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内容
如何将光强度转换为一个电学量
2019-10-14 10:44:31
来源:
Thomas Brand,ADI公司
问题:
如何
测量
不同光源的光强度?
回答:
拿一只红光、绿光、蓝光LED。
光强度的确定可能至关重要,例如,在设计房间的照明或准备拍摄照片时。在
物联网
(IoT)时代,确定光强度对于所谓智能农业也有着重要作用。在这种情况下,一项关键任务是监测和控制重要的植物参数,以促进植物最好地生长并加速光合作用。因此,光是最重要的因素之一。大多数植物通常吸收可见光谱中红光、橙光、蓝光和紫光波长的光。光谱中绿光和黄光波长的光一般会被反射,对植物生长的贡献不大。通过控制不同生长阶段中的部分光谱和光照射强度,可以使生长最大化,最终提高产量。
图1显示了一个用于
测量
可见光谱范围内的光强度的电路设计,用于植物光合作用的实验。这里使用了三种不同颜色的光电二极管(绿光、红光和蓝光),它们响应不同的波长。通过光电二极管
测量
的光强度现在可以用来根据具体植物的要求控制光源。
所示电路由三个精密的电流-电压转换器(跨导放大器)组成,每种颜色(绿光、红光和蓝光)对应一个。电流-电压转换器的输出连接到Σ-Δ模数转换器(ADC)的差分输入,从而将
测量
值作为数字数据提供给微控制器以做进一步处理。
光强度转换为电流
根据光强度,会有或多或少的电流流过光电二极管。电流和光强度之间的关系近似为线性,如图2所示。图中显示了红光(CLS15-22C/L213R/TR8)、绿光(CLS15-22C/L213G/TR8)和蓝光(CLS15-22C/L213B/TR8)光电二极管的输出电流与光强度的特性曲线。
图
1.用于
测量
光强度的电路设计
图2.红光、绿光和蓝光光电二极管的电流与光强度的特性曲线
然而,红光、绿光和蓝光二极管的相对灵敏度是不同的,因此每级的增益必须通过反馈电阻R
FB
单独确定。为此,必须从数据手册中获取每个二极管的短路电流(I
SC
),然后在由其确定的工作点处获得灵敏度S (pA/lux)。R
FB
计算如下:
V
FS,P-P
表示所需的全输出电压范围(满量程、峰峰值);INT
MAX
表示最大光强度,对于直射阳光,其为120,000 lux。
电流-电压转换
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,因为光电二极管的输出电流在皮安范围,偏置电流较大会造成相当大的误差。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1 pA,失调电压最大值为1 mV。
模数转换
为了进一步处理
测量
值,光电二极管电流转换成电压后必须作为数字值提供给微控制器。为此可以使用具有多个差分输入的ADC,例如16位ADC AD7798。因此,
测量
电压的输出码如下:
此方程不对,应改为:
数字码
G
AI
N
其中
A
IN
= 输入电压,
N = 位数,
G
AI
N = 内部放大器的增益系数,
V
REF
= 外部基准电压。
为了进一步降低噪声,ADC的每个差分输入端均使用共模和差分滤波器。
所述的全部元器件都非常省电,使得该电路非常适合电池供电的便携式现场应用。
结论
必须考虑诸如器件的偏置电流和失调电压之类的误差源。而且,ADC转换器内部的放大因子会影响信号质量(跨导放大器的失调电压会乘以ADC内部的增益,使失调电压的误差放大),从而影响最终的采样结果。采用图1所示电路可以相对轻松地将光强度转换为电学值,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。
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