Как увеличить диапазон значений, выдаваемых датчиком освещенности?

Question

Как увеличить диапазон значений, выдаваемых датчиком освещенности?

signal-processing

Я сконструировал 2 цептометра, которые измеряют интенсивность света. Каждый цептометр состоит из 50 фотодиодов, которые соединены с 2 медными проводами (+ и - фотодиодов имеют одинаковую ориентацию). Эти провода припаяны с помощью кабеля (+ к медному проводу, где находится положительная сторона фотодиодов, и провод заземления, припаянный к медному проводу, где находится отрицательная сторона фотодиодов). Затем к кабелям были припаяны контакты, чтобы их можно было подключить к макетной плате.

В документе, где представлен протокол для построения, говорится, что к медным проводам необходимо подключить резистор 1,5 Ом, чтобы увеличить диапазон сигнала, который будут выдавать цептометры. Однако в нем упоминается, что этот шаг можно выполнить позже, и резистор можно подключить к проводам (это то, что имеет смысл). Я должен упомянуть, что присутствует еще один цептометр, который был сконструирован другим человеком в прошлом году, и он имеет резистор 1,5 Ом, припаянный к медному проводу. Это очень важно иметь в виду в остальной части текста!

Я решил использовать arduino uno для своего эксперимента и подключил 3 рецептометра (старый с прошлого года и 2, которые были сконструированы мной) к макетной плате. Во-первых, я подал свет на цептометры с помощью проектора и попробовал разные резисторы от 470R до 5K, но значения, которые я получил, были одинаковыми. Я подумал, что, возможно, было вызвано какое-то нарушение сигнала или шум, и я сделал 3 схемы операционных усилителей на 3 разных макетных платах. Когда макетные платы были подключены к Arduino, я снова попробовал использовать те же резисторы, но значения, которые я получил, были теми же. Для старого цептометра, который имеет резистор 1,5 Ом, припаянный к медным проводам, замена резисторов сильно изменила сигнал, и он дал широкий диапазон значений. Здесь я должен сказать, что когда я применил резистор 1,5 Ом к новым каптометрам, я получил чистый 0 в качестве значения. И то же самое было, когда я поместил их под солнечный свет.

Когда я преобразовал выходной сигнал Arduino в сигнал напряжения, умножив его на 5, а затем разделив на 1023, у меня был тот же сигнал напряжения, что и при измерении мультиметром. И это было то же самое как при искусственном, так и при солнечном освещении. Итак, я могу себе представить, что это что-то, что зависит от резистора, который не применяется к медным проводам. Я имею в виду, что, возможно, это тот случай, когда я получаю не широкий диапазон значений, как старый ceptometer, а только 20 единиц

Мой вопрос таков: знаете ли вы какой-либо способ увеличить диапазон выходных данных или у вас есть какие-либо рекомендации? Заранее большое вам спасибо!

С наилучшими пожеланиями,

Димитриос

@Dimitrios_Lioilios, 👍2

Обсуждение

Можете ли вы изменить свой вопрос, включив в него копию вашей схемы? При необходимости можно было бы сделать набросок. Трудно визуализировать схему, которая выполняется исключительно с помощью описания в словах., @Nick Gammon

Схема действительно помогла бы. Смогли ли вы подтвердить диапазон выходного напряжения вашей установки за пределами Arduino, например, измерив их с помощью мультиметра?, @StarCat

Привет, Ник и Звездный Кот. Да, StarCat, я измерил напряжение с помощью мультиметра, и оно было таким же, какое дал мне Arduino после преобразования выходного сигнала Arduino в вольты. Например, когда я получил значение 90 (от Arduino), а затем выполнил преобразование ((90 * 5) / 1023), я получил 0,44, что было таким же, как и то, что мультиметр показывает по напряжению. Но когда я провел калибровку с помощью квантового датчика, значение 90 соответствовало 600-690 мкмоль., @Dimitrios_Lioilios

Это то, что повлияет на мой эксперимент, поскольку 100 мкмоль PAR - важный диапазон, но в arduino он описывается как одно значение., @Dimitrios_Lioilios

Я загрузил схему по моему вопросу. Большое спасибо вам обоим!, @Dimitrios_Lioilios

1 ответ

@*Boggyman* · Answer 1 · 2020-11-06 14:58-00:00

Схема представляет собой преобразователь тока в напряжение. Вход - операционного усилителя удерживается на 0 (напряжение на входе +, поскольку он заземлен), поэтому на диодах не будет напряжения. Ток, потребляемый диодами, подается с выхода операционного усилителя через резистор обратной связи, поэтому, чем больше это значение, тем больше будет выходное напряжение при любом заданном токе. Короткий ответ заключается в том, что для увеличения выходного напряжения необходимо увеличить резистор обратной связи. (7 Ом кажутся мне довольно маленькими, если только ваши диоды не потребляют МНОГО тока.)

Другая сложная проблема заключается в том, что эта схема зависит от операционного усилителя, имеющего низкое входное напряжение смещения, поскольку его значение (~ 2 мВ для LM358) вызывает ошибки на выходе. Обычно здесь используется операционный усилитель с низким напряжением смещения, но, возможно, использование такого количества диодов создает достаточно большой ток, чтобы устранить ошибку смещения. Если увеличение обратной связи R не помогает, вы можете попробовать другой операционный усилитель (даже другой LM358) на случай, если смещение того, которое у вас есть, пытается вызвать отрицательный выходной сигнал, и именно поэтому вы видите 0.

Редактировать 11-8-20: я посмотрел датчик, используемый в статье PAR-BAR, который, по-видимому, является источником вашей схемы. Он выдает около 10 микроампер при 1000 люкс, так что 50 из них дадут 500 микроампер. Если вы хотите получить (скажем) выход 5 В при 1000 Люкс, вам понадобится резистор обратной связи 5/0,0005 = 10 Ком. Это без шунта 1,5 Ом. Кроме того, равномерно ли вы применяете тестовое освещение ко всем 50 датчикам? Приведенный выше расчет предполагает, что все получают 1000 люкс.

Если у вас есть в наличии один датчик, я бы рекомендовал использовать только его и резистор обратной связи 500 Ком, а не шунт. Таким образом, не будет никаких проблем с равным освещением. Если у вас все еще есть проблемы, и вы по какой-то причине привязаны к LM358, попробуйте использовать простую схему для компенсации смещения входного сигнала. Обычно они включают в себя потенциометр (может быть триммером в конечном блоке), который регулирует очень небольшое напряжение, подаваемое на вход +. В ваших тестах вы можете обнаружить, что он должен быть отрицательным, что вам придется применять из какого-либо внешнего источника (поскольку на Arduino нет питания). Если это необходимо для решения вашей проблемы, подумайте о лучшем операционном усилителе или другой конфигурации схемы.

Редактировать 11-9-20: еще раз взглянул на статью PAR-bar и заметил, что они измеряют дифференциальное напряжение на матрице фотодиодов, что отличается от вашего преобразователя тока в напряжение (хотя это действительно типично для схем фотодиодов). Напряжения, которые они получают, составляют 30 мВ или меньше. Я предлагаю вам получить цифровой преобразователь и измерить напряжение на матрице без какого-либо подключения к другим схемам. Дешевые DMM имеют полномасштабную мощность 200 мВ, что должно, по крайней мере, показать вам, что происходит. В статье использовался дорогой регистратор данных и только предполагает, что возможны решения типа Arduino, но не дает схем. Вероятно, вам не нужен настоящий дифференциальный усилитель, так как фотонапряжение всегда в одном и том же направлении.