長治學院 暢巨婧

當前光電探測器可廣泛用于太空通信，火災監(jiān)控以及導彈尾焰探測等多個領域中，本研究闡述了光電探測器在火災探測中的具體運行原理和性能優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)形式，分析目前光電探測器在火災探測中的具體應用情況。

近年來，隨著于人們?nèi)粘５纳罡鞣矫?，在光電子系統(tǒng)中光電探測器作為重點元部件，其在火災探測等多個領域中發(fā)揮重要作用。

1 光電探測器運行原理

光電探測器能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn)為電量，以便進行指標測量的重要元器件，充分運用光子效應以及內(nèi)光電效應，后者可分為光熱效應和光電導效應以及光伏效應。

1.1 光電導探測器

光電導探測器是充分利用光電導效應制備形成的探測器，采用的是光半導體材料，該材料無需先形成p-n結(jié)。在處于正常條件下，能夠改變材料原有的電阻率，在外界光照強度較強的基礎上，設備電阻數(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。而在處于低溫條件下，非光敏電阻可用于中、遠紅外輻射的探測過程中。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，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，其在紅光檢測中靈敏度也是比較高的，該光敏電子器具有良好的運行可靠性，使用壽命較長，可運用于自動化探測中。除此之外，其具有較高的光電導增益比，具有較長的響應時間。對于近紅外輻射探測器來說，硫化鉛材料所制備的光敏電阻器性能較好，在室溫條件下運行能夠縮短響應時間，可將其廣泛用于遙感技術(shù)以及紅外制導技術(shù)中。

1.2 真空光導二極管

陰極和陽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，進而使陰極能夠充分接受陰極所發(fā)射的電子，且不會受外界光線因素的影響。在外加電壓下，如果存在波長照射，那么光電二極管的陰極則能夠發(fā)射光電子，此時陰極即可發(fā)射光電子，并且在陽極位置進行電子收集，使其可形成光電流。在飽和區(qū)域光電二極管運行電壓應滿足公式：

其中飽和和壓降為V0，飽和電流為為I1，負載電阻為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行光強測定。

1.3 熱釋電探測器

熱釋電探測器是通過熱釋電效應進行制備的探測器，其運行頻率為幾百赫茲，甚至幾千赫茲，具有較快的響應速度，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，在進行遠紅外以及紫外探測過程中，利用熱釋電探測器具有均勻吸收率和使用范圍廣等優(yōu)勢，尤其對于14um以上遠紅外來說也可適用。這種類型的探測器使用的材料為當今小薄片熱電晶體，在外界溫度變化時會導致偶極距極化強度也發(fā)生較大變化，對于垂直極軸兩個端部電壓會顯著減小，在連接導線時導致兩端形成熱電流。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，對于熱釋電探測器來說，作為交流期間，其針對恒定輻射來說無輸出，具有較寬的響應波段，能夠結(jié)合使用場所和響應率選擇不同偏置電阻。該探測器主要噪聲源為熱噪聲，溫度噪聲，放大器噪聲，具有較快的響應速度，在處于負載運行時響應時間較短，相比其他類型的探測器來說，甚至能夠低5個數(shù)量級以上，具有較廣的應用范圍，主要由于該探測器響應波段寬響應速度較快，探測率高，在室溫條件下即可運行，因此可將其用于防盜報警和防火等多個領域中。

1.4 光伏探測器

光伏探測器是通過光伏效應所制備的探測器，根據(jù)是否外加偏置，可將其分為不同類型的探測器，包括光電二極管，三極管，光電池等。其中光伏探測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的主要元部件。相比光電二極管來說，光電三極管具有較快的響應速度，并且偏置電壓低，相比光電二極管來說響應時間長，響應頻率低，該材料一般不能用于寬帶光通信系統(tǒng)中，但對于普通光學系統(tǒng)來說，由于其對于響應頻率要求較低，因此光電三極管也可實現(xiàn)廣泛應用。比如雪崩光電二極管，其是類似光電倍增管的設備，該設備具備內(nèi)部電流增益放大效果，能夠增加光電流，提升探測器探測靈敏性。利用雪崩管在處于較高反向偏壓條件下出現(xiàn)雪崩倍增效益進行制備的探測器，一般來說，其增益可達到10倍以上。整體來看，該類型光電二極管重量輕，體積小，運行電壓低，成本低，具有良好的靈敏性，響應速度快等特點，在光纖通氣以及光電檢測中具有廣泛應用價值。然而除具有普通光電探測器噪聲因素之外，由于含有內(nèi)部增益，因此還會引入外部噪聲，尤其在處于高溫運行條件下，由于二極管熱噪聲能夠在短時間內(nèi)快速增加，導致其無法適用于特殊場所中。

2 在火災探測中光電探測器具體應用

2.1 線型光束感煙探測器

該類型探測器是通過紅外光束強度散射或煙粒子吸收時產(chǎn)生的變化所制備的火災探測器，在處于正常運行時發(fā)射器能夠發(fā)射，波長達到940nm，脈沖紅外光束通過保護空間之后不會受到阻擋，可直接發(fā)射至接收器光敏元件中，當環(huán)境中出現(xiàn)火災，此時煙霧可擴散至紅外光束，進而使接收器所接收的紅外光數(shù)量減少，當達到預定值時即可向外發(fā)出報警信息，該類型火災探測器具有較廣保護面積，且通常可將其安裝于相對濕度高，強電場，高位置等環(huán)境中，具有較快的反應速度，一般用于大空間的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 光電感煙探測器

在處于近紅外光譜和可見光譜下，光電感煙火災探測器是通過焰粒子對光吸收、散射原理進行制備的探測器，可將其分為兩種類型，包括散射光型和減光型探測器，在市場中減光型探測器應用范圍較窄。而對于散射光型探測器來說，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。對于后者來說可進行室內(nèi)發(fā)光和受光元件的安裝，一般來說，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，受光元件為半導體硅光電池。在處于正常運行時受光元件無法接收發(fā)光元件所發(fā)出的光，但外界發(fā)生火災時，在受到煙霧粒子散射條件下，會導致射光元件的電阻產(chǎn)生變化，進而形成光電流，使煙霧信號轉(zhuǎn)為電信號。該類型火災探測器能夠?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行敏感探測，相對離子感應探測器來說，具有穩(wěn)定的抗氣流干擾，比外界環(huán)境濕度溫度對其產(chǎn)生影響較小，相比勵磁感應探測器來說，對于粒徑較大且灰白色粒子來說響應速度較快。

2.3 紅外火焰探測器

對于可燃物質(zhì)中其均涉及紅外輻射，因此在火災探測中，紅外火焰探測器也具有較廣應用價值，在設計該類型火災探測器時，早期火災探測器運行譜帶為一微米，在上世紀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下運行，但該光敏元件存在較多干擾輻射源。除此之外，還會受外界溫度因素的限制，當外界溫度高于45℃，此時光敏元件的性能較差。在上世紀80年代后，研究學者提出可利用鉭酸鋰熱釋電探測器，將其作為敏感元件，具有良好的火焰探測優(yōu)越性，該材料在處于0.2到。100um范圍內(nèi)具有良好的探測靈敏性，且不會受到外界溫度因素的影響。由于該類型的探測器采用材料為鉭酸鋰，其對于紅外輻射敏感性較好，在處于4.4um譜帶中，該探測器在火焰探測中應用效果較好。利用鉭酸鋰熱式電所制備的火焰探測器相比硫化鉛火焰探測器來說，其受到光輻射，燈光因素影響較小。

2.4 紫外火焰探測器

大部分燃燒物質(zhì)其火焰中會含有紫外輻射，因此可通過火焰紫外輻射探測進而判斷是否存在火災，一般來說，在光譜中紫外區(qū)火焰輻射較弱，為探測紫外區(qū)段的火焰輻射能，要求該探測器具有較高的靈敏性。因此對于光伏元件來說，要求其具有較高電流放大系數(shù)，對于傳統(tǒng)火焰探測器來說，是充分利用紫外光敏二極管，由殼體中兩個金屬電極構(gòu)成殼體并填充低壓氣體，在高能量短波輻射過程中，陰極沖擊后會釋放大量電子，同時在陽極高電壓條件下陰極部位釋放電子，且向陽極進行傳導，由于氣體與電子之間分子碰撞可釋放更多電子，短時間后熄滅電流，此時紫外光敏管進行脈沖輸出，其輸出頻率是與輻射強度成正比例關(guān)系。由于受到紫外光敏管玻璃罩因素的影響，其會阻止低于185nm波長的紫外線，通過因此常見紫外光敏管，其光譜波長為185～245nm之間，對于波長大于245nm的波長，其會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，本研究針對光電探測器的不同類型進行分析，產(chǎn)生了不同類型在火災探測中的具體應用，目前光電探測器可用于火焰探測火災報警以及有源目標成像、探測等多個領域中。未來光電探測器將實現(xiàn)更高靈敏度，更高響應速度和寬帶響應趨勢發(fā)展，隨當前火災探測技術(shù)發(fā)展，其對于光電探測器運行性能要求將逐漸提升。