光電探測器及其在火災探測中的應用

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勢，結構形式，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，隨著于人們日常的生活各方面，在光電子系統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揮重要作用。

1 光電探測器運行原理

光電探測器能夠將光輻射轉為電量，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。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，光譜區為0.3～0.8um，而硒化鎘光敏區為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以及紅外制導技術中。

1.2 真空光導二極管

陰極和陽極在真空殼體中可構成真空光電二極管，光電發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射光電子，此時陰極即可發射光電子，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射的光電子在較寬程度上，其能夠與入射光成正比例關系，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中，但對于普通光學系統來說，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生的變化所制備的火災探測器，在處于正常運行時發射器能夠發射，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，可直接發射至接收器光敏元件中，當環境中出現火災，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量減少，當達到預定值時即可向外發出報警信息，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，高位置等環境中，具有較快的反應速度，一般用于大空間的監控系統。

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發光和受光元件的安裝，一般來說，是利用較高發光率大電流紅外發光二極管可將其作為發光元件，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光元件所發出的光，但外界發生火災時，在受到煙霧粒子散射條件下，會導致射光元件的電阻產生變化，進而形成光電流，使煙霧信號轉為電信號。該類型火災探測器能夠對可見光紅外光紫外電磁波譜區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，具有穩定的抗氣流干擾，比外界環境濕度溫度對其產生影響較小，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越性，該材料在處于0.2到。100um范圍內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，在光譜中紫外區火焰輻射較弱，為探測紫外區段的火焰輻射能，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，對于傳統火焰探測器來說，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氣體壓力等相關因素的影響。

小結：總而言之，本研究針對光電探測器的不同類型進行分析，產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更高靈敏度，更高響應速度和寬帶響應趨勢發展，隨當前火災探測技術發展，其對于光電探測器運行性能要求將逐漸提升。