光电探测器及其在火灾探测中的应用

长治学院 畅巨婧

当前光电探测器可广泛用于太空通信，火灾监控以及导弹尾焰探测等多个领域中，本研究阐述了光电探测器在火灾探测中的具体运行原理和性能优势，结构形式，分析目前光电探测器在火灾探测中的具体应用情况。

近年来，随着于人们日常的生活各方面，在光电子系统中光电探测器作为重点元部件，其在火灾探测等多个领域中发挥重要作用。

1 光电探测器运行原理

光电探测器能够将光辐射转为电量，以便进行指标测量的重要元器件，充分运用光子效应以及内光电效应，后者可分为光热效应和光电导效应以及光伏效应。

1.1 光电导探测器

光电导探测器是充分利用光电导效应制备形成的探测器，采用的是光半导体材料，该材料无需先形成p-n结。在处于正常条件下，能够改变材料原有的电阻率，在外界光照强度较强的基础上，设备电阻数值越小，即光敏电阻在处于室温条件下，光敏电阻可用于近红外辐射以及可见光探测。而在处于低温条件下，非光敏电阻可用于中、远红外辐射的探测过程中。常见的光敏电阻器包括硫化镉，硒化镉等材料，其中成本较低的可见光敏电阻器为硫化镉和锌化镉光敏电阻器。硫化镉光敏电阻器可用于可见光探测，其灵敏度较高，光谱区为0.3～0.8um，而硒化镉光敏区为0.3～0.9um，峰值为0.6um，其在红光检测中灵敏度也是比较高的，该光敏电子器具有良好的运行可靠性，使用寿命较长，可运用于自动化探测中。除此之外，其具有较高的光电导增益比，具有较长的响应时间。对于近红外辐射探测器来说，硫化铅材料所制备的光敏电阻器性能较好，在室温条件下运行能够缩短响应时间，可将其广泛用于遥感技术以及红外制导技术中。

1.2 真空光导二极管

阴极和阳极在真空壳体中可构成真空光电二极管，光电发射材料分布于阴极外部位置，合理选择玻壳形状，进而使阴极能够充分接受阴极所发射的电子，且不会受外界光线因素的影响。在外加电压下，如果存在波长照射，那么光电二极管的阴极则能够发射光电子，此时阴极即可发射光电子，并且在阳极位置进行电子收集，使其可形成光电流。在饱和区域光电二极管运行电压应满足公式：

其中饱和和压降为V0，饱和电流为为I1，负载电阻为R1，光电二极管阴极所发射的光电子在较宽程度上，其能够与入射光成正比例关系，因此可利用该材料进行光强测定。

1.3 热释电探测器

热释电探测器是通过热释电效应进行制备的探测器，其运行频率为几百赫兹，甚至几千赫兹，具有较快的响应速度，可用于不同形状尺寸的制作，其受到外部温度影响较小。除此之外，在进行远红外以及紫外探测过程中，利用热释电探测器具有均匀吸收率和使用范围广等优势，尤其对于14um以上远红外来说也可适用。这种类型的探测器使用的材料为当今小薄片热电晶体，在外界温度变化时会导致偶极距极化强度也发生较大变化，对于垂直极轴两个端部电压会显著减小，在连接导线时导致两端形成热电流。热释电的制备材料通常为碳酸铅陶瓷，硫酸二甘肽，其中后者制备性能较好，对于热释电探测器来说，作为交流期间，其针对恒定辐射来说无输出，具有较宽的响应波段，能够结合使用场所和响应率选择不同偏置电阻。该探测器主要噪声源为热噪声，温度噪声，放大器噪声，具有较快的响应速度，在处于负载运行时响应时间较短，相比其他类型的探测器来说，甚至能够低5个数量级以上，具有较广的应用范围，主要由于该探测器响应波段宽响应速度较快，探测率高，在室温条件下即可运行，因此可将其用于防盗报警和防火等多个领域中。

1.4 光伏探测器

光伏探测器是通过光伏效应所制备的探测器，根据是否外加偏置，可将其分为不同类型的探测器，包括光电二极管，三极管，光电池等。其中光伏探测器主要采用的是光电二极管以及光电三极管，其也是近红外光和可见光波探测的主要元部件。相比光电二极管来说，光电三极管具有较快的响应速度，并且偏置电压低，相比光电二极管来说响应时间长，响应频率低，该材料一般不能用于宽带光通信系统中，但对于普通光学系统来说，由于其对于响应频率要求较低，因此光电三极管也可实现广泛应用。比如雪崩光电二极管，其是类似光电倍增管的设备，该设备具备内部电流增益放大效果，能够增加光电流，提升探测器探测灵敏性。利用雪崩管在处于较高反向偏压条件下出现雪崩倍增效益进行制备的探测器，一般来说，其增益可达到10倍以上。整体来看，该类型光电二极管重量轻，体积小，运行电压低，成本低，具有良好的灵敏性，响应速度快等特点，在光纤通气以及光电检测中具有广泛应用价值。然而除具有普通光电探测器噪声因素之外，由于含有内部增益，因此还会引入外部噪声，尤其在处于高温运行条件下，由于二极管热噪声能够在短时间内快速增加，导致其无法适用于特殊场所中。

2 在火灾探测中光电探测器具体应用

2.1 线型光束感烟探测器

该类型探测器是通过红外光束强度散射或烟粒子吸收时产生的变化所制备的火灾探测器，在处于正常运行时发射器能够发射，波长达到940nm，脉冲红外光束通过保护空间之后不会受到阻挡，可直接发射至接收器光敏元件中，当环境中出现火灾，此时烟雾可扩散至红外光束，进而使接收器所接收的红外光数量减少，当达到预定值时即可向外发出报警信息，该类型火灾探测器具有较广保护面积，且通常可将其安装于相对湿度高，强电场，高位置等环境中，具有较快的反应速度，一般用于大空间的监控系统。

2.2 光电感烟探测器

在处于近红外光谱和可见光谱下，光电感烟火灾探测器是通过焰粒子对光吸收、散射原理进行制备的探测器，可将其分为两种类型，包括散射光型和减光型探测器，在市场中减光型探测器应用范围较窄。而对于散射光型探测器来说，是根据气溶胶粒子与电磁波彼此之间的相互作用制备形成的。对于后者来说可进行室内发光和受光元件的安装，一般来说，是利用较高发光率大电流红外发光二极管可将其作为发光元件，受光元件为半导体硅光电池。在处于正常运行时受光元件无法接收发光元件所发出的光，但外界发生火灾时，在受到烟雾粒子散射条件下，会导致射光元件的电阻产生变化，进而形成光电流，使烟雾信号转为电信号。该类型火灾探测器能够对可见光红外光紫外电磁波谱区所散射和吸收的燃烧物进行敏感探测，相对离子感应探测器来说，具有稳定的抗气流干扰，比外界环境湿度温度对其产生影响较小，相比励磁感应探测器来说，对于粒径较大且灰白色粒子来说响应速度较快。

2.3 红外火焰探测器

对于可燃物质中其均涉及红外辐射，因此在火灾探测中，红外火焰探测器也具有较广应用价值，在设计该类型火灾探测器时，早期火灾探测器运行谱带为一微米，在上世纪70年代后，光敏元件选择硫化铅，其可在二氧化碳吸收带为2.7um下运行，但该光敏元件存在较多干扰辐射源。除此之外，还会受外界温度因素的限制，当外界温度高于45℃，此时光敏元件的性能较差。在上世纪80年代后，研究学者提出可利用钽酸锂热释电探测器，将其作为敏感元件，具有良好的火焰探测优越性，该材料在处于0.2到。100um范围内具有良好的探测灵敏性，且不会受到外界温度因素的影响。由于该类型的探测器采用材料为钽酸锂，其对于红外辐射敏感性较好，在处于4.4um谱带中，该探测器在火焰探测中应用效果较好。利用钽酸锂热式电所制备的火焰探测器相比硫化铅火焰探测器来说，其受到光辐射，灯光因素影响较小。

2.4 紫外火焰探测器

大部分燃烧物质其火焰中会含有紫外辐射，因此可通过火焰紫外辐射探测进而判断是否存在火灾，一般来说，在光谱中紫外区火焰辐射较弱，为探测紫外区段的火焰辐射能，要求该探测器具有较高的灵敏性。因此对于光伏元件来说，要求其具有较高电流放大系数，对于传统火焰探测器来说，是充分利用紫外光敏二极管，由壳体中两个金属电极构成壳体并填充低压气体，在高能量短波辐射过程中，阴极冲击后会释放大量电子，同时在阳极高电压条件下阴极部位释放电子，且向阳极进行传导，由于气体与电子之间分子碰撞可释放更多电子，短时间后熄灭电流，此时紫外光敏管进行脉冲输出，其输出频率是与辐射强度成正比例关系。由于受到紫外光敏管玻璃罩因素的影响，其会阻止低于185nm波长的紫外线，通过因此常见紫外光敏管，其光谱波长为185～245nm之间，对于波长大于245nm的波长，其会受到光敏管电极材料管内气体压力等相关因素的影响。

小结：总而言之，本研究针对光电探测器的不同类型进行分析，产生了不同类型在火灾探测中的具体应用，目前光电探测器可用于火焰探测火灾报警以及有源目标成像、探测等多个领域中。未来光电探测器将实现更高灵敏度，更高响应速度和宽带响应趋势发展，随当前火灾探测技术发展，其对于光电探测器运行性能要求将逐渐提升。