简易数字照度计的设计与实现

李　伟，刘昭廷，吕靖薇，张丽巍，刘松江，宋利伟

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江 大庆 163318)

简易数字照度计的设计与实现

李伟1,2，刘昭廷1,2，吕靖薇1,2，张丽巍1,2，刘松江1,2，宋利伟1,2

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江 大庆 163318)

摘要：基于UI202可见光照度传感器设计了成本低、体积小、动态范围大、操作方便的简易照度计. 通过对UI202的光照特性进行测量，得出输出电流和光强的关系，并通过电流电压转换技术，将输出电流转换成电压信号，再利用低漂移、低功耗仪表放大器AD620芯片对电压信号进行调理，使其输出电压信号与标准照度计进行对应，最后可得到动态范围为0～7 000 lx的照度计.

关键词：UI202；光照特性；照度计

光照度是衡量环境的重要指标，而照度计是进行照度测量的专用仪器，在现代工农业生产以及日常生活中，对于非高精度要求的用户而言费用较高. 目前市场上的照度计测量探头大多使用硅光电池，为使得硅光电池的光谱响应与人眼相一致，需要特殊的滤光片对入射光进行修正，以达到光度学的测量要求. 目前市面上照度计的设计成本高、操作繁琐，本文采用UI202可见光照度传感器为核心部件，外加信号调理模块和数显模块制成了简易数字照度计，它具有制作简单、原理易懂、操作方便、成本低的优点，不需任何辅助器件就能够完成照度测量.

1设计原理

UI202是低成本的可见光照度传感器，它具有接近人眼光谱光视效率曲线的光谱响应曲线，内部集成光学过滤器，对红外线有很强的抵抗性，其光谱响应曲线如图1所示. 动态范围由外接电阻和电源电压决定(10 kΩ和5 V条件下可以给出0～2 000 lx动态范围，如果用1 kΩ外接电阻，则可以达到7 000 lx)，内部的暗电流抑制措施，可以在全温度工作范围内提供高精度，即使在较低照度水平也表现良好.

图1　UI202传感器的光谱响应曲线

数字照度计的整体设计方案如图2所示，以UI202传感器为核心，利用其光照特性得到照度和电压之间关系，再利用信号调理模块对电压信号进行调理，使其输出电压信号与标准照度计进行对应，最后利用数显模块进行显示.

图2　整体设计方案框图

2UI202的光电特性及测试原理

通过测量UI202照度传感器的输出电流、输出电压与光照强度之间的关系，得到UI202照度传感器的光照特性，测试电路见图3，可以通过选择合适的RSS，或者不同的VDD，使其工作在所需要的光照度范围. 通常选择电阻在1 kΩ～1 MΩ.

图3　电路原理图

光照强度的变化会引起传感器的变化，从而影响电路电流及电压值的分布，通过电流表测量电路电流，可得到输出电流与光照强度的关系. 图4为当RSS取1 kΩ时，输出电流与光照强度的关系曲线，由图4可知其具有较好的线性度.

图4　输出电流与照度关系

在输出电流与光强成线性关系的基础上，通过串联电阻将电流转换成电压，可得到其光照特性，如图5所示，从图5可以看出，输出电压随着光照强度的增加而线性增加，当照度达到7 000 lx时，电压趋于饱和.

图5　输出电压与照度关系

3照度计测试

通过测量UI202照度传感器的输出电流、输出电压与光照强度之间的关系，得到UI202照度传感器的光照特性. 利用UI202光照度传感器的光照特性，通过电压对照度进行反应，最后对照度计进行设计. 通过对电阻阻值(1 kΩ,10 kΩ和25 kΩ)的选取，可以设计得到不同量程的照度计，如图6所示. 当RSS=1 kΩ时，照度可达到7 000 lx；当RSS=10 kΩ时，照度可达到2 000 lx；当RSS=25 kΩ时，照度可达到1 000 lx.

图6　测试曲线

本实验使用的信号调理模块由低漂移、低功耗仪表放大器AD620构成，如图7所示. 输出电压UO为

图7　放大器AD620原理图

UO=G(U+IN-U-IN),

(1)

式中G是增益，且

(2)

调节增益调节电位器RG即可以改变模块的增益，利用泰仕电子工业股份有限公司生产的标准数字式照度计TES-1330A做标注，最后通过数显模块进行显示，如图8所示.

从图8中可以看出，相对示值误差Er=±8%，符合JJG 245-2005光照度计检定规程中二级照度计规定要求. 简易数字照度计的实物照片如图9所示.

图8　信号调理后的测试曲线

图9　数字照度计实物照片

4结束语

本文通过对UI202照度传感器的光照特性进行测量，得到其变化规律，基于此规律，开发了低成本、操作简单的数字照度计. 该照度计的量程可通过开关控制不同的接入电阻的选取不同的量程，量程分别为0～1 000 lx,0～2 000 lx和0～7 000 lx，可以实现照度计所需要的基本功能.

参考文献：

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[责任编辑：尹冬梅]

Design and implementation of a simple digital light illuminanometer

LI Wei1,2, LIU Zhao-ting1,2, LÜ Jing-wei1,2, ZHANG Li-wei1,2,LIU Song-jiang1,2, SONG Li-wei1,2

(1.Electronic Science College， Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.The University-enterprise R & D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province, Daqing 163318, China)

Abstract:A kind of simple illuminometer of low-cost, small size, dynamic range and easy operation was designed in detail based on visible illumination sensor UI202. By measuring the performance of UI202, the relationship between output current and light intensity was obtained. And the output current was converted into voltage signal through current voltage conversion technology. The output voltage was regulate using the low drift, low power amplifier AD620 according to the standard illumanometer, then a dynamic range of 0～7 000 lx was obtained for the illumanometer.

Key words:UI202; illumination performance; illumanometer

收稿日期：2015-12-06；修改日期：2016-04-26

作者简介：李伟(1983-)，男，黑龙江绥化人，东北石油大学大学电子科学学院讲师，硕士，主要从事物理学实验、测试计量技术及仪器等方面的教学和研究工作.

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)06-0019-03

资助项目：黑龙江省2014规划课题项目(No.GJD1214002)；黑龙江省高等省教育学会2014年高行装教育科学研究课题(No.14G081);黑龙江省教育厅科技项目(No.12541096)