全天候照度传感器的研制与探索

虞秋波

（宁波市市政设施研究所，浙江 宁波 315012）

城市道路的路面照度是判断道路照明设计是否合格的主要指标之一，晴朗天气下的照度数据一直是判断的前提，在阴雨天气下的路面照度往往由于测量仪器的限制被忽略，但在某些场所却至关重要。

在阴雨天气下保障行人、车辆的出行照度需求，达到正常天气的照度要求，这就需要用专业仪器测量阴雨天气下的照度数据，并提供给城市管理部门，从而科学调整路灯的功率，合理提高道路的整体照度，为行人提供出行保障。

1 设计思路

为实现全天候道路照明现场照度测量，对现有照度传感器进行了调研，发现并没有符合全天候测量条件的照度传感器。因此，提出全天候照度传感器的设计构想，设计在不同的天气情况下、不同路灯光源下、不同灯杆高度下，都可以进行照度测量的传感器。全天候传感器首先要防雨防水，可以在下雨天进行测量，传感器的封装镜头必须选择低光衰、高透过率的光学材料，经过严格的光谱及角度特性校正，并解决传感器的防水密封问题，确保LED光源、高压钠灯等路灯光源在全天候曲线条件下都可以正常测量。

全天候车载式道路照明照度测量系统为动态检测道路路面照度提供设备支撑，现场的照度测量数据通过测量主机进行分析，最终将检测数据上传至计算机，通过分析测试软件，实时得到现场照度的测量数据。全天候车载式道路照明照度测量系统图如图1所示。

图1 全天候车载式道路照明照度测量系统图

2 主要结构

全天候照度传感器结构设想是在专用高精度照度计基础上加装了密封性能好的铝合金外壳，并用透明材料作为透光镜头进行封装，实现防水、防雨功能。为便于安装，将该传感器固定在铝合金支架上；为便于传感器调平，支架内设计供传感器调平的二维调节器；为便于传感器及支架固定在汽车的引擎盖上，在传感器支架底部安装3块高强度磁铁，牢固吸附在汽车引擎盖的外表面。其外形结构如图2所示。

图2 全天候照度传感器外形结构图

3 传感器和镜头透光材料的选择

3.1 照度计传感器的选择

目前市场上手持式的照度计有2种：

1）硒光电池前加余弦修正器形成的一种半球型照度传感器，如图3所示。

图3 半球型照度传感器

2）硅光电池前加余弦修正器形成的平面照度传感器，如图4所示。

图4 平面照度传感器

为选择更适合的照度传感器，做了2组实验：

1）温度特性的对比实验，通过传感器周围温度的升高和降低，发现半球型照度传感器比平面照度传感器更容易受到温度的影响，在测量时随着温度的变化，测量的数值也会变化，而平面探头对温度的抗干扰能力则明显优于前者。

2）角度的变化影响测试，在手持测量时随着测量时的抖动，圆弧形探头测量的数值变化更大，而平面探头的测量数值变化幅度较小。最终选择了平面的内置硅光电池照度传感器作为此次实验的照度传感器。

3.2 封装材料的选择

封装的材料选择也非常重要。主要的选择对象有2种：有机玻璃和光学玻璃。有机玻璃选择了普通的和高透明的，光学玻璃选了无色和有色，经过对比实验，最后留下高透明的有机玻璃和无色光学玻璃进行最终测试，其主要选择标准就是光衰低、透过率高、机械强度高、雨水附着力小等。

3.2.1 光衰试验

在照度传感器上封装透明材料后，测试的结果有一定的衰减，因此，选取了3个相同照度传感器，在实验室先统一定标后，再拿到现场测试。选取一段封闭的道路，路灯的光源为LED和高压钠灯，将3个照度传感器垂直朝上放置在灯具正下方，分别将有机玻璃、无色光学玻璃放置在其中2个照度传感器的上方，与不放置封装材料的照度传感器进行数据比较（见表1）。

表1 光衰试验数据对比

由表1可知，在LED路灯光源和高压钠灯的下方加装无色光学玻璃比加装有机玻璃的光衰小，但和正常传感器测量的照度值比则偏小。从光衰这个指标来看无色光学玻璃更适合封装。

3.2.2 透过率对比试验

在入射光通量自被照面或介质入射面至另外一面离开的过程中，投射并透过物体的辐射能与投射到物体上的总辐射能之比，称为该物体的透过率。

对于可见光来说，玻璃对其的反射量、吸收量和透射量与总光通量的比率分别称为光反射率、光吸收率和光透过率，用于表征玻璃的光学性能。其所占的比率取决于玻璃的厚度、片数、颜色和表面清洁程度。一般来说，厚度越大，颜色越深，表面灰尘越多，可见光透过率就越小。

在实验室中通过专业的检测仪器分别对有机玻璃和无色光学玻璃进行透过率对比试验，在可见光的不同波长内对其透光率进行测试。图5为透光率检测仪实物图，图6为透过率对比试验曲线图。

图5 透光率检测仪

图6 透过率对比试验曲线图

通过透过率的对比试验可以看到，无色光学玻璃的透过率明显优于有机玻璃，这对照度传感器在不同光源下进行测量非常关键。

3.3 雨水附着对比试验

全天候照度测量传感器要适应在阴雨天气下的测量，当雨水滴落在不同材料表面，是否对照度测量产生不同影响，为此进行了专门的模拟测试，在实验室选择3只照度传感器，其中一只不封装，另外两只分别封装在有机玻璃和无色光学玻璃的盖子中，然后在实验室进行校准，保持一致。分别在小雨和中雨的天气下对LED光源和高压钠灯光源进行测试。测试数据详见表2。

表2 同等降雨量下不同封装材料对照度测量数据影响的对比试验

通过上述的试验对比，以及现场的实际情况，可以看到加装了无色光学玻璃的传感器探头受到降雨量的影响更小。主要原因在于无色光学玻璃的表面对雨水的附着力更小，雨水更容易滑落，而有机玻璃的表面雨水不易滑落。因此，在雨水附着对比试验中无色光学玻璃更适合。

经过3组测试结果，可以明显看到无色光学玻璃比有机玻璃更适合做全天候照度传感器的封装。在实验时也发现，有机玻璃的表面更容易留下划痕，长时间使用后封装表面模糊，而无色光学玻璃在这方面则更好。最终选择无色光学玻璃作为照度传感器的封装材料。

4 使用注意事项

1）传感器采用光学玻璃封装，使用前请缓慢打开镜头盖，将其放置在仪器箱内，使用完成后再将其缓慢盖好。

2）传感器安装在汽车引擎盖后，先检查其镜头是否存在脏污，如有请及时用柔软的擦拭布将其擦干净。

3）传感器在雨天测试结束后，应先用柔软的擦拭布将镜头擦干净，再用干燥毛巾将传感器整体水滴擦干，将其放置在通风处风干，待其干燥后再进行封装。切忌在太阳下暴晒，以免破坏其光学系统。

4）传感器在使用过程中要轻拿轻放，切忌碰撞、摔落，镜头切忌用硬物划伤，重点保护镜头。

5）传感器探头较重，应定期检查固定螺丝是否松动，如松动请用工具锁紧。

6）传感器的连接线较长，且长期盘在探头底座下，容易打结，使用时要将其有序展开，切忌盘绕在一起。使用结束后也应按照规定的方法收整后放好。

5 结论

全天候照度传感器的出现，弥补了在阴雨、下雾等天气状况下的照度测量空白，实现了全天候道路照明现场的照度测量，可以根据不同天气的照度情况调节路灯的功率，来控制道路照明的整体情况。该仪器已在宁波市市政设施中心使用，在小雨、中雨、大雨及雾天和正常天气下的测量结果均良好，其各项技术指标均已到达设计要求，符合全天候照度测量仪器的技术要求。