光電探測(cè)器及其在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用

長(zhǎng)治學(xué)院 暢巨婧

當(dāng)前光電探測(cè)器可廣泛用于太空通信，火災(zāi)監(jiān)控以及導(dǎo)彈尾焰探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中，本研究闡述了光電探測(cè)器在火災(zāi)探測(cè)中的具體運(yùn)行原理和性能優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)形式，分析目前光電探測(cè)器在火災(zāi)探測(cè)中的具體應(yīng)用情況。

近年來(lái)，隨著于人們?nèi)粘５纳罡鞣矫?，在光電子系統(tǒng)中光電探測(cè)器作為重點(diǎn)元部件，其在火災(zāi)探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

1 光電探測(cè)器運(yùn)行原理

光電探測(cè)器能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn)為電量，以便進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量的重要元器件，充分運(yùn)用光子效應(yīng)以及內(nèi)光電效應(yīng)，后者可分為光熱效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)以及光伏效應(yīng)。

1.1 光電導(dǎo)探測(cè)器

光電導(dǎo)探測(cè)器是充分利用光電導(dǎo)效應(yīng)制備形成的探測(cè)器，采用的是光半導(dǎo)體材料，該材料無(wú)需先形成p-n結(jié)。在處于正常條件下，能夠改變材料原有的電阻率，在外界光照強(qiáng)度較強(qiáng)的基礎(chǔ)上，設(shè)備電阻數(shù)值越小，即光敏電阻在處于室溫條件下，光敏電阻可用于近紅外輻射以及可見光探測(cè)。而在處于低溫條件下，非光敏電阻可用于中、遠(yuǎn)紅外輻射的探測(cè)過程中。常見的光敏電阻器包括硫化鎘，硒化鎘等材料，其中成本較低的可見光敏電阻器為硫化鎘和鋅化鎘光敏電阻器。硫化鎘光敏電阻器可用于可見光探測(cè)，其靈敏度較高，光譜區(qū)為0.3～0.8um，而硒化鎘光敏區(qū)為0.3～0.9um，峰值為0.6um，其在紅光檢測(cè)中靈敏度也是比較高的，該光敏電子器具有良好的運(yùn)行可靠性，使用壽命較長(zhǎng)，可運(yùn)用于自動(dòng)化探測(cè)中。除此之外，其具有較高的光電導(dǎo)增益比，具有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于近紅外輻射探測(cè)器來(lái)說，硫化鉛材料所制備的光敏電阻器性能較好，在室溫條件下運(yùn)行能夠縮短響應(yīng)時(shí)間，可將其廣泛用于遙感技術(shù)以及紅外制導(dǎo)技術(shù)中。

1.2 真空光導(dǎo)二極管

陰極和陽(yáng)極在真空殼體中可構(gòu)成真空光電二極管，光電發(fā)射材料分布于陰極外部位置，合理選擇玻殼形狀，進(jìn)而使陰極能夠充分接受陰極所發(fā)射的電子，且不會(huì)受外界光線因素的影響。在外加電壓下，如果存在波長(zhǎng)照射，那么光電二極管的陰極則能夠發(fā)射光電子，此時(shí)陰極即可發(fā)射光電子，并且在陽(yáng)極位置進(jìn)行電子收集，使其可形成光電流。在飽和區(qū)域光電二極管運(yùn)行電壓應(yīng)滿足公式：

其中飽和和壓降為V0，飽和電流為為I1，負(fù)載電阻為R1，光電二極管陰極所發(fā)射的光電子在較寬程度上，其能夠與入射光成正比例關(guān)系，因此可利用該材料進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)定。

1.3 熱釋電探測(cè)器

熱釋電探測(cè)器是通過熱釋電效應(yīng)進(jìn)行制備的探測(cè)器，其運(yùn)行頻率為幾百赫茲，甚至幾千赫茲，具有較快的響應(yīng)速度，可用于不同形狀尺寸的制作，其受到外部溫度影響較小。除此之外，在進(jìn)行遠(yuǎn)紅外以及紫外探測(cè)過程中，利用熱釋電探測(cè)器具有均勻吸收率和使用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于14um以上遠(yuǎn)紅外來(lái)說也可適用。這種類型的探測(cè)器使用的材料為當(dāng)今小薄片熱電晶體，在外界溫度變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致偶極距極化強(qiáng)度也發(fā)生較大變化，對(duì)于垂直極軸兩個(gè)端部電壓會(huì)顯著減小，在連接導(dǎo)線時(shí)導(dǎo)致兩端形成熱電流。熱釋電的制備材料通常為碳酸鉛陶瓷，硫酸二甘肽，其中后者制備性能較好，對(duì)于熱釋電探測(cè)器來(lái)說，作為交流期間，其針對(duì)恒定輻射來(lái)說無(wú)輸出，具有較寬的響應(yīng)波段，能夠結(jié)合使用場(chǎng)所和響應(yīng)率選擇不同偏置電阻。該探測(cè)器主要噪聲源為熱噪聲，溫度噪聲，放大器噪聲，具有較快的響應(yīng)速度，在處于負(fù)載運(yùn)行時(shí)響應(yīng)時(shí)間較短，相比其他類型的探測(cè)器來(lái)說，甚至能夠低5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，具有較廣的應(yīng)用范圍，主要由于該探測(cè)器響應(yīng)波段寬響應(yīng)速度較快，探測(cè)率高，在室溫條件下即可運(yùn)行，因此可將其用于防盜報(bào)警和防火等多個(gè)領(lǐng)域中。

1.4 光伏探測(cè)器

光伏探測(cè)器是通過光伏效應(yīng)所制備的探測(cè)器，根據(jù)是否外加偏置，可將其分為不同類型的探測(cè)器，包括光電二極管，三極管，光電池等。其中光伏探測(cè)器主要采用的是光電二極管以及光電三極管，其也是近紅外光和可見光波探測(cè)的主要元部件。相比光電二極管來(lái)說，光電三極管具有較快的響應(yīng)速度，并且偏置電壓低，相比光電二極管來(lái)說響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)頻率低，該材料一般不能用于寬帶光通信系統(tǒng)中，但對(duì)于普通光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說，由于其對(duì)于響應(yīng)頻率要求較低，因此光電三極管也可實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。比如雪崩光電二極管，其是類似光電倍增管的設(shè)備，該設(shè)備具備內(nèi)部電流增益放大效果，能夠增加光電流，提升探測(cè)器探測(cè)靈敏性。利用雪崩管在處于較高反向偏壓條件下出現(xiàn)雪崩倍增效益進(jìn)行制備的探測(cè)器，一般來(lái)說，其增益可達(dá)到10倍以上。整體來(lái)看，該類型光電二極管重量輕，體積小，運(yùn)行電壓低，成本低，具有良好的靈敏性，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在光纖通氣以及光電檢測(cè)中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。然而除具有普通光電探測(cè)器噪聲因素之外，由于含有內(nèi)部增益，因此還會(huì)引入外部噪聲，尤其在處于高溫運(yùn)行條件下，由于二極管熱噪聲能夠在短時(shí)間內(nèi)快速增加，導(dǎo)致其無(wú)法適用于特殊場(chǎng)所中。

2 在火災(zāi)探測(cè)中光電探測(cè)器具體應(yīng)用

2.1 線型光束感煙探測(cè)器

該類型探測(cè)器是通過紅外光束強(qiáng)度散射或煙粒子吸收時(shí)產(chǎn)生的變化所制備的火災(zāi)探測(cè)器，在處于正常運(yùn)行時(shí)發(fā)射器能夠發(fā)射，波長(zhǎng)達(dá)到940nm，脈沖紅外光束通過保護(hù)空間之后不會(huì)受到阻擋，可直接發(fā)射至接收器光敏元件中，當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)火災(zāi)，此時(shí)煙霧可擴(kuò)散至紅外光束，進(jìn)而使接收器所接收的紅外光數(shù)量減少，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)即可向外發(fā)出報(bào)警信息，該類型火災(zāi)探測(cè)器具有較廣保護(hù)面積，且通?？蓪⑵浒惭b于相對(duì)濕度高，強(qiáng)電場(chǎng)，高位置等環(huán)境中，具有較快的反應(yīng)速度，一般用于大空間的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 光電感煙探測(cè)器

在處于近紅外光譜和可見光譜下，光電感煙火災(zāi)探測(cè)器是通過焰粒子對(duì)光吸收、散射原理進(jìn)行制備的探測(cè)器，可將其分為兩種類型，包括散射光型和減光型探測(cè)器，在市場(chǎng)中減光型探測(cè)器應(yīng)用范圍較窄。而對(duì)于散射光型探測(cè)器來(lái)說，是根據(jù)氣溶膠粒子與電磁波彼此之間的相互作用制備形成的。對(duì)于后者來(lái)說可進(jìn)行室內(nèi)發(fā)光和受光元件的安裝，一般來(lái)說，是利用較高發(fā)光率大電流紅外發(fā)光二極管可將其作為發(fā)光元件，受光元件為半導(dǎo)體硅光電池。在處于正常運(yùn)行時(shí)受光元件無(wú)法接收發(fā)光元件所發(fā)出的光，但外界發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在受到煙霧粒子散射條件下，會(huì)導(dǎo)致射光元件的電阻產(chǎn)生變化，進(jìn)而形成光電流，使煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。該類型火災(zāi)探測(cè)器能夠?qū)梢姽饧t外光紫外電磁波譜區(qū)所散射和吸收的燃燒物進(jìn)行敏感探測(cè)，相對(duì)離子感應(yīng)探測(cè)器來(lái)說，具有穩(wěn)定的抗氣流干擾，比外界環(huán)境濕度溫度對(duì)其產(chǎn)生影響較小，相比勵(lì)磁感應(yīng)探測(cè)器來(lái)說，對(duì)于粒徑較大且灰白色粒子來(lái)說響應(yīng)速度較快。

2.3 紅外火焰探測(cè)器

對(duì)于可燃物質(zhì)中其均涉及紅外輻射，因此在火災(zāi)探測(cè)中，紅外火焰探測(cè)器也具有較廣應(yīng)用價(jià)值，在設(shè)計(jì)該類型火災(zāi)探測(cè)器時(shí)，早期火災(zāi)探測(cè)器運(yùn)行譜帶為一微米，在上世紀(jì)70年代后，光敏元件選擇硫化鉛，其可在二氧化碳吸收帶為2.7um下運(yùn)行，但該光敏元件存在較多干擾輻射源。除此之外，還會(huì)受外界溫度因素的限制，當(dāng)外界溫度高于45℃，此時(shí)光敏元件的性能較差。在上世紀(jì)80年代后，研究學(xué)者提出可利用鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器，將其作為敏感元件，具有良好的火焰探測(cè)優(yōu)越性，該材料在處于0.2到。100um范圍內(nèi)具有良好的探測(cè)靈敏性，且不會(huì)受到外界溫度因素的影響。由于該類型的探測(cè)器采用材料為鉭酸鋰，其對(duì)于紅外輻射敏感性較好，在處于4.4um譜帶中，該探測(cè)器在火焰探測(cè)中應(yīng)用效果較好。利用鉭酸鋰熱式電所制備的火焰探測(cè)器相比硫化鉛火焰探測(cè)器來(lái)說，其受到光輻射，燈光因素影響較小。

2.4 紫外火焰探測(cè)器

大部分燃燒物質(zhì)其火焰中會(huì)含有紫外輻射，因此可通過火焰紫外輻射探測(cè)進(jìn)而判斷是否存在火災(zāi)，一般來(lái)說，在光譜中紫外區(qū)火焰輻射較弱，為探測(cè)紫外區(qū)段的火焰輻射能，要求該探測(cè)器具有較高的靈敏性。因此對(duì)于光伏元件來(lái)說，要求其具有較高電流放大系數(shù)，對(duì)于傳統(tǒng)火焰探測(cè)器來(lái)說，是充分利用紫外光敏二極管，由殼體中兩個(gè)金屬電極構(gòu)成殼體并填充低壓氣體，在高能量短波輻射過程中，陰極沖擊后會(huì)釋放大量電子，同時(shí)在陽(yáng)極高電壓條件下陰極部位釋放電子，且向陽(yáng)極進(jìn)行傳導(dǎo)，由于氣體與電子之間分子碰撞可釋放更多電子，短時(shí)間后熄滅電流，此時(shí)紫外光敏管進(jìn)行脈沖輸出，其輸出頻率是與輻射強(qiáng)度成正比例關(guān)系。由于受到紫外光敏管玻璃罩因素的影響，其會(huì)阻止低于185nm波長(zhǎng)的紫外線，通過因此常見紫外光敏管，其光譜波長(zhǎng)為185～245nm之間，對(duì)于波長(zhǎng)大于245nm的波長(zhǎng)，其會(huì)受到光敏管電極材料管內(nèi)氣體壓力等相關(guān)因素的影響。

小結(jié)：總而言之，本研究針對(duì)光電探測(cè)器的不同類型進(jìn)行分析，產(chǎn)生了不同類型在火災(zāi)探測(cè)中的具體應(yīng)用，目前光電探測(cè)器可用于火焰探測(cè)火災(zāi)報(bào)警以及有源目標(biāo)成像、探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中。未來(lái)光電探測(cè)器將實(shí)現(xiàn)更高靈敏度，更高響應(yīng)速度和寬帶響應(yīng)趨勢(shì)發(fā)展，隨當(dāng)前火災(zāi)探測(cè)技術(shù)發(fā)展，其對(duì)于光電探測(cè)器運(yùn)行性能要求將逐漸提升。