Ứng dụng cảm biến đo ánh sáng

Trong bài trước, chúng ta đã tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ với một ví dụ cụ thể là cảm biến nhiệt độ LM35 với đầy đủ ví dụ, hướng dẫn và code. Ở bài tiếp theo này, chúng ta sẽ nói về một loại cảm biến quan trọng khác - cảm biến ánh sáng; đặc biệt chú trọng vào ứng dụng cũng như cách thức hoạt động của chúng (kèm một chúng toán - lý).

Cảm biến ánh sáng là gì

Hiểu đơn giản, cảm biến ánh sáng dùng để phát hiện ánh sáng, giống như một nhiệt kế đo nhiệt độ và đồng hồ tốc độ đo tốc độ. Nhiệt độ và tốc độ rất dễ đo đạc vì chúng ta cảm nhận chúng một cách tường minh qua tiếp xúc trực tiếp (chạm vào nguồn nhiệt) hoặc cảm nhận (lái xe tốc độ cao). Nhiệt độ và tốc độ không phụ thuộc vào khối lượng hoặc kích thước của vật thể để đo, nhưng ánh sáng thì có. Ánh sáng có thể được dùng đo vật có kích thước vô cùng lớn, nhưng phụ thuộc vào kích thước của bộ thu; trong trường hợp vật thể quá lớn, vật thể sẽ được chia nhỏ để dễ đo.

Bên cạnh đó, ánh sáng còn được sử dụng để đo Photon, năng lượng và tỉ tỉ thứ phức tạp khác. Trước khi đến với những thứ phức tạp đó, hãy cùng tìm hiểu qua đơn vị của cảm biến ánh sáng.

 

Đơn vị cảm biến ánh sáng

Candela

Dù đa số bóng đèn có ghi đơn vị trên hôp là lumens (hoặc lux), nhưng ta đơn vị đo ánh sáng thông thường nhất lại là candela.

Đơn vị này được sử dụng để mô tả cường độ sáng xuất hiện khi mắt người nhìn vào. Cường độ phát sáng của chùm ánh sáng càng cao, mắt người càng nhạy cảm với nó. (candela bắt nguồn từ “candles” trong tiếng Anh, nghĩa là nến, theo lý thuyết, 1 cường độ sáng tương đương 1 “nến”).

Lý do candela không được sử dụng để đo bóng đèn và đèn pin là vì chùm tia không chỉ phụ thuộc vào đầu ra của bóng đèn, mà còn phụ thuộc và số lượng bóng. Như bạn có thể đã biết, hầu hết các đèn pin được trang bị thêm gương để tạo chùm tia hội tụ, giúp có nhiều ánh sáng hơn.

Do vậy, để đo chính xác đầu ra của bóng đèn, các nhà khoa học cần một đơn vị chuẩn hơn, đó là lumen.

 

Lumen

Lumen được sử dụng để đo tổng quang thông của bóng đèn. Một bóng đèn phát ra ánh sáng theo mọi hướng có thể đạt cường độ phát sáng tương đương 10 cây nến, khi được nhân lên với 4π Steradian đầy đủ sẽ có một luồng sáng có cường độ khoảng 126 lumens. Bất kể ánh sáng được phản xạ và tập trung như thế nào, bóng đèn này sẽ luôn tạo ra 126 lumens quang thông.

 

Lux

Nếu bóng đèn luôn được đánh giá bằng lumens, tại sao cảm biến ánh sáng phải sử dụng một đơn vị khác? Bởi vì ánh sáng tán xạ khi rời khỏi bóng đèn (bất kể loại bóng đèn nào), và chỉ một lượng nhỏ ánh sáng đập vào mắt chúng ta.

Khi một vật di chuyển ra khỏi nguồn sáng, tỷ lệ ánh sáng mà nó nhận được cũng giảm. Để đo chính xác thông lượng phát sáng trên một bề mặt, được gọi là độ rọi (illuminance), tính theo đơn vị gọi là lux, tương đương với một lumen trên một mét vuông.

 

Ứng dụng của cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng hầu như luôn luôn là một mặt phẳng, khi cảm biến được chiếu vuông góc với vật thể, nó đạt được hiệu quả cao. Và nếu vật thể có màu sáng, cảm biến sẽ đo được nhiều thông tin hơn (vì màu tối, đặc biệt là màu đen không phản chiếu lại nhiều ánh sáng, nên sẽ cho ít thông tin hơn).

 

Điều chỉnh độ sáng

Cảm biến ánh sáng có rất nhiều công dụng. Việc sử dụng phổ biến nhất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta là trong màn hình điện thoại di động và màn hình máy tính bảng. Hầu hết các thiết bị điện tử cá nhân cầm tay hiện nay đều có trang bị cảm biến ánh sáng và được sử dụng để điều chỉnh độ sáng. Nếu thiết bị cảm nhận rằng bạn đang xem màn hình ở một nơi tối, nó sẽ giảm độ sáng màn hình để tiết kiệm năng lượng và ngược lại, nếu bạn đang ở ngoài trời với rất nhiều ánh sáng, nó sẽ tăng độ sáng màn hình lên.

Một cách sử dụng phổ biến khác cho cảm biến ánh sáng là điều khiển đèn tự động trong ô tô và đèn đường. Sử dụng cảm biến ánh sáng để tự động kích hoạt bóng đèn khi trời đã đủ tối bên ngoài.

 

Bảo vệ vật dụng quan trọng

Một ứng dụng khác của cảm biến ánh sáng là phát hiện xâm nhập trái phép. Một ví dụ về ứng dụng này xuất hiện trong hệ thống bảo mật nhà bằng vân tay: ngoài cảm biến vân tay, các công ty phải lắp đặt thêm các cảm biến ánh sáng, để phát hiện xem cửa nhà có được đóng sau khi mở cửa cho người nhà ra vào hay chưa. Nếu chưa đóng, hệ thống cảm biến ánh sáng sẽ báo cho chuông cảm biến, và reng báo hiệu cho người dùng.

 

bao mat nha cua

 

Một ứng dụng khác dùng để bảo vệ các tài sản nghệ thuật. Ví dụ, tranh và ảnh trên giấy và các tác phẩm nghệ thuật cũ hơn có thể bị hỏng do tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, vì vậy điều quan trọng là phải biết chúng tiếp xúc với bao nhiêu ánh sáng là vừa đủ. Khi vận chuyển một tác phẩm nghệ thuật, một cảm biến ánh sáng có thể được sử dụng để xác minh rằng nó không được để dưới ánh mặt trời quá lâu.

Video giới thiệu về khóa cửa thông minh của Samsung

 

Lắp đặt hệ thống Pin mặt trời

Thật vô nghĩa khi xây dựng và lắp đặt một tấm pin mặt trời ở một vị trí nhất định mà nó không thu được nhiều ánh sáng mặt trời trực tiếp. Do đó, một cảm biến ánh sáng được sử dụng để tìm vị trí tốt nhất, nơi có nhiều ánh sáng mặt trời trực tiếp nhất.

 

he thong pin mat troi

 

Nông nghiệp

Các loại cây trồng khác nhau cần lượng ánh sáng mặt trời khác nhau. Vì vậy, điều quan trọng là phải biết mảnh đất nào được tiếp xúc nhiều nhất. Khi nguồn cung cấp nước trở nên khan hiếm hơn ở những nơi như Đồng Bằng Sông Cửu Long, nông dân có nghĩa vụ phải hạn chế tiêu thụ nước, đồng thời giữ cho cây trồng của họ ngậm nước.

Một cách chống mất nước cho cây là tưới cây vào buổi chiều hoặc tối, giúp cây có thể hấp thụ đúng cách. Thay vì làm bằng một cách thủ công như vậy, cảm biến ánh sáng có thể được sử dụng để quản lý hệ thống phun nước tự động, chỉ tưới nước khi mặt trời sắp lặn. Khi được kết hợp với các thiết bị theo dõi thời tiết khác để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, áp suất và độ ẩm, một hệ thống không chỉ có thể tưới nước khi mặt trời lặn mà còn dự báo mưa hoặc mây để tối ưu hóa lịch trình tưới nước.

 

Cảm biến ánh sáng hoạt động như thế nào

Bây giờ bạn đã hiểu được sự lộn xộn của các đơn vị định lượng ánh sáng, chúng ta có thể bắt đầu hiểu cách xác định độ rọi bằng cách sử dụng các cảm biến ánh sáng.

Photodiode

Cảm biến ánh sáng đôi khi sử dụng một thành phần gọi là photodiode để đo độ rọi. Khi các chùm ánh sáng chiếu vào một điốt quang, chúng đánh bật các electron lỏng lẻo, khiến một dòng điện chạy qua. Ánh sáng càng mạnh, dòng điện càng mạnh. Đây cũng là nguyên tắc hoạt động của các tấm pin mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các biển báo đường bộ và nhà ở. Các tấm pin mặt trời về cơ bản là các cảm biến ánh sáng photodiode rất lớn.

Điện trở hình ảnh

Một loại cảm biến ánh sáng khác là điện trở ảnh. Chúng là điện trở, nhưng phụ thuộc vào ánh sáng, có nghĩa là nếu có sự thay đổi độ sáng của ánh sáng chiếu vào nó, sẽ có sự thay đổi về điện trở. Điện trở ảnh rẻ hơn so với điốt quang ảnh, nhưng kém chính xác hơn nhiều, vì vậy thường được sử dụng ở những ứng dụng nhỏ để nhận biết ánh sáng có đang bật hay không.

 

Bài viết được dịch từ https://blog.mide.com/how-light-sensors-work