出電壓范圍（滿(mǎn)量程、峰峰值）；INTMAX表示最大光強度，對于直射陽(yáng)光，其為120,000 lux。

電流-電壓轉換

高質(zhì)量的電流-電壓轉換要求運算放大器的偏置電流盡可能小，因為光電二極管的輸出電流在皮安范圍，偏置電流較大會(huì )造成相當大的誤差。失調電壓也應很小。ADI公司的AD8500是此類(lèi)應用的理想選擇，其偏置電流典型值為1 pA，失調電壓最大值為1 mV。

模數轉換

為了進(jìn)一步處理測量值，光電二極管電流轉換成電壓后必須作為數字值提供給微控制器。為此可以使用具有多個(gè)差分輸入的ADC，例如16位ADC AD7798。因此，測量電壓的輸出碼如下：

 此方程不對，應改為：

數字碼

GAIN

其中

AIN = 輸入電壓，

N = 位數，

GAIN = 內部放大器的增益系數，

VREF = 外部基準電壓。

為了進(jìn)一步降低噪聲，ADC的每個(gè)差分輸入端均使用共模和差分濾波器。

所述的全部元器件都非常省電，使得該電路非常適合電池供電的便攜式現場(chǎng)應用。

結論

必須考慮諸如器件的偏置電流和失調電壓之類(lèi)的誤差源。而且，ADC轉換器內部的放大因子會(huì )影響信號質(zhì)量（跨導放大器的失調電壓會(huì )乘以ADC內部的增益，使失調電壓的誤差放大），從而影響最終的采樣結果。采用圖1所示電路可以相對輕松地將光強度轉換為電學(xué)值，以供進(jìn)一步數據處理。

Thomas Brand

Thomas Brand [thomas.brand@analog.com]于2015年在德國慕尼黑加入ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。