Czujnik światła ultrafioletowego

Światło widziane przez człowieka stanowi wąski wycinek spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Ludzkie oko reaguje na promieniowanie o długości fali od około 780 nm do 380 nm. Niewidzialne promieniowanie o fali krótszej niż 380 nm nazywane jest ultrafioletem lub nadfioletem.

Rysunek 1. Zakresy promieniowania UV

Na rysunku 1 pokazano umowny podział widma światła w zależności od długości fali. Ultrafiolet ze względu na oddziaływanie na organizmy żywe dzielony jest na trzy podzakresy. Promieniowanie UVA jest najmniej szkodliwe. Potrafi najgłębiej wnikać w głąb skóry i w dużych dawkach prowadzi do uszkodzenia włókien kolagenowych przyśpieszając starzenie. UVB w niskich dawkach powoduje wytwarzanie w skórze witaminy D3 co jest korzystne dla organizmu. W większych powoduje oparzenia i zmiany chorobowe. Energia promieniowania UVC jest na tyle duża, że może rozbijać łańcuchy DNA i niszczyć żywe komórki.

Jednak ultrafiolet, ma także wiele pożytecznych zastosowań. W lampach jarzeniowych wykorzystywane jest zjawisko fluorescencji czyli świecenia substancji zwanych luminoforami.

Substancje te pochłaniają wytworzone w lampie promieniowanie UV i oddają potem część energii w postaci światła w zakresie widzialnym. Zjawisko fluorescencji wielu substancji w tym organicznych, wykorzystywane jest w kryminalistyce do ujawniania śladów niewidocznych w normalnym oświetleniu. Także banknoty i dokumenty zabezpieczane są dyskretnymi nadrukami świecącymi w ultrafiolecie. Naświetlanie silnym światłem UV stosowane jest podczas utwardzania niektórych lakierów. Własności bakteriobójcze promieniowania UVC wykorzystywane są do sterylizacji narzędzi i powierzchni. Ze względu na krótszą niż światło widzialne długość fali, używa się ultrafioletu w fotolitografii podczas produkcji układów scalonych.

Budowa sensora

Na fotografii 1 został pokazany moduł czujnika, w którym jako detektor promieniowania ultrafioletowego pracuje fotodioda GUVA-S12SD. Na rysunku 2 została pokazana charakterystyka tego elementu. Fotodioda GUVA-S12SD reaguje na promieniowanie z przedziału od 370 nm do 240 nm, czyli jest wrażliwa na promieniowanie ultrafioletowe z zakresu UVA, UVB i częściowo UVC. Brak wrażliwości na światło widzialne eliminuje konieczność stosowania dodatkowych filtrów.

Fotografia 1. Moduł sensora UV

Niewielki prąd wytwarzany przez oświetlaną ultrafioletem fotodiodę, jest zamieniany na proporcjonalny poziom napięcia przez wzmacniacz operacyjny SGM8521. Dodatkowe wzmocnienie zapewnia drugi wzmacniacz operacyjny LM358. Odwrócenie fazy wnoszone przez drugi układ sprawia, że napięcie wyjściowe rośnie proporcjonalnie do natężenia promieniowania padającego na fotodetektor.

Rysunek 2. Wykres czułości fotodiody GUVA-S12SD

Napięcie zasilania modułu mieści się w przedziale od 3 V do 5,5 V, przy prądzie rzędu miliamperów. Napięcie na wyjściu analogowym modułu jest proporcjonalne do intensywności promieniowania ultrafioletowego padającego na fotodiodę.

Pomiar indeksu UV

Naturalnym źródłem promieniowania ultrafioletowego jest Słońce. Ziemska atmosfera, w tym warstwa ozonowa, filtruje groźne promieniowanie z zakresu UVC i większość UVB. Jednak nawet ta część, która dociera do powierzchni Ziemi, szczególnie latem i podczas bezchmurnych dni, może być niebezpieczna dla zdrowia. Dla informacji o poziomie promieniowania i zalecanych środkach ostrożności opracowano indeks UV. Tak jak w przypadku prognoz meteo jest podawany dla określonego dnia i miejsca. Indeks wyrażany jest wartością liczbową z przedziału 1...11, gdzie:

• 1...2 – niski poziom promieniowania,
• 3...5 – średni poziom promieniowania, zalecane okulary i chronienie odkrytych części ciała,
• 6...7 – poziom wysoki, dodatkowo zaleca się stosowanie kremów ochronnych,
• 8...10 – bardzo wysoki poziom promieniowania, dodatkowo zaleca się przebywanie w cieniu,
• 11 – skrajnie wysoki poziom promieniowania UV, należy ograniczyć czas przebywania poza pomieszczeniami.

Mierząc poziom napięcia wyjściowego modułu czujnika można samemu określić aktualną wartość indeksu UV. Na stronie https://bit.ly/3oaorKP autor podaje dla modułu z czujnikiem GUVA-S12SD, poziomy napięć wyjściowych odpowiadające poziomom indeksu UV.

Budowa urządzenia

Na fotografii tytułowej został pokazany moduł sensora UV i wyświetlacz. Obydwa elementy podłączone są do płytki NUCLEO-F091. Wyjście modułu przyłączono do portu PA0, który pracuje jako wejście przetwornika ADC. Po konwersji wyniku na wartość napięcia odczytany poziom jest wyświetlany na, sterowanym magistralą I2C1 wyświetlaczu OLED. Moduł UV zasilany jest napięciem 3,3 V pobieranym ze złącza NUCLEO. Dla testu fotodioda modułu oświetlana była diodą LED małej mocy, emitującą promieniowanie UV. W pogodny dzień sprawdzono zgodność pomiaru indeksu UV do wartości 3.

Ryszard Szymaniak
biuro@ars.info.pl