UDK 551.521.17:535-3:681.586 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 34(1-2)121(2000) A. PELEGRINI ET AL.: MERILNIK ULTRAKRATKE IN VIDNE SVETLOBE… MERILNIK ULTRAKRATKE IN VIDNE SVETLOBE Z UPORABO DOMAČIH SENZORJEV ULTRAVIOLET AND VISIBLE LIGHT MONITOR Andi Pelegrini1, Slavko Amon2, Karol Požun1, Danilo Vrtačnik2, Leopold Južina1, Lidija Koller1, Igor Žgajnar1 1Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija Prejem rokopisa – received: 1999-12-20; sprejem za objavo – accepted for publication: 2000-01-17 Merilnik je namenjen za ugotavljanje nivoja osvetljenosti in prisotnosti ultravijoličnega (UV) sevanja v prostorih, kjer bi ta del svetlobnega spektra lahko škodljivo vplival na shranjeno blago (muzeji, galerije, arhivi,…). Merilnik je zasnovan na znanem osem bitnem mikrokrmilniku iz družine 8051 in fotodiodnem senzorju, slednji je bil razvit na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Za prikaz izmerjenih veličin je uporabljen prikazovalnik na tekoče kristale. Poleg samostojne rabe je mogoče merilnik preko vmesnika RS-232 povezati z osebnim računalnikom. Merilnik je samostojna enota z lastnim baterijskim napajanjem. V prihodnosti pa je predvidena tudi povezava s sistemom SKAVT (Sistem za kontrolo in analizo vlage in temperature), ki preko vmesnika RS485 lahko komunicira z večjim številom merilnikov in opozarja na morebitne napake na posameznih merilnih mestih. Ključne besede: ultravijolično sevanje, mikrokrmilnik, fotodiodni senzor, LCD-prikazovalnik, vmesnik RS-232, SKAVT Monitor for the ultra violet and visible light is designed to measure the illumination level or the presence of the ultraviolet radiation in the area, where this part of light spectrum could damage stored objects (e.g. in museums, galleries, archives...). Monitor was projected on the basis of the microprocessor 8051 and ultraviolet (UV)-sensor, which was developed at the Faculty of Electrical Engineering in Ljubljana. Measured results are visible on the liquid crystal display. Monitor could also be connected to a personal computer, through the RS-232 interface. In the future it is also expected the connection with system SKAVT (System for control and analyse of the relative humidity and temperature) which through RS485 interface has the possibility to communicate with a greater number of monitors and in the case of errors, a warrning is launched. Key words: ultraviolet light, microcontroller, photodiode sensor, LCD display, RS-232 interface, SKAVT 1 UVOD Ideja o realizaciji merilnika ultravijolične svetlobe je rezultat vse pogostejših opozoril strokovnjakov o škodljivosti UV-žarkov v zadnjem desetletju. Poleg tega, da pretirano izpostavljanje sončnim žarkom škoduje ljudem, paje ugotovljen tudi njihov škodljiv vpliv na predmete, ki so jim neprestano izpostavljene (npr. dragoceni predmeti kulturne in naravne dediščine v muzejih, galerijah, knjižnicah,…). Zaradi tanjšanja ozonskega plašča, ki kot ščit ovija zemljo, doseže vedno več UV-žarkov njeno površino. Tako se je v zadnjih letih močno povečalo srednjevalovno ultravijolično sevanje (UVB), ki povzroča kožnega raka. Prav tako je škodljiv UVA ultravijolični del sevanja, ki pa pospešuje staranje, uničenje celic in kože. V zmerni količini je sončenje zelo priporočljivo, saj krepi obrambne sposobnosti organizma, pomaga pri tvorbi vitamina D, navsezadnje pase pod vplivom UV-žarkov tvori kožni pigment. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Razvoj merilnika UV-sevanja je na začetku potekal ločeno: najprej sama detekcija UV-sevanja in nato na podlagi dobljenih rezultatov še načrtovanje elektron-skegadela1. OsnovnazahtevadobregaUV-detektorjaje velik odziv v UV-področju svetlobnegaspektrain nizek odziv v vidnem ter infrardečem področju ali drugače povedano, senzor mora biti občutljiv in hkrati selektiven. Poleg same občutljivosti in selektivnosti sta prav tako pomembna nizek zaporni tok in dolgotrajna stabilnost senzorja na UV-sevanje. V laboratoriju na Fakulteti za elektrotehniko je bilavelikapozornost posvečenaizbiri ustreznegaprincipazadetekcijo UV-sevanjain izbiri UV-filtra, ki povečaselektivnost senzorjatako, da odreže nezaželeni del spektra. Iz dobljenih karakteristik, predvsem iz relativne spektralne občutljivosti senzorja in prepustnosti filtra, je bil narejen matematični model, ki je navhodu elektronskegadelasimuliral delovanje UV senzorja. Pri razvoju elektronskegadelavezjasmo veliko dela namenili simulaciji delovanja na računal-niškem orodju SPICE, ki omogočasimuliranje vezjaz več vrstami analiz. Senzor je z električnega stališča gledano krmiljen tokovni generator, katerega odziv na UV-svetlobo je reda nekaj 100nA. Zaradi kasnejše digitalne obdelave signala z mikroprocesorjem je bila potrebnatokovno-napetostnapretvorbasignalain nato njegova digitalizacija. 3 REZULTATI IN DISKUSIJA Zaizhodišče pri razvoju senzorjaje bilaprevzeta standardnasilicijevafotodiodnastruktura, ki je bilaže razvitazavidni del spektra2. Samastrukturafotosenzorja MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 121 A. PELEGRINI ET AL.: MERILNIK ULTRAKRATKE IN VIDNE SVETLOBE… PREDNJI TRANSPARENTI« OHMSKI KONTAKT n-TIP SILICIJEVE PLASTI n+ DTFUNDIRANA PLAST ZADNJI KOVINSKI KONTAKT Prepustnost Slika 1: Prerez strukture silicijevegafotosenzorja Figure 1: Schematic cross-section of the device 0,95 0,70 0,50 0,30 0,10 0,01 f\ n 1 io-6 1 200 400 600 800 1000 Valovna dolžina A,Šnm] Slika 3: Krivuljaprepustnosti širokopasovnegaUV-filtra Figure 3: Spectral transmittance curves of UV-broadband filter je bila optimizirana z uporabo enodimenzionalnega procesnegasimulacijskegaorodjaSUPREM 3. Prerez strukture silicijevegafotosenzorjaprikazuje slika 1. Optične lastnosti elementa so bile simulirane z dvodimenzionalnim simulatorjem MEDICI 4, s katerim smo lahko ugotovili spektralni odziv elementa pri konstantni osvetlitvi. S slike 2, ki podaja izmerjeno relativno spektralno občutljivost senzorja v odvisnosti od valovne dolžine, je razvidno, da je senzor precej bolj občutljiv na infrardeči del valovnegaspektra. Ker je del spektraz valovnimi dolžinami nad 400 nm za nas nezanimiv, smo ga s širokopasovnim filtrom oslabili na zanemarljivo raven. Karakteristiko, ki podaja prepustnost filtra v odvisnosti od valovne dolžine, podaja slika 3. Ob upoštevanju teh dveh karakteristik smo tako dobili spektralni izkoristek UV-senzorja, ki ga prikazuje slika 4. Iz karakteristike spektralnega odziva je dobro vidno, kako je odziv z valovnimi dolžinami nad 400 nm močno zadušen. Dva prepustna pasova, ki sta v vidnem spektru svetlobe, imata zanemarljiv vpliv, saj je razmerje v amplitudah kar 1:104. Iz izmerjenegaje razvidno, daje senzor zelo občutljiv naUV-del svetlobnegaspektrain hkrati tudi selektiven. Pretvorbo tokovnegaodzivav napetostnega smo simulirali z računalniškim programom SPICE, ki je zelo primeren za analizo vezij. Izbirali smo med dvemamožnimaprincipomapretvorbe. Relativna spektralna občutljivost Š%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 200 400 600 800 1100 Valovna dolžinaŠX,] Slika 2: Spektralna občutljivost fotodiode Figure 2: Spectral response of the photodiode Izkoristek Š%] 102 101 10° 101 10' itr 10" 200 400 600 800 1000 1300 Valovna dolžina XŠnm] Slika 4: Spektralni izkoristek UV-senzorja z uporabo filtra Figure 4: Spectral efficiency of UV-sensor with UV-filter mounted 122 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 A. PELEGRINI ET AL.: MERILNIK ULTRAKRATKE IN VIDNE SVETLOBE… ____7 do 15V en Vcc 78L05 sc 8 7 r Senzor/\ I I O.lu 100K h 4 UP05555 Izhod —i r 6 2 ' L L 1 U 3 Isc frekvenca : 5 1 —j—O.Ol Slika 5: Elektronsko vezje zasvetlobno-frekvenčno pretvorbo Figure 5: Light to frequency conversion circuit R 1 1 Id Svetloba k + yS Slika 6: Tokovno-napetostna pretvorba Figure 6: Operating circuit example Najenostavneje bi bilo, če bi lahko zaporni tok diode (UV-senzorja), ki je sorazmeren UV-sevanju, direktno pretvorili v pravokotne impulze3, kot to prikazuje slika 5. To bi bila sicer najbolj poceni in enostavna rešitev, če ne bi imela šibke točke. S simulacijo in tudi z analizo je bilo ugotovljeno, dabi bilafrekvencaimpulzov zaradi zelo nizkegazapornegatokadiode premajhnaza natančno meritev UV-sevanja, poleg tega pa se med samo meritvijo spreminja napetost diode in s tem delovne razmere merjenja. Da bi dosegli čim večjo točnost meritve, smo se raje odločili za klasično tokovno-napetostno pretvorbo s kvalitetnim operacijskim ojačevalnikom4. Princip take pretvorbe prikazuje slika 6. Izhodnanapetost je določenas produktom zapornega tokaskozi diodo in upornostjo uporav povratni zanki. Kar je za senzor prav tako pomembno, je zveza med osvetljenostjo in zapornim tokom skozi diodo. Iz preizkusov in literature je še razvidno, daje tazvezazelo linearna v celotnem merilnem območju, kar pomeni, da Ojačevalnik +I/U konv. A/D pretvornik Napajanje LCD prikazovalnik Slika 7: Blok shemamerilnikazaUV-svetlobo Figure 7: Ultra violet monitor schematic diagram bo izhodna napetost linearno sorazmerna UV-sevanju. Predvsem z matematičnim modelom UV-senzorja in uporabo simulacijskegaorodjaSPICE smo nakoncu simulirali celotno elektronsko vezje in gasevedavmes tudi prirejali, tako da smo na izhodu dobili signal, ki se je gibal v zastavljenih mejah. Pretvorba izhodnega signalav digitalno obliko je bilaizvedenas klasičnim 12-bitnim A/D-pretvornikom, ki zagotavlja zadostno natančnost same pretvorbe in posledično tudi meritve. Celotna obdelava vseh podatkovnih signalov in vse preostale operacije, ki se izvajajo v procesorju, poteka po programu, ki je napisan v zbirnem jeziku in shranjen v pomnilniku tipaEPROM. Poenostavljeno blok-shemo merilnika UV-svetlobe skupaj z UV-senzorjem prikazuje slika 7. 4 SKLEP V merilniku je uporabljen UV-senzor, ki je bil razvit naFakulteti zaelektrotehniko v Ljubljani. Merilnik omogočamerjenje UV-sevanjav UVA-delu in UVB-delu spektrain vrednost izpiše naLCD-pri-kazovalniku. Z ustrezno tabelo je mogoča tudi pretvorba v t.i. UV-indeks. Uporabamikrokontrolerjaomogočaveliko na-tančnost merjenja in hkrati dopušča možnosti za razširitev (glej SKAVT). for 5 LITERATURA 1 Report of the finished parts of the project IEVT (Institut Electronics and Vacuum Technics), Ljubljana, 1999 2 Silicon Photosenzor chip, Faculty for electronics, Laboratory for electronics part, Ljubljana 1999 3 Hamamatsu photonics, http://www.hamamatsu.it, 1999 4 Photo detectors, Svet elektronike (1999) 9-10, 40-44 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 123