一、介紹

二、定義

2.1 什麼是傳感器？

2.2 光傳感器的定義

III 光譜和光度物理量

3.1 頻譜

3.2 光度物理量

3.3 不同照度下MID顯示屏對背光亮度的感知

IV 光傳感器的工作原理

V 光傳感器的類型和特性

圖1：光傳感器

光譜是由色散系統（如棱鏡和光栅）色散的單色光按照波長（或頻率）的大小依次排列的圖案。可見光譜的最大部分是人眼電磁光譜的可見部分。這個波長範圍内的電磁輻射稱為可見光。光譜不包括人類大腦可以區分的所有顔色，例如棕色和粉紅色。

圖2：光譜

3.2.1 光強（I/Intensity）

(1)定義：單色光源（頻率540×1012Hz，波長555nm）在給定方向單位立體角内發出的光強度（該方向的輻射強度為每球度1/683瓦）。

(2) 單位：cd（坎德拉）

(3) 常見光源的發光強度：

● 太陽，2.8E27 cd

● 高亮手電筒，10000 cd

● 5mm 超高亮 LED，15 cd

3.2.2 光通量（F/Flux）

(1)定義：點光源或非點光源在單位時間内發出的能量。其中，視覺人（人能感覺到的輻射通量）稱為光通量。

(2) 單位：Lm（流明）

(3)常見光源的效率（流明/瓦、Lm/W）

● 白熾燈，15

● 白光 LED，20

● 熒光燈，50

● 太陽，94

● 鈉燈，120

3.2.3 E/照度

(1) 定義：照射到單位面積上的光通量。

(2) 單位：Lx / Lux (1), 1 (Lx) = 1 Lm / m2。

(3) 普通照明 (Lx)：

● 陽光直射（中午），110,000

● 陰天，1000

● 商場内，500

● 有窗的陰天房間，100

● 在正常房間照明下，100

● 滿月，0.2

3.2.4 升/亮度

(1)定義：單位光源區域在法線方向和單位立體角内發出的光強。

（2）單位：nt（尼特），1（nt）=1cd/m2。

(3)普通發光體亮度(nt)：

● 太陽表面，2,000,000,000

● 白熾燈絲，10,000,000

● 陽光下的白紙，30,000

● 人眼可以适應的亮度，3,000

● 人眼可以更好地分辨顔色的明暗，1

● 無月夜空，0.0001

圖3：環境照明-LUX

光傳感器實際上是根據光電效應原理工作的。所謂光電效應，是指某些特殊物質吸收光後，能将光能轉化為電能的現象。光電效應可分為外光電效應和内光電效應兩種。外光電效應是指在光的照射下，可以從材料内部發射電子以産生電能。光電管和光電倍增管是基于外部光電效應的原創。

相應地，内部光電效應發生在物質内部。當光照射到物質上時，物質内部的電阻率發生變化，從而産生電動勢。光敏電阻、光伏電池等光電元件是利用内部光電效應制成的。

以手機上的光線傳感器為例：

手機中的光傳感器其實應該是環境光傳感器，主要由投光器和受光器兩部分組成。前置攝像頭旁邊的白點充當鏡頭，将環境中的光線聚焦并通過投影儀将其傳輸到接收器。根據光電效應，光接收器可以将各種光信号轉換成相應的電信号，再進一步處理成各種開關和控制動作，實現手機的靈敏度調節。

環境光傳感器的芯片上常貼有紅外截止膜，以消除紅外光的幹擾，使我們的手機、筆記本電腦等電子設備能夠準确檢測環境中的可見光強度。當顯示器耗電過多時，光線感應器還可以自動降低屏幕亮度以延長電池的工作時間。

圖4：手機中的光傳感器

光電二極管與半導體二極管結構相似，其管芯是具有光敏特性的PN結，具有單向導電性，因此工作時需要加反向電壓。

無光時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光電二極管關斷。當暴露在光線下時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，随着入射光的強度而變化。

當光照射到 PN 結時，可以在 PN 結中産生電子-空穴對，從而增加少數載流子的密度。這些載流子在反向電壓下漂移，導緻反向電流增加。所以你可以利用光強來改變電路中的電流。無光時關閉，有光時開啟。

特征：

(1) 高靈敏度可減少雜散光的影響

(2)光電二極管(photodiode)是一種光電轉換器件，可以将接收到的光轉換成電流變化

(3)光電二極管(photodiode)的工作方式是增加反向電壓或不增加電壓。當對其施加反向偏壓時，管内的反向電流會随着光強的變化而變化。光強越大，反向電流越大。

圖5：光電二極管

（一）原理

它的工作原理是基于半導體光電效應。光敏電阻是非極性的，純粹是一種電阻元件。它可以施加直流電壓或交流電壓。

(2)光敏電阻的工作特性：燈亮時，電阻小；燈滅時，電阻大。光線越強，電阻越小；當光線停止時，電阻恢複到原來的值。

(3)光譜範圍：從紫外到紅外。

(4) 特點：

● 内部光電效應與電極無關（隻與光電二極管有關），即可以使用直流電源。

● 靈敏度與半導體材料和入射光的波長有關

● 環氧樹脂封裝，可靠性高，體積小，靈敏度高，響應速度快，光譜特性好。

圖6：光敏電阻

(1) 環境光傳感器

環境光傳感器可以感知周圍的光線情況，并告訴處理芯片自動調整顯示器的背光亮度，以降低産品的功耗。

另一方面，環境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當環境亮度高時，使用環境光傳感器的液晶顯示器會自動調整到高亮度。當外界環境較暗時，顯示屏會調至低亮度，實現自動亮度調節。

(2) 紅外光傳感器

紅外光傳感器使用帶電熱電堆和溴化钪碘化 (KRS-5) 窗口來感應 580 至 40,000 nm 的波長。該傳感器可用于測量一系列現象，包括來自手掌的紅外輻射。

(3) 陽光傳感器

太陽能傳感器。它可以識别水平和垂直 360 度。太陽的位置，識别，陰天，陰天，半陰天，晴天和傍晚。跟蹤軸承識别。識别電路處理和服務器驅動。數字芯片用于完成上述信息的處理。可服務于各種普通電機、步進電機。整機功耗3mA，芯片工作電壓5V。

國際先進的太陽跟蹤設備采用計算機數據理論，需要地球經緯度的數據和設置。電路原理和設備技術複雜。智能太陽追蹤器采用識别理論技術，電路簡單，元器件少，無需經緯度理論和數據信息。無需考慮太陽貫穿全年的路線。太陽從哪個方向升起，從哪個方向落下，可以準确識别太陽升起和落下的位置。如果将他放在步行的汽車或船上，跟蹤器無論走到哪裡都可以面對太陽。

(4) 紫外光傳感器

紫外光傳感器使用濾光片來測量紫外光波段（315nm-400nm）。取下濾光片，傳感器可以同時感應可見光。該傳感器包括一個紫外線過濾器、一個瞄準器和一個傳感器手柄。

圖7：光傳感器的類型

背光調節：電視、電腦顯示器、液晶背光、手機、數碼相機、MP4、PDA、GPS；

節能控制：戶外廣告機、感應照明電器、玩具；儀器儀表：用于測量光強的儀器和工業控制；

環保替代：替代傳統光敏電阻、光電二極管、光電晶體管

6.3.1 改變車身電子應用

(1) 環境光檢測

在車身電子應用中，環境光傳感器用于調節儀表闆的背光強度，以及導航系統 (GPS)、溫度控制和 DVD 屏幕中的 LCD 背光強度。這對于像寶馬的 iDrive 和普銳斯的 Multi-Info 這樣的顯示器來說尤其重要。例如，當日光變得昏暗時，儀表闆背光會進行不同程度的調整，以達到最佳視野，減少可能對駕駛員造成的眩光。使用這些傳感器可以消除白天打開大燈的問題，顯示屏會自動調節亮度。環境光傳感器的關鍵功能是利用380nm~780nm的靈敏度可見光波長來複制人眼的靈敏度。

(2)隧道檢測

隧道檢測需要兩個傳感器的輸入。第一個傳感器具有更寬的“仰視”視野和相對較長的平均移動周期，可以防止燈的打開和關閉。第二個傳感器具有更窄的“向前看”視野和相對較短的平均移動時間。這使得隧道傳感器能夠快速響應日光的突然變化，打開汽車前燈，并在進入隧道時調整顯示器的背光亮度。當進入橋下或遮蔽太陽的樹下時，前向傳感器無需打開和關閉燈。在這些情況下，傳感器仍将“看到”前方的光線。

進入隧道時，隧道傳感器的信号會下降，而寬場傳感器的信号會保持高電平；汽車的大燈将打開。離開隧道時，隧道傳感器的信号會增加，寬視場傳感器的信号會減少；車輛的大燈将關閉。對于不同的平均移動周期，控制器有明确的區分。

6.3.2 智能照明系統

為提高工作環境的舒适度，照明控制系統采用光傳感器根據當前環境的照度自動控制照明設備，使照度控制在舒适的範圍内。在傳統的照明控制系統中，普通的光傳感器往往與 A/D 轉換器 (ADC) 結合使用。由于光傳感器檢測到的光信号同時包含可見光成分和紅外光成分，因此過濾紅外光以檢測光傳感器檢測結果。

下圖所示的光傳感器是一種低成本的 I2C 數字光傳感器 (ALS)，它可以将光強轉換為可以直接與 I2C 接口的數字輸出信号，提供從 0.01lux 到 64K lux 的寬動态範圍，線性響應為非常适合高環境亮度下的應用。

圖8：模型

圖9：模型外觀及尺寸

(1) 移動/便攜設備中的背光控制

(2) 移動/便攜設備中的觸摸屏控制

圖 10：功能框架圖

圖 11：應用電路

下面描述的編程基于基于半導體光電效應原理開發的 Me 光傳感器。

光傳感器模塊支持 mBlock 編程環境。以下是模塊指令的簡要說明：

圖 12：編程指南

以下是如何使用 mBlock 控制光傳感器模塊的示例

當LED接收到光線時，M-Panda會左右移動說我愛陽光；蓋住 LED 燈，M-Panda 會停止移動并說我愛夜晚。結果如下：

圖 13：結果

如果您使用 Arduino 編寫程序，您應該調用庫 Makeblock-Library-master 來控制 Me Light Sensor。該程序通過Arduino編程指示Me Light Sensor讀取當前光強度。

圖 14：Arduino 編程

光傳感器功能列表：

圖 15：Me光傳感器功能列表

圖 16：示意圖

如何将這兩個電路組合在一起，以便在 LDR 完全黑暗的情況下，LED 會立即打開，當光線落在 LDR 上時，在完全關閉之前會有大約 1 或 2 秒的延遲？

該電路将在 5V 直流電源上運行并為 LED 陣列供電。

如何将它們組合在一起？

圖17：電路1

圖 18：電路 2

在555電路中，電容器控制等待時間，如果電容器短路，電路将永遠等待。

在 LDR 電路中，晶體管就像一個開關，但不幸的是它正在切換到地，但 555 電路中的電容器連接到 9V

為了解決這個問題，我将 555 電路中的部件倒過來交換，使電容器接地。然後我合并兩個電路很簡單。

圖 19：回答

在黑暗中，R1 将 Q1 上的 keesp C1 放電，因此 555 輸出将是高電平。

當有光時，LDR 關閉 Q1 并為 C1 充電，一旦獲得足夠的電量，555 輸出就會變低。

我們本可以使用一個倒置的 LDR 電路 BC557 晶體管（或其他類似的 PNP 類型）而不是 BC547 NPN晶體管并将其與原始555電路合并。

1、光感電路中如何加繼電器？

據推測，您的光傳感器将根據有多少光照射到它而産生可變電壓信号，并且您希望在該光高于（或可能低于）阈值時觸發繼電器。一種方法是使用比較器電路，該電路将比較兩個電壓并根據哪個電壓更高輸出高電平或低電平。然後，您将來自光傳感器的信号與您可以使用電位計設置的參考電壓進行比較，并從中生成高或低輸出信号。

您還可以使用微控制器并通過模拟輸入引腳讀取來自光傳感器的信号。如果您想在比較中實現滞後等功能，這會更複雜但很有用。

現在，邏輯電平信号不能直接驅動繼電器線圈，因此您需要使用晶體管來切換繼電器線圈電流。使用哪種晶體管取決于所涉及的電壓和您需要切換的電流量，但它将是某種小信号晶體管。您還需要在栅極上有一個限流電阻，也可能在栅極上有一個下拉電阻，以及跨繼電器線圈的回掃二極管。

2. 什麼是光傳感器？

光傳感器響應紅外光的變化以檢測運動或與另一個物體的接近程度。接近傳感器可幫助機器人機器導航障礙物并避免撞到物體。它們還用于車輛中的設備，當車輛接近撞到物體時會發出警報。

3. 光傳感器的缺點是什麼？

以下是光傳感器的缺點：

• LDR 非常不準确，響應時間很長（大約 10 秒或 100 毫秒）。

• 光敏電阻中的電阻連續（模拟）變化并且本質上是堅固的。

• 光電二極管對溫度敏感并且是單向的，這與光敏電阻不同。

4. 光傳感器有什麼作用？

光傳感器是指示日光或人造光強度的電子設備。它們将光能轉換為電信号輸出。光傳感器在工業和日常消費應用中有多種用途。

5. 光傳感器用在什麼地方？

光傳感器有很多用途。我們日常生活中最常見的用途是手機和平闆電腦。大多數便攜式個人電子産品現在都有用于調節亮度的環境光傳感器。

6. 光傳感器有多少種類型？

通過使用 LDR 作為電路，我們可以校準其電阻的變化來測量光的強度。還有另外兩種光傳感器（或光傳感器）常用于複雜的電子系統設計。它們是光電二極管和光電晶體管。所有這些都是模拟傳感器。

7. 光傳感器的使用壽命是多久？

長時間設置 – 在大多數情況下，您的運動檢測器燈在觸發後應該隻保持 20 到 30 秒。但是，您可以操縱設置，使其保持更長時間。例如，許多燈的設置範圍從幾秒到一小時或更長時間。

8. 光傳感器是模拟的還是數字的？

用于檢測撞擊傳感器的光量的模拟傳感器稱為光傳感器。這些模拟光傳感器又分為各種類型，例如光敏電阻、硫化镉 (CdS) 和光電管。

9. 什麼是手機中的光傳感器？

環境光傳感器 (ALS) 廣泛用于智能手機，以提供有關環境光級别的信息，以支持背光 LED 電源電路。

10. 如何将光傳感器連接到外部燈？

将光電管上的一根黑線連接到來自建築物的黑線。務必扭絞裸露的銅線，使其形成緊密的連接。将光電管上的第二根黑線連接到燈具上的黑線，确保銅線完全扭在一起。

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