【世说设计】如何测量两个光源的相对强度

Q: 是否可以使用仪表放大器测量两个光源之间的差异？

 A: 是的，用两个光敏电阻替换仪表放大器的主设定电阻就可以。

在许多照明应用中，测量两个光源的相对强度比测量其各自的强度更重要。这样能确保两个光源以相同的强度发光。例如，比较同一建筑物内控制室（ 1 号房间）和另一间房（ 2 号房间）的亮度会有帮助，以便可以在白天的任何时间和夜里进行调整。或者，对于一个生产系统，您可能希望确保明亮的光照条件不发生变化。

确定相对强度的一种办法是测量两个附加光检测器的不同输出。其差异将被转换为以地为基准的单端电压信号。

图 1 中的电路就是解决此问题的一种简单但有效的方法，其使用带电阻增益控制功能的仪表放大器，例如 AD623。

【图1. 测量相对光强度的简单电路】

请注意，该电路中有两个特殊电阻 R1 和 R2。R1 (LDR1) 测量两个光源的亮度。

何谓 LDR？该术语表示光敏电阻。它是一种无源电子元件，带有一个电阻，其阻值依据光强度而变化。光敏电阻有不同形状和颜色，适用于许多电子电路，尤其是报警器、开关器件、时钟和路灯。

一般来说，LDR 的电阻在黑暗中非常高，几乎高达 1 MΩ，但当光线照在 LDR 上时，其电阻降至几 kΩ（10 lux 时为 10kΩ 至 20kΩ，100 lux 时为 2kΩ 至4kΩ ），具体情况视型号而定。此原理图使用的 LDR 来自 RadioShack（产品型号 276-1657）。

【图2. RadioShack产品型号276-1657】

图 1 中的原理图采用 AD623 和两个 LDR。作为主传感器的光敏电阻 R1 是参考点光源。它用作光强度的基准，位于控制室中。若要比较两个以上的光源，则在每次比较时都应使用此光源作为基准。这种比较可以在晚上或白天进行。请记住，电阻发生变化需要 8 毫秒到 12 毫秒。电阻恢复到初始值也需要几秒钟。

该设计非常简单。系统电源为 ±5 V，两个输入端的输入电压为 VIN。因此，每个光敏电阻的一端有相同电压，另一端接地。如果相同量的光照在两个光敏电阻上，其间的电流差将为零，因为其电阻相等。结果是输出电压为零伏。当两个房间的照明不均匀时，两个光源的强度之间存在差异，这会在系统输出端产生电压。该电压的极性指示哪个房间更亮。如果输出电压为正，则意味着照在 LDR2 上的光线较多，反之亦然。

图 3 为输出波形的示波器图。输入电压为 1 V p-p方波，频率为 1 kHz， 输出（约 2 V ）表明 2 号房间中的光源更亮。

【图3. 输出电压指示相对光强度】

在本文的电路中，AD623 的输出端有两个 LED。当输出为正（光源 2 更亮）时，正极连接到输出的红光 LED 将开启，而当光源 1 更亮时，正极接地的黄光 LED 将开启。请注意，LED 的亮度表示房间相对强度的幅度水平。

当两个房间看起来同样明亮时，其照度相等，输出为 0 V，两个 LED 均关闭。

电路输出端的电压为：

输出的均方根值表示两个光源的强度等级。

校准 LDR1 值以找到特定亮度下的精确电阻值之后，可以用一个纯电阻替换 LDR1，这样系统在所有时候都会将 LDR2 的值与某个亮度进行比较。通过这种方式，固定电阻便可用作一个已知光强度的基准。这种电路可以充当太阳能导引头，即一种跟踪光源的简单装置。此类装置可以使太阳能面板对准太阳，或用于搜救机器人中，引导被困人员走向有光的地方。为了实现太阳能导引头，可以利用伺服电机来旋转光敏电阻。

使用 AD623 并且将两个灯泡分别与 LDR1 和 LDR2 一起放入不同的房间，可以了解这两个灯泡的效率。该电路功耗低，只需两节 AA 电池供电，故适合于功耗敏感应用。