Люксметр: устройство и принцип работы¶

Люксметр — это переносной или стационарный измерительный прибор, предназначенный для определения освещённости, то есть отношения светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Единицей измерения в системе СИ является люкс (лк), равный одному люмену на квадратный метр. Люксметры применяются в гигиене труда, на производстве, в фотографии, сельском хозяйстве и при проектировании освещения для контроля соответствия условий нормативным требованиям.

¶Устройство

Основным элементом любого люксметра является фотоэлектрический датчик, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. В большинстве современных приборов используются полупроводниковые фотодиоды, обладающие высокой чувствительностью и линейностью характеристик. Датчик конструктивно размещается в отдельном корпусе и соединяется с измерительным блоком гибким кабелем, что позволяет размещать его в труднодоступных точках.

Корпус датчика снабжён светофильтрами и насадками. Светофильтры корректируют спектральную чувствительность фотодиода, приближая её к кривой видности человеческого глаза. Это необходимо, поскольку прибор должен измерять не физическую энергию излучения, а именно световое ощущение. Насадки (обычно из молочного белого стекла или пластика) представляют собой рассеиватели, которые используются для измерения освещённости от источников с большим световым потоком, чтобы избежать насыщения фотодиода.

Измерительный блок содержит усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер. Результат отображается на жидкокристаллическом дисплее в цифровом виде. Питание осуществляется от батареек или аккумуляторов. Стационарные промышленные люксметры могут иметь аналоговый выход для подключения к системам автоматизации.

¶Принцип работы

Принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте. Когда фотоны света попадают на p-n-переход фотодиода, в нём генерируются пары носителей заряда, создавая фототок. Величина этого тока прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Фототок преобразуется в напряжение, которое усиливается и оцифровывается.

Микроконтроллер производит вычисление уровня освещённости с учётом калибровочных коэффициентов и текущего диапазона измерения. Коэффициенты закладываются при заводской калибровке прибора по эталонным источникам света. Для повышения точности в некоторых моделях применяется спектральная коррекция в реальном времени с использованием нескольких фотодиодов с разными фильтрами.

¶Классификация

По конструкции и назначению выделяют несколько типов люксметров:

• Цифровые — наиболее распространённый тип, обеспечивающий высокую точность и удобство считывания показаний.
• Аналоговые (стрелочные) — устаревшие модели с гальванометром, встречаются редко.
• Комбинированные — приборы, совмещающие функции люксметра, яркомера и пульсметра (измерителя коэффициента пульсации освещённости).
• Стационарные — встраиваемые в системы управления освещением зданий, передающие данные по цифровым интерфейсам.
• Специализированные — для фотографии (с возможностью установки выдержки и диафрагмы), для растениеводства (измерение фотосинтетически активной радиации).

По классу точности приборы делятся на эталонные и рабочие. Рабочие люксметры, в свою очередь, подразделяются на разряды в зависимости от допустимой погрешности.

¶Применение

Основная область применения — санитарно-гигиенический контроль. В Российской Федерации нормы освещённости рабочих мест регламентируются СП 52.13330 и СанПиН 1.2.3685-21. Люксметры используются специалистами Роспотребнадзора и службами охраны труда для проверки соответствия освещения на рабочих местах, в учебных заведениях, медицинских учреждениях.

В фотографии и видеосъёмке люксметры применяются для определения экспозиции при натурных съёмках, хотя в цифровую эпоху чаще используются встроенные экспонометры камер. В сельском хозяйстве приборы помогают контролировать уровень освещённости в теплицах для оптимизации фотосинтеза. В музеях и архивах люксметры используются для контроля светового режима хранения экспонатов, чувствительных к свету. Светотехники применяют люксметры при приёмочных испытаниях осветительных установок и при расчёте равномерности освещения.

¶Критерии выбора

При выборе люксметра обращают внимание на диапазон измерения (обычно от 1 до 200 000 лк), класс точности, наличие функции автоматического выбора диапазона, возможность усреднения показаний и регистрации данных. Для профессионального контроля важна поверка прибора — периодическая проверка точности в аккредитованной метрологической службе. Для бытового использования достаточно недорогих моделей с погрешностью около 10 %, тогда как для лабораторных исследований требуются приборы с погрешностью не более 4–5 %.

¶Источники

• СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение»
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности факторов среды обитания»
• ГОСТ 24940-2016 «Здания и сооружения. Методы измерения освещённости»
• Гуревич М. М. «Фотометрия. Теория, методы и приборы»