用LED实现光电转化的演示型太阳辐射计

马骏+马飞+徐丽梅+黄俊玲

摘要： 本论文使用发光二极管（LED）作为太阳辐射计的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，构成放大电路即可，结构简单易于实现。其主要功能是测量直接太阳辐射，与专门设计的探测器相比，LED还能探测窄波段的波长。此外LED本身具有发光特性，将探测电路和发光电路设计在一起，使用一个转换开关即可实现LED在两种功能间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED灯可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

关键词： LED；光探测器；太阳辐射计

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中图分类号：TL812 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太阳辐射是地球表面的能量来源，在地球表面进行太阳辐射测量，对于研究太阳辐射对地球生物的影响和合理有效利用太阳能具有十分主要的意义，因此日益受到人们重视。太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射或太阳总辐射等辐射量。如今常用的太阳辐射测量方法：①设计不同波长的通道采用滤光片，用跟踪系统来捕捉太阳光谱数据，并用单片机进行数据处理；②用硅光电池作太阳辐射传感器，经过模数转换，再对采集到的数据进行网络化传输。然而上述测量方法均存在着结构复杂和测量成本高的问题，因此亟待改进。而对于LED的使用，只广泛应用于照明系统。

可利用太阳能大小是太阳能热水器和太阳能发电的关键参数。利用LED作为传感器获得太阳能辐射大小，进而计算太阳能的利用率。目前使用太阳能传感器种类繁多，功能各异，具有直接太阳辐射测量功能的也不少，但大多数测量仪器结构复杂，成本较高。本论文的目的是提供一种使用发光二极管（LED）作为光探测器的太阳辐射计，并且可以利用LED进行照明。该仪器原理简单，所需原材料少，制作也很简单，还可探测窄波段的波长，添加不同颜色的LED和相应放大器后还能用于测量其他波段的光。只要在使用前经过校准，得到的结构就可和花费几千美金制作的专业仪器的结果一样好。此外，还可以利用LED的发光特性，使用一个转换开关，实现探测和照明两种功能的切换。

太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接、天空散射辐射、地球反射辐射或太阳总辐射等辐射量，是大气光学、气象研究和空气污染检测的一种很好的仪器。

1 目的和设计思路

太阳光以电磁波辐射方式到达地球表面，通常称为短波辐射，含紫外、可见和红外三大光谱区，如图1所示。

从图中可知，在可见光中，绿光的波带较宽，因此本项目优先使用绿LED作为太阳能传感器的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚和地之间）接入电压表测量输出电压即可。

为实现上述目的，本实验采用了下面电路图所示的方法，使用了一个转换开关S1：当开关S1置右端时为探测电路，只需将LED接入741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚）和地之间接入电压表测量输出电压即可。此外，当开关S1置左端时，电路仅由电源、电阻、LED组成，是一个简单的照明电路，可添加不同颜色或功率的LED灯，实现手电筒、验钞灯等其他照明功能。

当用红色、黄色或其他颜色的LED灯做实验时，电压变化范围不明显，可在原来电路后面再接一级运放（如图2右半部分），将输出电压信号进一步放大，便于观察。

2 实验过程及现象

如图3所示，由于是在室内，故采用手电筒光做实验，当用手电筒光逐渐靠近LED灯时，电压逐渐增大。为便于观察，本实验采用了三线电压表来实时显示电压数据。当无光照时，电压几乎为0；当手电筒光逐渐靠近绿色LED时电压逐渐增大，最大能到6V多；之后，又分别用了红色和黄色的LED做实验，其变化范围都不到1V。由于红色LED变化不明显，因此在红色LED探测电路后面添加了二级放大电路，其变化规律如图4所示。

实验取绿色和红色LED随光强变化的电压数据，X轴为光强，Y轴为电压；左图为绿色LED的电压数据，最大可到6V；中间的图为红色LED的电压数据，最大可到0.99V；由于红色变化范围较小，可将红色那一路接放大电路，如右图所示数据，最大可到9.8V

此外，还可以如图2电路原理图所示添加一个转换开关，当开关置左端时，电路只由电源和LED组成，是一个发光照明电路；当开关置右端时，为探测电路，此时LED灯不亮，电压与光强呈线性的关系，如图4所得实验数据。

3 结论

本实验可以通过所测得的电压变化来证明LED能探测太阳辐射的强弱，有利于更加充分的利用太阳能。LED本身可作发光元件，使用一个转换开关即可实现LED在探测电路和发光电路之间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。实验电源可以采用蓄电池，将探测到的太阳能存储起来并在需要的时候转化为电能，供LED照明，实现能源的循环

利用。

参考文献：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太阳辐射计的设计与实现[J].安徽大学学报（自然科学版），2006，30（3）.

[2]张海辉，杨青.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011，27（9）.

[3]唐慧强，魏倩.基于Zigbee技术的太阳辐射计的设计[J].仪器技术与传感器，2010（6）.

[4]麻金继.利用太阳辐射计反演合肥地区的水汽含量[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2006，29（3）.

[5]谢伟.太阳辐射计技术分析[J].红外，2003（3）.endprint

摘要： 本论文使用发光二极管（LED）作为太阳辐射计的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，构成放大电路即可，结构简单易于实现。其主要功能是测量直接太阳辐射，与专门设计的探测器相比，LED还能探测窄波段的波长。此外LED本身具有发光特性，将探测电路和发光电路设计在一起，使用一个转换开关即可实现LED在两种功能间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED灯可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

关键词： LED；光探测器；太阳辐射计

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中图分类号：TL812 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太阳辐射是地球表面的能量来源，在地球表面进行太阳辐射测量，对于研究太阳辐射对地球生物的影响和合理有效利用太阳能具有十分主要的意义，因此日益受到人们重视。太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射或太阳总辐射等辐射量。如今常用的太阳辐射测量方法：①设计不同波长的通道采用滤光片，用跟踪系统来捕捉太阳光谱数据，并用单片机进行数据处理；②用硅光电池作太阳辐射传感器，经过模数转换，再对采集到的数据进行网络化传输。然而上述测量方法均存在着结构复杂和测量成本高的问题，因此亟待改进。而对于LED的使用，只广泛应用于照明系统。

可利用太阳能大小是太阳能热水器和太阳能发电的关键参数。利用LED作为传感器获得太阳能辐射大小，进而计算太阳能的利用率。目前使用太阳能传感器种类繁多，功能各异，具有直接太阳辐射测量功能的也不少，但大多数测量仪器结构复杂，成本较高。本论文的目的是提供一种使用发光二极管（LED）作为光探测器的太阳辐射计，并且可以利用LED进行照明。该仪器原理简单，所需原材料少，制作也很简单，还可探测窄波段的波长，添加不同颜色的LED和相应放大器后还能用于测量其他波段的光。只要在使用前经过校准，得到的结构就可和花费几千美金制作的专业仪器的结果一样好。此外，还可以利用LED的发光特性，使用一个转换开关，实现探测和照明两种功能的切换。

太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接、天空散射辐射、地球反射辐射或太阳总辐射等辐射量，是大气光学、气象研究和空气污染检测的一种很好的仪器。

1 目的和设计思路

太阳光以电磁波辐射方式到达地球表面，通常称为短波辐射，含紫外、可见和红外三大光谱区，如图1所示。

从图中可知，在可见光中，绿光的波带较宽，因此本项目优先使用绿LED作为太阳能传感器的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚和地之间）接入电压表测量输出电压即可。

为实现上述目的，本实验采用了下面电路图所示的方法，使用了一个转换开关S1：当开关S1置右端时为探测电路，只需将LED接入741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚）和地之间接入电压表测量输出电压即可。此外，当开关S1置左端时，电路仅由电源、电阻、LED组成，是一个简单的照明电路，可添加不同颜色或功率的LED灯，实现手电筒、验钞灯等其他照明功能。

当用红色、黄色或其他颜色的LED灯做实验时，电压变化范围不明显，可在原来电路后面再接一级运放（如图2右半部分），将输出电压信号进一步放大，便于观察。

2 实验过程及现象

如图3所示，由于是在室内，故采用手电筒光做实验，当用手电筒光逐渐靠近LED灯时，电压逐渐增大。为便于观察，本实验采用了三线电压表来实时显示电压数据。当无光照时，电压几乎为0；当手电筒光逐渐靠近绿色LED时电压逐渐增大，最大能到6V多；之后，又分别用了红色和黄色的LED做实验，其变化范围都不到1V。由于红色LED变化不明显，因此在红色LED探测电路后面添加了二级放大电路，其变化规律如图4所示。

实验取绿色和红色LED随光强变化的电压数据，X轴为光强，Y轴为电压；左图为绿色LED的电压数据，最大可到6V；中间的图为红色LED的电压数据，最大可到0.99V；由于红色变化范围较小，可将红色那一路接放大电路，如右图所示数据，最大可到9.8V

此外，还可以如图2电路原理图所示添加一个转换开关，当开关置左端时，电路只由电源和LED组成，是一个发光照明电路；当开关置右端时，为探测电路，此时LED灯不亮，电压与光强呈线性的关系，如图4所得实验数据。

3 结论

本实验可以通过所测得的电压变化来证明LED能探测太阳辐射的强弱，有利于更加充分的利用太阳能。LED本身可作发光元件，使用一个转换开关即可实现LED在探测电路和发光电路之间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。实验电源可以采用蓄电池，将探测到的太阳能存储起来并在需要的时候转化为电能，供LED照明，实现能源的循环

利用。

参考文献：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太阳辐射计的设计与实现[J].安徽大学学报（自然科学版），2006，30（3）.

[2]张海辉，杨青.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011，27（9）.

[3]唐慧强，魏倩.基于Zigbee技术的太阳辐射计的设计[J].仪器技术与传感器，2010（6）.

[4]麻金继.利用太阳辐射计反演合肥地区的水汽含量[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2006，29（3）.

[5]谢伟.太阳辐射计技术分析[J].红外，2003（3）.endprint

摘要： 本论文使用发光二极管（LED）作为太阳辐射计的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，构成放大电路即可，结构简单易于实现。其主要功能是测量直接太阳辐射，与专门设计的探测器相比，LED还能探测窄波段的波长。此外LED本身具有发光特性，将探测电路和发光电路设计在一起，使用一个转换开关即可实现LED在两种功能间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED灯可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。

Abstract： The thesis uses a light-emitting diode as the photodetector of the sun photometer. The LED is connected the two inputs of 741 Op Amp. which can make up amplifier circuit. Its structure is simple and it is easy to implement. The main function is measuring direct solar radiation. Compared with specialized detector， LED can detect the wavelength of narrow wave band. Moreover， LED itself has emission characteristics. In order to combine detection circuit with lighting circuit， the experiment use a switch. As a light-emitting element， different colours'LED lights are used as flashlight， money detector light and so on.

关键词： LED；光探测器；太阳辐射计

Key words： LED；photodetector；solar radiometer

中图分类号：TL812 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0027-02

0 引言

地球表面的太阳辐射是地球表面的能量来源，在地球表面进行太阳辐射测量，对于研究太阳辐射对地球生物的影响和合理有效利用太阳能具有十分主要的意义，因此日益受到人们重视。太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射或太阳总辐射等辐射量。如今常用的太阳辐射测量方法：①设计不同波长的通道采用滤光片，用跟踪系统来捕捉太阳光谱数据，并用单片机进行数据处理；②用硅光电池作太阳辐射传感器，经过模数转换，再对采集到的数据进行网络化传输。然而上述测量方法均存在着结构复杂和测量成本高的问题，因此亟待改进。而对于LED的使用，只广泛应用于照明系统。

可利用太阳能大小是太阳能热水器和太阳能发电的关键参数。利用LED作为传感器获得太阳能辐射大小，进而计算太阳能的利用率。目前使用太阳能传感器种类繁多，功能各异，具有直接太阳辐射测量功能的也不少，但大多数测量仪器结构复杂，成本较高。本论文的目的是提供一种使用发光二极管（LED）作为光探测器的太阳辐射计，并且可以利用LED进行照明。该仪器原理简单，所需原材料少，制作也很简单，还可探测窄波段的波长，添加不同颜色的LED和相应放大器后还能用于测量其他波段的光。只要在使用前经过校准，得到的结构就可和花费几千美金制作的专业仪器的结果一样好。此外，还可以利用LED的发光特性，使用一个转换开关，实现探测和照明两种功能的切换。

太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器，可同时用于测量不同波长的太阳直接、天空散射辐射、地球反射辐射或太阳总辐射等辐射量，是大气光学、气象研究和空气污染检测的一种很好的仪器。

1 目的和设计思路

太阳光以电磁波辐射方式到达地球表面，通常称为短波辐射，含紫外、可见和红外三大光谱区，如图1所示。

从图中可知，在可见光中，绿光的波带较宽，因此本项目优先使用绿LED作为太阳能传感器的光探测器，只需将LED接入一个741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚和地之间）接入电压表测量输出电压即可。

为实现上述目的，本实验采用了下面电路图所示的方法，使用了一个转换开关S1：当开关S1置右端时为探测电路，只需将LED接入741运放的两个输入端，由于发光二极管不仅可以通电后发光，而且有强光照射时可以将光信号转换成微小电流信号，因此在LED后面串联一个大阻值电阻，与741运放构成放大电路，将微小电流信号转换成可以明显读数的电压信号，再在运放的输出端（即芯片6脚）和地之间接入电压表测量输出电压即可。此外，当开关S1置左端时，电路仅由电源、电阻、LED组成，是一个简单的照明电路，可添加不同颜色或功率的LED灯，实现手电筒、验钞灯等其他照明功能。

当用红色、黄色或其他颜色的LED灯做实验时，电压变化范围不明显，可在原来电路后面再接一级运放（如图2右半部分），将输出电压信号进一步放大，便于观察。

2 实验过程及现象

如图3所示，由于是在室内，故采用手电筒光做实验，当用手电筒光逐渐靠近LED灯时，电压逐渐增大。为便于观察，本实验采用了三线电压表来实时显示电压数据。当无光照时，电压几乎为0；当手电筒光逐渐靠近绿色LED时电压逐渐增大，最大能到6V多；之后，又分别用了红色和黄色的LED做实验，其变化范围都不到1V。由于红色LED变化不明显，因此在红色LED探测电路后面添加了二级放大电路，其变化规律如图4所示。

实验取绿色和红色LED随光强变化的电压数据，X轴为光强，Y轴为电压；左图为绿色LED的电压数据，最大可到6V；中间的图为红色LED的电压数据，最大可到0.99V；由于红色变化范围较小，可将红色那一路接放大电路，如右图所示数据，最大可到9.8V

此外，还可以如图2电路原理图所示添加一个转换开关，当开关置左端时，电路只由电源和LED组成，是一个发光照明电路；当开关置右端时，为探测电路，此时LED灯不亮，电压与光强呈线性的关系，如图4所得实验数据。

3 结论

本实验可以通过所测得的电压变化来证明LED能探测太阳辐射的强弱，有利于更加充分的利用太阳能。LED本身可作发光元件，使用一个转换开关即可实现LED在探测电路和发光电路之间相互转换。作为发光元件，安装不同颜色的LED可以实现手电筒、验钞灯等其他功能。实验电源可以采用蓄电池，将探测到的太阳能存储起来并在需要的时候转化为电能，供LED照明，实现能源的循环

利用。

参考文献：

[1]宋志平，洪津.多功能手持式太阳辐射计的设计与实现[J].安徽大学学报（自然科学版），2006，30（3）.

[2]张海辉，杨青.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011，27（9）.

[3]唐慧强，魏倩.基于Zigbee技术的太阳辐射计的设计[J].仪器技术与传感器，2010（6）.

[4]麻金继.利用太阳辐射计反演合肥地区的水汽含量[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2006，29（3）.

[5]谢伟.太阳辐射计技术分析[J].红外，2003（3）.endprint