基于Arduino的紫外線傳感器設(shè)計 紫外線傳感器的工作原理和分類

引言

紫外線傳感器，又稱為紫外光敏管（簡稱UV管），是一種利用光電子發(fā)射效應(yīng)的光電傳感器。它能夠通過特定的光敏元件將紫外線信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、氣象觀測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)療診斷以及安全控制等多個領(lǐng)域。本文將詳細(xì)探討紫外線傳感器的定義、工作原理及其多種分類，以期為讀者提供全面深入的理解。

紫外線傳感器的定義

紫外線傳感器是傳感器的一種，主要利用光敏元件（如光電二極管、光敏電阻等）通過光伏模式或光導(dǎo)模式將紫外線信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。這種傳感器具有高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度等特點，能夠檢測人類感官無法直接感知的紫外線輻射，并在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。

紫外線傳感器的工作原理

紫外線傳感器的工作原理主要基于光電效應(yīng)，即光照射到物質(zhì)上時會引發(fā)電子的發(fā)射或能量的轉(zhuǎn)換。根據(jù)工作模式的不同，紫外線傳感器可以分為光伏模式和光導(dǎo)模式兩種。

1. 光伏模式
   光伏模式是指紫外線傳感器在不需要外部電源串聯(lián)電池的情況下，通過串聯(lián)電阻中的電流產(chǎn)生電壓輸出。在這種模式下，傳感器相當(dāng)于一個小電池，其輸出電壓與接收到的紫外線強度成正比。然而，光伏模式的制作相對復(fù)雜，成本也較高。
2. 光導(dǎo)模式
   光導(dǎo)模式則需要串聯(lián)一個電池工作，傳感器在此時相當(dāng)于一個電阻，其電阻值隨紫外線強度的變化而變化。當(dāng)紫外線照射到傳感器上時，光敏元件的電阻值會發(fā)生變化，進(jìn)而改變電路中的電流或電壓，實現(xiàn)紫外線的檢測。光導(dǎo)模式的制作相對簡單，成本較低，因此在許多實際應(yīng)用中更為常見。
   
   如圖所示是紫外線傳感器工作原理圖。在紫外線傳感器的陰極和陽極之間加上電壓后，當(dāng)紫外線透過石英玻璃管照射在光電面的陰極上時，由于陰極涂敷有電子放射物質(zhì)，陰極就會發(fā)射光電子。在強電場的作用下，光電子被吸向陽極，光電子高速運動時與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞，最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥，引起輝光放電現(xiàn)象，電路中生成大的電流。當(dāng)沒有紫外線照射時，陰極和陽極間沒有電子和離子的流動，呈現(xiàn)出相當(dāng)高的阻抗。
   紫外線傳感器的基本電路及輸出波形如圖所示。其中R1、C1構(gòu)成充放電回路，其時間常數(shù)稱為阻尼時司，電極司殘留離子的衰變時間一般為5-10ms。當(dāng)入射紫外線光通量低于某值之前，從輸出端可以得到與人射光通量成正比的脈沖數(shù)，但如果光通量大于此值，由于C1的放電，管內(nèi)電流就飽和了。因此，紫外線傳感器適合作光電開關(guān)使用，不適合作精密紫外線測量。
   

紫外線傳感器的分類

根據(jù)工作原理、結(jié)構(gòu)特點以及使用領(lǐng)域的不同，紫外線傳感器可以分為多種類型。以下是一些常見的紫外線傳感器分類：

1. 光電管紫外線傳感器
   光電管是一種傳統(tǒng)的紫外線傳感器，由光敏電阻和放大電路組成。它通過光敏電阻對入射的紫外線進(jìn)行檢測，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電管紫外線傳感器具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點，但存在線性度不高和使用壽命較短的缺點。
2. 光電二極管紫外線傳感器
   光電二極管紫外線傳感器采用光電二極管作為傳感器元件。光電二極管是一種半導(dǎo)體器件，具有高靈敏度和寬波長響應(yīng)范圍的優(yōu)勢。它可以將入射的紫外線能量轉(zhuǎn)換為電流信號，并通過放大電路進(jìn)行處理和測量。光電二極管紫外線傳感器在科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
3. 光敏電阻紫外線傳感器
   光敏電阻是一種基于半導(dǎo)體材料的傳感器元件，其電阻值隨著入射光線強度的變化而變化。光敏電阻紫外線傳感器通過測量光敏電阻的電阻值來間接檢測環(huán)境中紫外線的輻射強度。這種傳感器具有簡單、成本低、結(jié)構(gòu)小巧等優(yōu)點，廣泛用于家用電器、智能家居等領(lǐng)域。
4. 光電晶體管紫外線傳感器
   光電晶體管紫外線傳感器利用光電晶體管的放大特性來進(jìn)行紫外線檢測。光電晶體管是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的半導(dǎo)體器件，具有高轉(zhuǎn)換效率和低噪聲的特點。它可以將入射的紫外線能量轉(zhuǎn)換為電流信號，并進(jìn)行放大和測量。光電晶體管紫外線傳感器在需要高靈敏度和快速響應(yīng)的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。
5. 光電倍增管紫外線傳感器
   光電倍增管是一種高增益的靈敏光電傳感器，可以將微弱的光信號放大到可觀測的水平。光電倍增管紫外線傳感器在紫外線檢測領(lǐng)域具有很高的靈敏度和快速響應(yīng)的優(yōu)勢。它主要用于科學(xué)研究、光譜分析等高要求的應(yīng)用場景。
6. 基于GaN材料的紫外線傳感器
   近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，基于氮化鎵（GaN）材料的紫外線傳感器逐漸嶄露頭角。GaN材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，使得其制成的紫外線傳感器具有更高的精度和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的單晶硅紫外線傳感器相比，GaN紫外線傳感器在精度和可靠性方面有著顯著的優(yōu)勢。
7. 其他特殊用途的紫外線傳感器
   除了上述幾種常見的紫外線傳感器外，還有一些特殊用途的紫外線傳感器，如光電阻射線表、紫外線成像傳感器等。這些傳感器在特定的應(yīng)用場景中發(fā)揮著不可替代的作用。

紫外線傳感器的應(yīng)用

紫外線傳感器在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。以下是一些主要的應(yīng)用場景：

1. 環(huán)境監(jiān)測
   紫外線傳感器可以測量大氣中的紫外線強度，為氣象觀測和環(huán)境保護(hù)提供重要數(shù)據(jù)。同時，它還可以用于監(jiān)測人造光源（如紫外線燈）的輻射強度，確保使用安全。
2. 農(nóng)業(yè)和林業(yè)
   在農(nóng)業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域，紫外線傳感器可以用于監(jiān)測植物的生長環(huán)境，了解植物對紫外線的吸收和響應(yīng)情況，為科學(xué)種植提供指導(dǎo)。
3. 醫(yī)療診斷
   紫外線傳感器在醫(yī)療診斷中也有重要應(yīng)用。例如，它可以用于檢測皮膚對紫外線的敏感程度，幫助醫(yī)生制定個性化的治療方案。
4. 安全防護(hù)
   紫外線傳感器在安全防護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在火災(zāi)探測系統(tǒng)中，紫外線傳感器可以作為紫外線火焰探測器的核心部件，通過探測物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的紫外線來及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，保障人員和財產(chǎn)的安全。
5. 殺菌消毒
   紫外線傳感器還可用于殺菌消毒領(lǐng)域。紫外線具有破壞細(xì)菌、病毒等微生物DNA或RNA結(jié)構(gòu)的能力，從而使其喪失自我復(fù)制能力。紫外線傳感器可以監(jiān)測紫外線燈的輻射強度，確保其在殺菌消毒過程中達(dá)到預(yù)期的效果。
6. 紫外線療法
   在醫(yī)療領(lǐng)域，紫外線傳感器還可用于紫外線療法。紫外線療法是一種利用紫外線照射人體以治療某些疾病的方法。紫外線傳感器可以監(jiān)測照射過程中的紫外線強度，確保治療的安全性和有效性。

紫外線傳感器的發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，紫外線傳感器也在不斷發(fā)展和完善。以下是一些紫外線傳感器的發(fā)展趨勢：

1. 高精度和高穩(wěn)定性
   隨著材料科學(xué)和制造工藝的進(jìn)步，紫外線傳感器的精度和穩(wěn)定性將得到進(jìn)一步提升。例如，采用新型材料（如GaN）制成的紫外線傳感器將具有更高的精度和更長的使用壽命。
2. 智能化和集成化
   未來的紫外線傳感器將更加智能化和集成化。它們將能夠與其他傳感器和智能設(shè)備進(jìn)行無縫連接和通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理。同時，它們還將具備自我校準(zhǔn)和自我診斷功能，提高系統(tǒng)的可靠性和易用性。
3. 低功耗和長壽命
   為了滿足長時間監(jiān)測和無線傳輸?shù)男枨?，未來的紫外線傳感器將更加注重低功耗和長壽命的設(shè)計。通過采用低功耗的電路設(shè)計和高效的能源管理策略，紫外線傳感器將能夠在保證性能的同時降低能耗和延長使用壽命。
4. 多功能化
   未來的紫外線傳感器將不僅僅局限于單一的紫外線檢測功能，而是將具備更多的附加功能。例如，它們可以與溫度傳感器、濕度傳感器等其他類型的傳感器進(jìn)行集成，實現(xiàn)多參數(shù)的同時監(jiān)測和測量。這將有助于提高系統(tǒng)的綜合性能和實用性。
5. 應(yīng)用領(lǐng)域的拓展
   隨著人們對紫外線輻射認(rèn)識的不斷深入和需求的不斷增加，紫外線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展。除了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域外，紫外線傳感器還將在食品安全、航空航天、軍事偵察等更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
   紫外線傳感器作為一種重要的光電傳感器件，在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理基于光電效應(yīng)，通過光敏元件將紫外線信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。根據(jù)工作原理和結(jié)構(gòu)特點的不同，紫外線傳感器可以分為多種類型。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，紫外線傳感器將在未來發(fā)揮更加重要的作用，并朝著高精度、高穩(wěn)定性、智能化、集成化等方向發(fā)展。

基于Arduino的紫外線傳感器設(shè)計

UV –電磁波譜中波長為 10nm 至 400nm 的紫外線輻射，為了根據(jù)紫外線獲得有效輸出，青金石半導(dǎo)體的 ML8511 傳感器有很大幫助。該傳感器采用表面貼裝型封裝，因此更適合在分線板中使用。

ML8511 UV 傳感器可以更好地檢測 280nm – 390nm 光，該波長被歸類為 UVB 燃燒射線光譜的一部分和大部分 UVA 曬黑射線光譜。

框圖

傳感器 ML8511 具有 UV 光電二極管和內(nèi)部放大器，可根據(jù) UV 光強度將光電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

通過電壓輸出，可以輕松與外部微控制器和ADC連接。

ML8511 分線板

傳感器 ML8511 在分線板中使用非常方便，它需要3.3V電源電流 300μA，并提供模擬信號變化的輸出。該分線板可以輕松與各種微控制器（具有 ADC）和 Arduino 板連接。

紫外線特性

在恒定 VDD 電源下，傳感器輸出電壓與 UV 強度 (mW/cm2) 之間繪制的特性。不同顏色的曲線代表傳感器在不同溫度范圍內(nèi)的工作情況。

Arduino 與 ML8511 的連接

如圖所示將分線板與 Arduino 板連接，在 Arduino 板的 3.3V 和 A1（模擬輸入 1）之間建立連接以供參考。此示例連接被認(rèn)為在 A0 中有傳感器輸出。不要提供超過3.3V的Vdd，由于其低電壓和低電流的特性，可能會損壞器件。

Arduino 紫外線傳感器代碼

int UVOUT = A0; //Output from the sensor
int REF_3V3 = A1; //3.3V power on the Arduino board

void setup()
{
  Serial.begin(9600);

  pinMode(UVOUT, INPUT);
  pinMode(REF_3V3, INPUT);

  Serial.println("MP8511 example");
}

void loop()
{
  int uvLevel = averageAnalogRead(UVOUT);
  int refLevel = averageAnalogRead(REF_3V3);
  
  //Use the 3.3V power pin as a reference to get a very accurate output value from sensor
  float outputVoltage = 3.3 / refLevel * uvLevel;
  
  float uvIntensity = mapfloat(outputVoltage, 0.99, 2.9, 0.0, 15.0);

  Serial.print("MP8511 output: ");
  Serial.print(uvLevel);

  Serial.print(" MP8511 voltage: ");
  Serial.print(outputVoltage);

  Serial.print(" UV Intensity (mW/cm^2): ");
  Serial.print(uvIntensity);
  
  Serial.println();
  
  delay(100);
}

//Takes an average of readings on a given pin
//Returns the average
int averageAnalogRead(int pinToRead)
{
  byte numberOfReadings = 8;
  unsigned int runningValue = 0; 

  for(int x = 0 ; x < numberOfReadings ; x++)
    runningValue += analogRead(pinToRead);
  runningValue /= numberOfReadings;

  return(runningValue);  
}

//The Arduino Map function but for floats
//From: http://forum.arduino.cc/index.php?topic=3922.0
float mapfloat(float x, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max)
{
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}