光电探测器范文

光电探测器篇1

关键词：CPU；光电感烟；火灾探测器；硬件；软件

引言

为了避免火灾的发生，火灾自动报警及联动控制技术历经150多年的发展，已进入广泛应用阶段。如今，火灾探测器经历了开关量探测器、模拟量探测器和智能型探测器三个发展阶段。

本文将介绍一种智能型火灾探测器的设计过程。

光电感烟火灾探测器的硬件设计

本文中光电感烟火灾探测器硬件设计分为CPU选型、硬件电路和总线接口设计三个部分。

CPU选型

本文根据光电感烟火灾探测器的实际需求，从CPU的性价比、功耗、开发难易程度等方面综合考虑，选用了PIC系列单片机。该系列单片机采用RISC结构，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。

PIC系列8位单片机共有三个系列，即基本级、中级和高级，通过对CPU的I／O口线、功耗、成本的比较，最终选择了中级的PICl6C712。系统利用CPU的捕捉输入端口接收控制器发来的地址、命令、数据，并将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2PROM中，对接收放大电路输出电压进行A／D转换。

硬件电路设计

本文设计的光电感烟火灾探测器的电路系统主要由CPU、存储器、发射电路、接收放大电路、总线接口电路、稳压电路、信号返回电路及确认灯电路组成，如图1所示。

串行E2PROM存储器用于存储探测器的出厂序列号、地址编码、报警阈值等信息，该存储器可在线电擦除、电写入，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点。

目前常用的串行EzPROM有两线制、三线制两种。两线制产品用于需要12C总线、有抗噪声性能、I／O口线受限制的应用中，三线制产品用于有限制规约要求，且采用SPI规约、需要有更高时钟频率要求，或需要16位数据字宽的应用中。

为节约CPU的I／O口线，本文选用两线制串行EPROM芯片24LC01。

采用时钟(sCL)和数据(sDA)两根线进行数据传输，接口十分简单。SDA是串行数据脚。该脚为双向脚，漏极开路，用于地址、数据的输入和数据的输出，使用时需加上拉电阻。SCL是时钟脚，该脚为器件数据传输的同步时钟信号。

SDA和SCL脚均为施密特触发输入，并有滤波电路，可有效抑制噪声尖峰信号，保证在总线噪声严重时器件仍能正常工作。

总线接口设计

火灾探测器与火灾报警控制器之间采用总线连接，在直流24V电源上叠加7.5V脉冲信号，脉冲信号(包含地址与数据)经耦合后送至CPU进行译码、接收。

火灾探测器利用CPU的捕捉输入口接收控制器发来的地址、命令和数据信息，将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2pROM中，对接收放大电路输出电压进行A／D转换。

为了在通讯时使总线电压保持相对恒定，采用高低电平交替发送信息的办法，即通过高电平或低电平的不同宽度来表示不同的信息，可以有效利用总线的带宽。在本系统中，为了减少脉冲个数，每个脉冲表示两位2进制码，如表1所示。

火灾报警控制器在巡检时最多发送16位数据、2位校验位，其中前8位是地址或命令、后8位是数据，起始信号为5ms的低电平，校验脉冲同时也是停止脉冲。控制器还向火灾探测器等部件发送广播信号，探测器根据不同的命令接收或返回相应的数据。

当探测器接收到与自身地址码相同的寻址信号时，CPU控制信号返回电路以脉冲幅度固定的电流信号向控制器返回探测器的地址、检测值、故障、火警状态等信息，返回的数据共10位，其中8位数据、2位校验，探测器在控制器发送数据完成1ms后立即返回数据，脉冲幅度为40mA。信号波形如图2所示。

光电感烟火灾探测器的软件设计

报警广播协议设计

为使火灾报警控制器能快速响应探测器的报警信息，我们设计了报警广播通信协议。火灾报警控制器定时向整个回路发送广播信息，探测器收到广播信号时，如该探测器有报警信号需要发送，则开始逐位发送自己的地址，此时可能有多个探测器有报警信号，例如两个探测器的地址分别是1和2(以下称1#和2#探测器)，探测器首先发送自己的最低位，如图3中的A点，若最低位是1则发送脉冲宽度是1.024ms，如为0则宽度为0.768ms。

当两个探测器同时发送时，返回的实际数据是1，控制器收到后，立刻通过总线把数据返回，如图3中B点，当2#收到该信号l时，与自己刚才发送的0相比较，发现不一致即退出通讯，1#则继续通讯，发送自己后边的所有地址位，直到发送完成。控制器在通讯完成后，已经获知1#探测器有新报警，则通过巡检该地址的方式获得该探测器的报警信息。

1#探测器在成功进行一次报警广播通讯后，不再进行广播通讯，除非有新报警信息产生(所有信息有新的变化)。当控制器在下一个周期发送广播通讯时，2#探测器继续返回自己的信号，直到通讯完成。这样控制器在两个巡检周期内完成了两个报警信息的查询。

探测器发送的每个脉冲必须在收到脉冲0.5－1ms时返回，所有探测器必须保持一致。

由于每次广播通讯的过程中低电平的脉冲宽度都小于5ms，因此其它探测器可以据此判断通讯是否结束。

报警判据设计

本文设计的光电感烟火灾探测器采用两发一收的双光路迷宫，微处理器实时计算与2个发射管构成前向散射光路和后向散射光路的接收管，以响应输出值的比值。根据不同颜色、粒径粒子的响应输出比值不同，对进入探测室烟雾颗粒进行分析、判断，确认烟雾颜色及水雾、灰尘等非火警因素，并根据烟雾颗粒的颜色调整探测器响应阈值，实现对各种颜色烟雾的均衡响应。

前向散射、后向散射可各设一浮动阈值，其中后向散射阀值小，当检测值变化量超过浮动阈值进行连续采样判断。当前向散射、后向散射有一路出现故障时，另一路可独立进行火警判断。

因为光学探测室的内壁不可能成为绝对黑体，发光元件发出的光经过内壁多次反射后，必然在探测空间内形成一定照度的背景光，通过对背景光变化信号的分析，判断发光元件的发光强度、接收元件的接收灵敏度、探测室的状态等，使探测器实现自诊断。

软件设计实现

为了使软件有良好的可维护性，本文采用模块化设计，流程如图4所示。

主程序功能

实现对该程序的初始化设置，检查探测器的地址、阈值、传感器故障，判断火警，写EEPROM等。

捕捉中断功能

该模块接收控制器发送的编码信号。

比较中断功能

该模块向控制器发送返回信号。

定时器0中断功能

该模块对接收到的编码信号进行分析处理，准备需向控制器返回的数据。

定时器2中断功能

该模块进行ACD采样间隔、巡检闪灯间隔的计时。

结语

光电探测器篇2

关键词：氧化锌 纳米线阵列 紫外探测器

中图分类号：TQ132.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0019-02

第三代半导体材料ZnO被广泛认为是制造可见光盲紫外探测器的首先材料。最近几年，研究者基于ZnO的纳米结构研制高性能的紫外探测器[1-2]。Kind等人最先发现了单根ZnO纳米线的电导随紫外光照射变化异常的灵敏[3]。Zhou等人利用肖特基接触和对ZnO纳米线进行高分子表面修饰，单根纳米线紫外探测器件的恢复时间缩短到20 ms[4]。在基于ZnO纳米结构研制紫外光探测器的进程中，研究者们尝试设计各种新颖的方法来更进一步提升紫外光探测器的各种性能参数，并努力探索该类器件的工作机制[1-5]。然而，上述研究均是围绕着单根纳米线器件开展的，而在纳米尺度构造单根纳米线器件，一个避免不了且必须面对的关键问题就是纳电极的制作会涉及较多的问题，比如说：金属电极和一维材料的接触问题；纳电极的引出问题；电极宽度和间距对电子输运的影响等等。此外，单根纳米线器件的实现一般需要用到价值不菲的聚焦离子束或电子束曝光工艺，且此类器件的集成目前为止仍然无法有效得到解决。纳米线器件存在的问题在于它的制作成本、性能和稳定性。相比之下，制备一维纳米阵列器件正好可以避开以上问题，它所研究的对象是多根纳米线的整体行为，从中获取纳米材料相关的有用信息，为开发新一代纳米器件奠定良好基础。

该文正是在这一研究背景基础上，设计并制作出了新型的ZnO纳米阵列光探测器结构，重点探讨其紫外光敏响应，并通过分析实验结果来试图解释它的物理机理。

1 实验

首先是利用催化剂辅助气相输运法在GaN/蓝宝石衬底上定向生长出形貌优良的一维ZnO纳米线阵列，尺寸大小1 cm×1 cm。接着将纳米线阵列样品平放在两块ITO导电玻璃正面，使之充分接触，两ITO间距约0.1 mm。使用光通过控制波长365 nm的便携式紫外灯（0.3 mW/cm2）的“开”和“关”来实现光照和黑暗两种条件，测量特定偏压下两ITO之间光照周期性变化时电流随时间的实时曲线，器件组成示意图如图1。

2 结果与讨论

大尺寸垂直定向排列的ZnO纳米线阵列的形貌见图2（a）。在5V偏压下，UV灯开和关周期性变化测量的电流实时曲线如图2 （b）所示。从实验中代表性三个周期的数值可算出UV光照下的明电流是无光下暗电流的4倍多。当没有光照时，ZnO纳米线表面的氧分子会吸附ZnO中的自由电子而变成氧负离子：，这样就减少了自由载流子的浓度，并在靠近纳米线表面处产生一降低电子迁移率的耗尽层。加之纳米线本身的比表面积特点，氧分子的吸附能够比较显著地降低纳米线的电导率。图2（b）中曲线的上升速率可用方程来描述，即光响应特性。通过拟合计算得出的响应时间常数是s，见图2（c），实线是实验值，虚线是理论拟合结果。分析在光子能量高于ZnO的禁带宽度的光照下，产生的光生载流子会立刻影响其电导率。一方面是载流子的浓度骤然增大，另一方面是空穴会沿着由弯曲的能带造成的势能斜坡迁移到表面，将吸附的氧负离子放电而重新变回氧分子：，而剩余的光生电子寿命变长并成为多子，它会随时间慢慢与氧分子的再吸附和解吸附达到新的平衡态，最终导致电流的快速增加并达到饱和。为便于讨论比较，定义延迟速率（恢复时间）是电流下降到光电流最大值的1/e时所需的时间。对图2（b）中曲线的下降部分进行分析，得到恢复时间实验值仅为288 ms。采用二阶指数衰减方程来描述恢复特性并得到了较高的吻合度：。通过对该方程式的拟合，得到两个弛豫时间常数s，s，相对权重因子分别是76.4%和23.6%，见图2（d）。分析在关闭紫外光源的一瞬间，纳米线里面空穴和电子的复合比较快，电流会急剧下降，这对应于第一个弛豫过程，占主导地位。但此时纳米线还是会有大量的电子剩余，在表面被氧分子逐渐再次被捕获，这一变化过程会起电流的缓慢下降，这对应于第二个弛豫过程。

上述实验用可见光来测试，有无光照时测得的电流值几乎没有发生任何变化，这表明器件只具有对应于本征ZnO禁带宽度（3.4 eV）的紫外段光响应，也从另外一个角度证明了纳米线阵列的缺陷少，结晶质量高，与光致发光结果是一致的。

图2 （a）ZnO纳米线阵的形貌图；（b）紫外光照“开”“关”周期下的电流实时变化曲线；（c）和（d）分别是上升段响应曲线和下降段恢复曲线，实线是实验值，虚线是拟合结果。

需特别指出，本文的单根纳米线器件与常见的二维薄膜器件不同之处在于纳米线阵列结构里的电子必须要越过纳米线的表面势垒层，通过量子隧穿效应在纳米线-纳米线节之间发生迁移。UV光照下由于载流子的增多引起纳米线节的有效势垒高度会降低，从而引起电子在纳米线结构中传输的速度会加快，导致电流变大。这种纳米线阵列器件的最大优点在于光响应恢复时间超快，但同时在明暗电流比的灵敏度上还需改进。

3 结语

设计组装了新型的ZnO纳米线阵列器件，并对其进行了紫外光暂态响应研究。实验表明，365 nm光照下的电流是暗电流的4倍，响应时间是0.46 s，延迟时间仅为288 ms。对于延迟时间可用二阶指数衰减方程来描述，对应于两个权重不同的弛豫过程。

参考文献

[1] Bera A.，Basak D.Role of defects in the anomalous photoconductivity in ZnO nanowires[J].Applied Physics Letters，2009（94）：163119-3.

[2] Leung Y.H.，He Z.B.，Luo L.B.，et al.ZnO nanowires array p-n homojunction and its application as a visible-blind ultraviolet photodetector[J].Applied Physics Letters，2010（96）：053102-3.

[3] Kind H.，Yan H.Q.，Messer B.，et al.Nanowire ultraviolet photodetectors and optical switches [J].Advanced Materials，2002（14）：158-160.

[4] Zhou J.，Gu Y.D.，Hu Y.F.， et al.Gigantic enhancement in response and reset time of ZnO UV nanosensor by utilizing Schottky contact and surface functionalization[J].Applied Physics Letters，2009（94）： 191103-3.

光电探测器篇3

Abstract： Ionization radiation monitoring is traditionally referred to as radioactivity monitoring and radiation monitoring for short. One of the main reasons for people's ignorance or anxiety towards the harm of ionization radiation is that human body cannot directly detect the presence of ionization radiation. People can't hear， see， smell， taste or feel it through sense organs； specific instruments are used to measure and evaluate it.

关键词： 辐射监测；辐射防护；监测仪器

Key words： radiation monitoring；radiation protection；monitoring instrument

中图分类号：TL81 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）22-0076-02

1 辐射防护监测

辐射防护监测的概念——是指为估算和控制公众及工作人员所受辐射剂量而进行的测量。

辐射防护的目的——是保证公众和工作人员生活在安全的环境中，监测是衡量这种条件的手段。

在放射源的安全使用、寻找丢失的放射源、确定放射源破损污染的程度和范围以及公众和工作人员所受辐射剂量的估算方面等，辐射监测具有不可替代的作用。

辐射防护监测的对象是人和环境两大部分，具体监测有四个领域：个人剂量监测、工作场所监测、流出物监测和环境监测。

辐射防护监测的实施，包括监测方案的制定、现场采样和测量、实验室测量分析、数据处理、结果评价等。在监测方案中，应明确监测对象、监测点位、监测周期、监测仪器与方法及质量保证措施等。

辐射防护监测特别强调要有质量保证措施：监测人员要经过考核持证上岗，监测仪器要定期送计量部门检定，对监测的全过程要建立严格的质量控制体系。

根据不同的监测对象和项目选择不同的监测仪器，如测量瞬时剂量率的仪器有高气压电离室、G-M计数管和闪烁体剂量率仪；测量累积剂量的仪器有热释光剂量计；测量表面污染的有α、β表面沾污仪；中子射线用中子仪测定；用于γ核素含量分析的有NaI（Tl）γ谱仪、Ge（Li）γ谱仪或HPGe γ谱仪。

2 辐射探测器原理及常用辐射环境监测仪器

对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度（数量）、能量及时间等特性，即对辐射进行测量。

辐射探测器是指在射线作用下能产生次级效应的器件，而且这种次级效应能被电子仪器所检测。多数探测器是根据射线使物质的原子或分子电离或激发的原理制成的。它们可以把射线的能量转变为电流、电压信号以供电子仪器记录。

人们根据射线与物质相互作用后产生上述的各种效应，制成了许多不同类型探测器。放射性测量常用的探测器有三类：气体电离探测器（利用射线在气体介质中产生的电离效应）、闪烁探测器（利用射线在闪烁物质中产生的发光效应）和半导体探测器（利用射线在半导体中产生的电子和空穴）。此外，还有其它类型的探测器，如固体径迹探测器、热释光探测器等。现场常用的辐射监测仪器类型有：X-γ辐射监测仪、γ谱仪、热释光剂量测量装置和α、β表面污染监测仪等。

2.1 气体电离探测器 电离室、正比计数器和G-M计数管统称为气体电离探测器，这三种气体电离探测器的工作特点虽不完全相同，但都具有一个共同点：射线使探测器内的工作气体发生电离，然后收集所产生的电荷，从而达到记录射线的目的。

2.2 闪烁探测器 闪烁探测器由闪烁体和光电倍增管组成。闪烁探测器具有分辨时间短、对γ射线的探测效率高和能测量射线的能量等优点，是目前应用最广的核辐射探测器。

2.3 半导体探测器 半导体探测器是使用半导体材料的电离探测器。探测器中加有电场以便把电离产生的过剩载流子收集在电极上。在工作机制上，半导体探测器与气体探测器有不少相似之处，它们都是在外电场作用下利用载流子（在气体中是离子对，在半导体是电子一空穴对）在介质（气体或半导体）中作漂移运动而产生输出信号的，因此，可把半导体探测器看作一种固体电离室。

2.4 热释光探测器 热释光是绝缘体或半导体加热时从中发射的光，不能与加热到白炽化时的物质中自发发射的光相混淆。热释光是物质预先吸收了辐射能之后的热激发光。目前经典的固体能带理论认为当磷光体（晶体）受到电离辐射照射时，射线与晶体相互作用，产生电离和激发使得晶体价带中的电子获得足够的能量游离出来上升到导带，在价带中剩下空穴。

被电离激发的电子和空穴在亚稳态能级分别被晶格中的缺陷所俘获（激发），这些缺陷称为“陷阱”（俘获电子的缺陷）或“中心”（俘获空穴的缺陷），统称为“发光中心”。处于亚稳态能级上的电子和空穴在无外源激发的环境下可以长时间滞留在缺陷中。加热磷光体时，电子和空穴从发光中心中逸出，电子与空穴迅速复合，在复合过程中以可见光或紫外光的形式释放能量。如果在暗处加热该探测元件，探测元件上放上光电倍增管，测得的光输出就正比于探测器接受的辐射能量。

3 辐射监测仪器选用原则及选用举例

核辐射测量仪器主要由探测器和电子学电路所组成。根据不同的监测对象和项目要选用不同的监测仪器。现场常用的辐射监测仪器类型有：X-γ辐射监测仪、α、β表面污染监测仪、中子监测仪和热释光剂量计等。实验室常用的辐射监测仪器类型有：α、β放射性活度测量仪、γ谱仪、热释光剂量测量装备等。

在辐射检测中，如何选择监测仪器，一般考虑到以下几方面因素，如射线性质、量程范围、能量响应、环境特性、仪器性能及测量误差等等。

3.1 X、γ辐射监测仪

3.1.1 电离室类监测仪 高气压电离室是测量环境剂量率的最常用的仪表，这类仪器由一个高压电离室探测器和电子线路组成。前者为一个充高气压（一般为22个大气压的氩气）的不锈钢球壳，中间密封一个电极。电子线路主要为MOSFET静电计、二次放大电路、高低压变换器以及读出线路。这类仪表在美国用得十分普遍，它的缺点为价格比较昂贵。

3.1.2 闪烁剂量率仪 它是利用某些物质在射线作用下能发光的特性来探测射线的，这些物质称为闪烁体。射线在闪烁体中产生的荧光极弱，必须用光电倍增管来探测这些荧光，光电倍增管先把荧光转换成电脉冲，然后放大，其脉冲辐度正比于带电粒子或光子在晶体中沉积的能量。例如，我们常用的X-γ辐射测量仪FH-40G，其主机探测器采用正比计数管，外接探测器采用的是塑料闪烁体。

3.2 表面沾污监测仪器 α、β表面污染监测仪主要是测量现场的设备、地面、台面、衣服和人体皮肤表面有无放射性污染，多用闪烁探测器，也有用G-M计数管的。

3.3 中子监测仪 中子与物质相互作用主要是通过弹性碰撞和核反应，形成直接电离的次级粒子。探测中子取决产生这些粒子的中间过程。常借助n-p弹性散射探测快中子，利用10B（n、α）7Li反应和6Li（n、3H）4He反应探测慢中子。这两种反应都具有不产生γ射线特点。

内部充以3He和BF3气体正比计数管和内部涂层为6Li、7Li、10B的正比计数管，可用来测量能量低于0.5eV的慢中子，而内部充以含氢物质（如甲烷、聚乙烯）的计数管，可用于探测能量大于100keV的快中子。

中子辐射监测比起γ辐射的监测要复杂的多。一方面是中子辐射场大都伴有γ辐射；另一方面，中子能量范围宽，不同能量的中子与机体有不同类型的作用，产生的次级辐射也不尽相同。

即使吸收剂量相同，由于品质因数不同，剂量当量也不同，这就给评价测量结果带来很大困难。

3.4 测氡仪 测量氡主要是通过测量氡-222衰变生成的子体，氡子体是一种悬浮在空气中的固体颗粒，处于放射性气溶胶状态。对人体造成危害的主要是氡子体，它随着人的呼吸而沉积到支气管和肺部，给呼吸器官组织造成辐射损伤。对空气中氡子体浓度的测定，都是采用将大量氡子体收集起来，通过α辐射测量仪测量滤膜上的α放射性强度。氡子体测量主要由两个过程组成，一是取样过程中氡子体的积累，二是取样后测量过程中氡子体的衰变。

3.5 α、β放射性活度测量仪 α粒子能量在2-8MeV，其射程很短。按测量样品的厚度不同，样品分为薄层样和厚层样。常用于α、β测量的有电离室、正比计数器、闪烁探测器、半导体探测器等。正比计数器和半导体探测器具有本底低，效率高、价格较低等优点，应用较广。

β粒子贯穿物质的本领要比α粒子大得多，因此很难采用“饱和层样”或“薄层样”来测量样品的总β放射性，须均匀铺成10-50mg.cm-2的样品，一般以20mg.cm-2厚度为宜。厚度太大，因低能β损失过大，会增大测量误差。

3.6 γ谱仪 γ谱仪主要用于对放射源或样品的γ能谱测量。γ谱仪的探测器有NaI（TI）闪烁计数器和HPGe高纯锗半导体探测器。

3.7 累计剂量测量装置

3.7.1 热释光测量系统 热释光剂量计是佩带在人体上，用于测量个体受照剂量的监测仪器。

热释光剂量计的优点是灵敏度高、量程范围宽、重量轻、体积小、能量响应好，受环境影响小，可测X、γ、n、α和β等射线，可重复使用以及可进行多点同时监测。

常用的热释光材料大致可分为三类：空气等效性好而灵敏度稍差的，例如LiF、Li2B4O7和BeO等；空气等效性差而灵敏度高的，例如CaSO4和CaF2等；介于前二类之间的有MgSiO4和MgB4O7等。

从磷光体的存在形态可分为磷光粉、热压片，单晶切片、玻璃管封装粉末，内热元件与聚酯等粘合剂混合成形的元件、陶瓷片，带有金属衬托的沉积粘合元件，热压在耐热衬托上的薄膜元件和玻璃片等。

3.7.2 光致光测量系统 现今又出现了新型的光致光剂量测量系统，该种类型仪器用特定波长的光激发受过辐照的晶体，导致电荷从空穴场运动到发光中心，晶体受入射光激发后的发光量与晶体所受剂量和入射光的强度成正比，激光或发光二极管发出的光所提供能量，使得电子从空穴激发至导带和发光中心，只有很少数电子被激发，使得剂量计具有了重复分析能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.GB18871-2002，电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].

[2]潘自强.辐射防护的现状与未来.1997，9.

光电探测器篇4

关键词：火灾探测器；工作原理；选择

火灾自动报警系统作为早期火灾探测的有效措施，在建筑防火中起着巨大的作用。而火灾探测器作为自动报警系统的探测传感部分，其工作的灵敏度、稳定性及可靠性直接影响到整个自动报警系统的好坏。由于探测环境场合的不同，火灾探测器的选择也不同，如选择不得当，可能会引起系统误报、延报、甚至不报的结果，严重影响火灾探测警报、人员安全疏散、火灾扑救。所以清楚了解每种探测器的特点特性，在自动报警设计时选择正确的探测器是非常重要的。

一 火灾探测器的分类及应用场所

火灾探测器按照其探测的火灾参数不同，可分感烟火灾探测器、感温火灾探测器、感光火灾探测器、可燃气体探测器以及复合式火灾探测器。而根据结构造型、探测原理又可细分成很多种。下面我们通过分析几种常用的火灾探测器的工作原理，归纳出不同火灾探测器的适用场合。

1 红外散射型光电感烟探测器

感烟探测器的种类有很多，其中红外散射型光电感烟探测器由于其可靠性高、误报率小，成为现代自动报警系统最常用的探测器之一。其工作原理如图1所示，E为红外发射、R为红外接收管，共同安装在黑箱中，并用黑色物质遮挡在其中，在无烟环境下，红外接收管几乎接收不到信号，当火灾发生时，会有烟雾进入黑箱，由于烟雾对光线的散射作用，使红外接收管接收到一个较弱的信号，放大电路对该信号进行200―400倍的放大，触发电路对放大后的信号进行阈值判别，若达到报警阈值，则通过电路将报警信息传给控制器，实现报警。

根据感烟探测器的探测参数和特点，对于火灾初期有阴燃阶段，产生大量烟和少量热，很少或没有火焰辐射的场合应选用感烟探测器。而正常情况下有烟的场所，经常有粉尘及水蒸气等固体、液体微粒的场所，发火迅速，产生极少烟的爆炸性场合均不适合选用感烟探测器。

2 差定温感温探测器

差定温探测器是将差温式和定温式两种探测元件组合在一起的组合式感温探测器，同时具备两种火灾报警功能。其内部一般采用两只相同型号的热敏元件，其中一只热敏元件位于探测区域的空气环境中，使其能直接探测周围环境的温度；另一只热敏元件则密封在探测器内部，以防止与气流直接接触，当外界温度缓慢上升时，两只热敏元件均有响应，此时表现为定温式特性，当外界温度急剧上升时，位于探测区域的热敏元件迅速变化，而密封在内部的热敏元件阻值变化缓慢，此时表现为差温式特性，由于其同时具备差温、定温探测功能，可靠性较高，目前是自动报警系统中为常用的感温探测器之一。

感温探测器由于其仅受温度影响，不受灰尘、水蒸气等因素影响，固适用于经常存在大量灰尘、烟雾、水蒸气、相对湿度大于95%等感烟探测器无法使用的场所。

3 紫外感光探测器

火焰探测器是一种对火焰中不同波长光线做出不同响应的探测器，又称为感光探测器。可分为红外感光探测器和紫外感光探测器。两种探测器除了探测的波段不同，其工作原理比较相似。下面通过紫外感光火灾探测器的工作原理来了解火焰探测器。

紫外感光探测器的敏感元件是紫外光敏管，它是在玻璃外壳内装置两根高纯度的钨或银丝制成的电极。火焰产生的紫外光辐射，从反光环和石英玻璃窗进入，被紫外光敏管接收，当电极接收到紫外光辐射时立即发射出电子，并在两极间的电场作用下被加速。由于管内充有一定量氢气和氦气，所以，当这些被加速而具有较大动能的电子同气体分子碰撞时，将使气体分子电离，电离后产生的正负离子又被加速，它们又会使更多的气体分子电离。于是在极短的时间内，造成雪崩式的放电过程，从而使紫外光敏管由截止状态变成导通状态，驱动电路发生报警信号。图2为紫外感光探测器的结构示意图及紫外光敏管结构示意图。

火焰探测器作为感烟、感温探测器的重要补充，其适用于有前列的火焰辐射和少量烟与热的场所。

二 探测器安装高度的选型

通过前面的分析得出不同场合的探测器选择，探测器不仅要考虑探测场所，且要从探测场所的高度来选择合适的探测器。根据不同探测器的特点，GB 50116-98《火灾自动报警系统设计规范》对不同高度房间的火灾探测器进行了规定。如表1所示。

三 结语

探测器应该根据实际情况作出正确的选择搭配，必要时可采用几种探测器配合使用，例如一些大中型机房、洁净厂房及防火卷帘设施处，可采用感烟与感温探测器的组合；对于蔓延迅速、有大量烟和热产生、有火焰辐射的火灾现场，如石化炼油企业场所，可采用感烟、感温与感光探测器三种组合。火灾探测器的选择是否合理关系到自动报警系统能否正常运行，在自动报警系统设计是应充分考虑探测现场的环境条件、火灾特点、探测器灵敏度级别、安装高度、安装场所的气流状况等，避免由于这些客观原因而造成漏报或误报。■

参考文献

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作者简介

光电探测器篇5

关键词：悬浮物； 差分探测； 光散射

中图分类号： TN 249 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.004

Abstract：A method based on laser difference detection for measuring suspended matter concentration is introduced in the paper. It can be used for the concentration measurement of suspended particles such as smog， dust and other aerosols. Based on the light scattering effect of the suspended particles， realtime monitoring of the suspended particles without changing their properties can be achieved. By means of a direct amplification of the differential signal of the test and reference light， fluctuations of the laser energy can be reduced. The measuring principles and methods are presented in detail. Through the study of the light decaying mechanism during laser propagating in the suspended particles， the relationship between the suspended matter concentration and light intensity attenuation is deduced. We also build a laser differential detection system for the measurement of the suspended matter concentration. By measuring the smog of known concentration， practical feasibility of the measurement method is verified.

Keywords： suspended matter； difference detection； light scattering

引 言

随着工农业的发展，大气中悬浮物的污染越来越严重，极度危害着大气环境质量和人类健康。因此，悬浮物质量浓度的测量在环境保护、工业生产和科学研究等领域有着十分重要的意义[1]。

目前，国内外对于粉尘质量浓度检测技术的研究越来越重视，经过对悬浮物质量浓度检测技术的多年研究，可将其质量浓度的检测方法分为两大类：非光学分析法和光学分析法。其中非光学分析法主要有黑度法、超声波技术、气敏法、热催化法等；光学分析法主要有光干涉法、差分吸收光谱技术、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术和拉曼散射激光雷达技术等[2]。非光学分析法已经在这一领域得到了广泛的应用，但由于检测设备响应速度慢，处理复杂，难于对悬浮物浓度进行实时监测，也无法进行遥感监测，其应用范围受到限制。

相比较于非光学分析法，基于光学分析的气体浓度检测技术具有探测灵敏度高、选择性强、可探测的气体种类多、响应速度快等特点，适合现场实时监测，成本较低，必将成为未来悬浮物质量浓度检测的理想工具。光干涉法是利用光的折射率与被测气体的含量来检测气体体积分数，测量环境，如温度、湿度、压力等会对测量结果产生较大影响。差分吸收光谱技术是根据大气中衡量气体成分在紫外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和质量浓度[34]。差分技术可消除大气湍流对信号的影响，不同污染物之间的干扰和湿度、气溶胶的干扰，能够满足连续监测的要求，但是该方法要根据吸收光谱的变化快慢对光谱进行分解，只适用于具有窄带吸收结构的气体，对不同的气体监测需要安装不同的光程和接收装置，操作过于复杂[5]。可调谐激光二极管激光吸收光谱技术是最近发展起来的一种高灵敏、高分辨率的大气衡量气体吸收光谱检测技术，但是该方法调谐范围有限，限制了可探测的气体种类。拉曼散射激光雷达是根据激光拉曼散射光频率相对于入射光频率发生变化，产生拉曼频移，其频移量取决于大气中的气体成分而实现测量的，该方法的检测精度、线性度和信噪比还有待进一步提高。

为了能够实现对悬浮物的实时探测，使相对误差控制在15%之内，根据悬浮物颗粒对光的散射信息来测量散射颗粒的质量浓度、大小及尺寸分布情况[67]，提出一种基于激光差分探测的悬浮物质量浓度测量方法，采用光散射的方法进行差分检测，将单光源分为双光路既可消除检测时光强等的干扰，又避免了使用双光源检测而引入的差异，同时考虑在适当的散射模型中改变激光频率大小来观察测试结果的变化，以改善对悬浮物质量浓度的测量精度。

2 激光差分悬浮颗粒质量浓度探测系统与差分探测电路设计

根据激光在悬浮物颗粒中传播的散射原理，当光通过不均匀介质以后，光强要发生衰减。当一束单色平行光照射到悬浮物颗粒中并传播一定长度的距离时，由于微粒的散射作用，出射光强会有一定程度的衰减，由朗伯-比尔（LambertBeer）光透射定律可得到出射光强与入射光强的关系。

系统总体方案如图2所示，采用双光路差分探测方法。该悬浮物浓度检测系统包括光源稳定控制模块、半导体激光器、λ/2波片、偏振分束器、反光镜、光电差分探测器、滤波电路、A/D转换模块、单片机等。除探测光光路暴露于测试环境之中，整个悬浮物质量浓度检测装置位于一个密闭腔体之内。半导体激光器用于产生功率稳定的线偏振激光输出。λ/2波片用于调整激光的偏振方向，使之以适当的偏振角入射到偏振分束器上。偏振分束器将偏振光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，配合λ/2波片，可以得到功率完全相等的两束激光。一束激光作为参考光送入差分探测器的一个光电传感器上，另一束光作为探测光经过待测环境中的悬浮物后照射到差分探测器的另一个光电传感器上[910]。

探测光光强经过测试环境中的悬浮物时会发生衰减，与未经过测试环境的参考光光强产生差分信号。光电差分探测器接收到这两路光信号后输出相应电压信号，经过放大、滤波、采样后，获得悬浮物质量浓度的观测数据。

在物质扩散之前，首先对大气环境进行测量，通过调节半波片使差分探测器输出信号为零。再在此基础上将待测物质释放并进行测量，从而可以获得悬浮物的实际质量浓度。

参考光路的作用是补偿大气环境与探测光路参数不对称、温度变化对测量精度的影响。一方面用来作为未衰减光束的参考标准，另一方面可以消除激光器输出功率波动造成的测量误差。

图3所示的是三运放高共模抑制比光电差分放大电路，经过此电路可将光电转换后得到的两路电压信号进行差分放大，使其达到可检测范围。它由五个集成运算放大器组成，其中AR21、AR22为性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入的通用集成运放器，构成平衡对称差动放大输入级，AR23构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制AR21、AR22的共模信号。由于该电路具有高共模抑制比，所以差分电路对温漂具有很强的抑制能力，测量结果准确度较高。电路中光电二极管输出电流约为几毫安，为了便于观测，将光电差分放大电路的放大倍数设定为500倍，其中光电转换模块放大50倍，差分放大模块放大10倍。

由于激光器脉宽可调，实验中所采用的调制频率为100 Hz，即激光信号脉冲宽度最小为10 ms，由式（6）可得放大电路带宽应大于89 Hz。光电转换电路中AR21、AR22单位增益带宽为1.6 MHz，为了获得50倍的闭环增益，则运放在理论上可处理矩形脉冲信号的最大频率为1.6 MHz/50=32 kHz。又由于差分放大模块中AR23增益带宽为0.5 MHz，因此放大电路的设计满足带宽限制。

当AR21、AR22性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压相关，而其共模输出、失调及漂移均在R205两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。为了消除AR21、AR22偏置电流等的影响，通常取R201=R2011。另外，本电路还具有增益调节功能，调节R205可以改变增益而不影响电路的对称性。通过Multisim对光电差分放大电路进行仿真，仿真结果如图4～6所示。

由仿真结果可知V1out处电压脉冲值为76.6 mV，V2out处电压脉冲值为153.1 mV，经过差分放大后输出电压脉冲值为1.515 V，则认为光电差分放大电路可实现对差分光路的探测。

3 激光器调制频率和探测波长选择

3.1 激光调制频率选择

为了便于在示波器中观测并有利于后续电路处理，对半导体激光器的频率进行调制，使其输出方波信号，即利用信号发生器产生的调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变其输出特性。

在待测悬浮物颗粒质量浓度一定的情况下，随着激光光源调制频率的变化，会引起光信号接收装置（光电差分探测器）接收到的光信号改变，从而使光电差分探测器输出的电压信号发生变化。为了得到理想的探测信号，在实验之前，首先需要确定激光光源的调制频率。分析激光光源频率与光电差分探测器输出信号之间关系时，将探测光完全遮挡，通过改变激光光源的输出频率，得到光电差分探测器电压输出信号与频率的关系如图7所示。

由图可知，随着激光光源频率的升高，光电差分探测器输出信号会逐渐降低，在0～50 kHz范围内输出信号与光源频率呈线性关系，当激光频率达到50 kHz或者更大时，光电差分探测器输出的电信号发生骤降，因此50 kHz认为是探测器所能检测到激光信号的截止频率。最终实验中选择调制频率为100 Hz。

3.2 最佳探测波长选取

图8为BPX65光电二极管光谱响应曲线。BPX65作为光电探测器，具有光谱灵敏度高，响应速度快，频响范围宽的特点。为了获得较高的检测灵敏度，提高检测精度，分别针对405 nm、658 nm、780 nm这三种波长的可调制半导体激光器输出光通过物质后的散射特性做了测试。由于在绝大多数情况下，实验产生烟雾粒度成分及大小与实际测量时的烟雾颗粒成分及大小都是不相同的。不过一些典型应用场合下的烟雾颗粒成分及大小都会表现出共同的特征，因此可针对这些典型应用场合，分别进行标定，并将标定结果预置于测量电路之中。实验时选择对粒径为0.1～2 μm的烟雾粒子进行标定，经过后续检测可得出激光通过烟雾后所显现的共同特征。测试中物质的标准质量浓度由质量浓度标定仪给出。标定仪测量范围为0～500 mg/m3，测量精度为±1%。经过对烟雾质量浓度检测，分别得到了输出电压随质量浓度变化的关系，并对测试结果做了非线性拟合，如图9所示。

4 实验测量与分析

比较标定后激光差分探测系统的输出结果与标定仪器的输出结果，如图11所示，可以看到在较小质量浓度条件下，两曲线有明显偏离，而标准浓度超过6.95 mg/m3后，实测值与参考值非常接近。对于较小质量浓度条件下的偏离，应是较稀薄质量浓度与较高质量浓度对激光的不同散射规律所致。

其中，实线对应激光差分探测系统标定后的实测拟合结果，圆点对应标定仪器的结果以作参考。标准质量浓度超过6.95 mg/m3之后，激光差分探测系统输出相对于标定探测仪器输出的相对误差，如图12所示。

由实验结果可知，将粉尘仪测得的质量浓度值作为标准值，由光电差分探测器输出信号计算得到的质量浓度值作为实际测量值，实测质量浓度值与标准质量浓度值的相对误差可维持在12%之内。

因此，经过标定之后，激光差分探测系统可以对超过30 mg/m3的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现相对误差在12%以内的质量浓度测量。

5 结 论

本文提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究，获取了悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系，激光光源频率与响应度的关系以及激光器波长与探测器响应度的关系。通过标准气溶胶质量浓度测试仪对系统进行了标定，并以人工方式产生烟雾为实验媒质使用该系统进行悬浮物质量浓度测量，对超过30 mg/m3的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现了相对误差在12%以内的质量浓度测量。经过适当的改进，该测量系统可用于烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒含量的实时测量。

参考文献：

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光电探测器篇6

国内自上世纪八十年代初开始研制阿尔法离子感烟探测器，积累了技术经验和理论探讨。基于前人的研究成果，并实地调研北京串列加速器核物理国家实验室楼宇内的使用情况，文章对此技术做一简述。主要介绍241Am阿尔法源的特点，α感烟技术的发展，离子感烟器的工作原理，与光电式的对比等。

关键词：α粒子；离子感烟；单源双室电离室；单极性电离室

1.阿尔法放射源

1.1阿尔法射线简述

核探测技术是利用中子、α、β等高速粒子流或者X、γ等光子（既是粒子又是电磁波）与物质的相互作用来实施探测的目的，其特点主要表现在灵敏性上。

其中，α射线是高速运动的 ＼+4He核，能量一般为4-9MeV。与上述的其他几种粒子相比，α粒子的体积较大，且带有两个单位的正电荷，更容易与物质发生电离作用。因此，它的能量损耗较快，穿透能力在众多电离辐射中是最弱的，人类的皮肤或一张普通的纸就能隔阻α粒子。对于4-9MeV能区的α粒子，其在空气中的射程符合下面的关系[1]（其中能量E的单位为MeV，射程R的单位为cm）：

R=（0.005E+0.285）E＼+3/2

1.2镅-241阿尔法源

用于制备α源的放射性核素主要有 ＼+210Po、 ＼+226Ra、 ＼+228Th、 ＼+238，239Pu、 ＼+241Am和 ＼+242，244Cm等。根据射线的射程与能量的关系，α能量在5-7MeV的镅241源（ ＼+241Am ＼+237Np+ ＼+4He），一般在四、五厘米之外就不会对物质（包括人体）产生电离辐射作用。辐射安全上，所需做的就是把 ＼+241Am所放射出的在占比、强度和能量上本身就很弱的59.5keV的γ射线的占比控制在1%之内，并用包壳密封好。

2.离子感烟器发展概述

2.1起源

上世纪50年代逐步发展起来的α离子感烟技术最早是用于火灾探测领域的，在接下来的几十年内被全世界广泛使用于家庭、办公场所、大型活动场所以及工业生产现场等，为人们的生命财产安全做出了巨大贡献。此后相当长的一段时期内，用于火灾早期烟雾感应的探测器几乎全部采用α离子式。截至70年代末，这种类型的感烟器在日本、北美以及欧洲等主要市场已经消化了数千万

件[2]；中国自80年代初期开始了自主研制加国外进口成品相结合的方式。

70年代末期以后，在日本和欧洲的市场上，光电式感烟探测器逐渐发展起来，并挑战离子式感烟探测器的垄断地位。在日本，光电式在烟雾探测器市场所占的份额甚至已占支配地位。中国自90年代中期也逐步开始研制并推广光电式感烟器，但截至目前，国内使用最为广泛的依然是离子式的。

2.2结构种类

在类型上，最早的离子感烟探测器是单源单室的[3]，即一个α源和一个电离室。由于其受自然环境的影响较大，稳定性和可靠性较差，被后来发展起来的双源双室型的离子感烟探测器取代。

双源双室型探测器电离室内含有不同发射率的两个α源以及两个电离室。其中与大气相通的室作为感烟室（传感室），另一个密闭（非真空）的室作为参考室。参考室可以补偿环境的变化（非烟雾因素）对传感室的影响，提高了稳定性和可靠性。但它的一个明显缺点是需要两个相匹配的α源，因而不利于减小源强，并使得制作工艺复杂。

80年代中期，日本开始研制单源双室型离子烟感器，使用一个α放射源以及一个烟雾传感室和一个参考室。它对环境有较好的适应性，并减小了放射性强度。我国从80年代末开始研制单源双室型。

3.工作原理

3.1基本构造

α离子感烟探测器的基本工作原理，是利用烟雾粒子改变探测器的电离室内的电流大小，从而触发报警电路。图1为单源双室型α离子感烟器的原理图。

探测器的核心是在其内部装有α放射源的双电离室。其中，外电离室与大气连通，用以探测烟雾颗粒，因此也叫测量室。内电离室几乎与空气隔绝，只能缓慢交换空气，而较大颗粒不能进入，作为参考室。

镅241的半衰期约为430年，因此在一定年限内它能放出强度较为稳定的α粒子，而较强的电离能力使得电离室内的空气电离为正、负离子。正、负离子分别向加有不同电压的阴、阳极板运动，形成非常微弱的电流，如图2所示。在几乎没有烟雾颗粒的时候，由于α强度的稳定性，电流基本保持恒定。

3.2烟雾探测过程

当有烟雾粒子进入外电离室时，至少有三种因素导致外电离室内的电流强度发生变化。首先，烟雾颗粒的重量远大于正负空气离子的重量，有大量的正负离子被吸附到烟雾颗粒上；其次受到烟雾颗粒的阻挡和碰撞，正负离子在电场中的运动速度大为降低，这导致了正、负离子复合的概率增加；第三，α射线被烟雾颗粒阻挡导致了射程缩短，电离能力大幅降低，从而外电离室内产生的正负离子数减少。这几种因素导致外电离室内的电流减弱。

图3是将电离室等效为一个变阻器。正常情况下，变阻器两部分的电阻不变，两端外加电压V = V1 +V2。并且对V设定有某个阈值，到达阈值时，将触发报警电路。当烟雾粒子进入外电离室时离子流减少导致V1发生变化，结点2处的电位降低，从而V2的分压降低。最终，回路电压V达到阈值，触发报警信号。

另外，从图4[4]检测室和参考室的电压-电流变化曲线也可以看出，当烟雾进入检测室后，电离电流从正常的I1减少到I2，相当于检测室的阻抗增加；此时，检测室两端的电压增值为V=V2′-V2。当V达到阈值时，开关控制电路触发报警信号，线路将报警信号传递到报警控制器，实现自动报警。

概括来讲，就是烟雾导致地探测器电离室内的电流变化，引起极板上的电压发生微弱的变化，反映在宏观上，就是引起施加在两个电离室两端分压比发生变化，从而触发报警信号。

3.3离子感烟探测器总体电路

这里用目前使用最广泛的单源双室结构的离子感烟器为例说明。在3.2节中，简化了电流和电压变化后的过程。在实际中，感烟电离室内的端电压发生变化产生的电信号是很微弱的，因此要经过后续处理。图5是α离子感烟探测器的总体电路简图。

信号放大拾取整形电路：可以将电离室里的微弱电流信号转变成较大的电压信号，通过高输入阻抗的金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）进行耦合放大。

地址码预置及信号解码处理电路：如果探测器是开关转换式的，会直接将其电压变化与阈值电压进行比较， 判别是否报警；如果探测器是模拟量式，则将电压变化传到报警控制器，并且这种类型的感烟器可以探测跟电压变化相关的烟雾的浓度。如果探测器内置有中央处理器芯片，则探测器可以利用内置的智能算法进行判断，同时探测器至报警器间发生电路断线， 探测器安装接触不良或探测器内部电路元件损坏等都能够发出故障报警信号。

编码信号变换电路：总线上发送的各种编码信息需经编码信号变换电路处理后发送给解码电路，并将解码电路发送的数据（烟雾浓度等）传至总线上供报警器接收处理。所谓编码，就是给一个楼宇等场所内的所有感烟探测器编码，当测到烟雾触发报警时，主机会显示报警的编码地址，从而可以尽快知道发生警报的位置。

滤波整形稳压电路：给α源、集成电路和CPU等芯片提供直流工作电压。

报警灯回路：发生报警时，报警灯会被点亮。

3.4电离室的改进

此前的单源双室感烟器常见的是双极型电离室：在加有电压的二极板P1、P2之间放入 ＼+241Am，放出的α射线使空气分子电离成正、负离子，在电场的作用下，分别向阴极和阳极运动形成电离电流。它的特点整个电离室的空气都被电离。对一定量的 ＼+241Am源和一定的空气密度，二极上的电压在一定范围内增大时，电离电流随着增大，但会逐渐到达饱和值。饱和值一般为50-100μA。

为了提高离子感烟探测器的灵敏度，后来人们设计了单极性电离室[4]。这种电离室一部分被α射线照射成为电离区；另一部分未被α射线照射，为非电离区，称为主探测区。在电离区和主探测区的交界面处出现一个临界面，它会阻止电离层的负离子进入主探测区，并且使得离子的运动速度降低，因此在相同电压、相同烟雾浓度的条件下，离子被烟雾吸附的概率比双极性的大，可以得到较大的电流和电压变化量，从而提高离子感烟探测器的灵敏度。

实际的离子感烟探测器是将两个单电极性电离室串联起来，

一个作为检测电离室（感烟室，外电离室），结构上做成烟雾容易进入的形式；另一个作为补偿电离室（参考室，内电离室），结构上做成烟雾颗粒很难进入、而空气又能缓慢进入的形式。电离室串联起来，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的慢变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。

4.产品举例

如今设计、生产α离子感烟器的国内外厂家有很多，图6是某厂生产的一款点式α离子感烟探测器，表1是相应的产品参数。

图6表1某款点式α离子感烟探测器及参数

5.离子式/光电式感烟器对比

在70年代末逐步发展起来的光电式感烟探测器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过就发出警报。

离子式与光电式感烟探测器的性能对比结果归纳在表2[2]中。

可以看出，二者相比，离子式感烟探测器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对较广粒径范围内的烟粒几乎能均衡响应；而前向式光电感烟探测器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对黑烟的响应差些。黑烟的吸光能力强，对于照射在其上的光辐射以吸收为主，散射光很弱，而且影响其他粒径烟粒子对光的散射。因此，采用光散射探测原理的光电式感烟探测器对这种黑烟探测能力较差。如果想要兼顾两者的长处，可以在相应位置同时安装这两类感烟器。

6.小结

1）α离子感烟技术是应用于烟雾探测领域的、已经发展了几十年的较为成熟的一门技术，并且目前在持续改进和优化。

2）α离子感烟是利用烟雾粒子改变电离室的电流，根据电流、电压的变化状况来衡量烟雾浓度或引发报警。

3）目前常用的是单电极型单源双室α离子感烟器，具有较高的灵敏度和稳定性，且几乎能探测各种粒径范围的烟雾颗粒。

4）经过提纯、封装等处理的 ＼+241Am具有极低的γ放射性，辐射安全方面能得到保障，在不断改进技术的同时，可以大范围推广。

此外，关于镅-241α放射源的活度、表面发射率离散度以及使用期限等的要求，目前依照国家标准GB 12951-2009。

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光电探测器篇7

UOMZ的 13SM-1、OLS与Sapson-E

UOMZ最新一代的机载前视光电探测器有米格-35的13SM-1与苏-35BM的OLS，以及对地攻击用的Sapson-E光电吊舱。

CLS的尺寸为766×540×763立方毫米，内含扫描式红外探测器、电视摄像机、激光测距仪。扫描范围垂直-15～+55/+60度，水平±60或±90度，视场（指瞬间视场，非通过扫描达成）150×24度，操作温度摄氏-40～+60度，全空域扫描周期4秒，能同时跟踪4个目标，激光对空测距距离20千米（苏-27则是3千米，老苏-35为8千米），对地30千米（苏-27为5千米，苏-35为10千米），测距误差5米。电视摄像机能用于对昼间目标（对空/对地）识别，距离10-12千米。重71千克（苏-27的36Sh约173千克，老苏-35的52Sh达220千克）.且体形更小，因此装机时所用的整流罩也更小，整流罩由新的轻型蓝宝石玻璃制成。据称该系统比旧型号的可靠性高5倍。

在探测距离与视野方面，OLS型录上记载其视野为水平±60度，垂直-15～+55度，追击与迎击探测距离分别为70与40千米。这其中有几件事值得讨论。

笔者向UOMZ展方询问，为何之前苏-30MKK所用的52Sh都达到迎面40千米、追击90千米的探测距离，而OLS-35反而只有70千米。展方表示，那是数据取用标准的不同，52Sh的90千米是“最大”探测距离，而OLS-35的70千米是“保证探测距离”。若以等同于52Sh的标准来看，OLS-35要探测到140千米都没有问题。如果以40/70千米的保证探测距离换算回最大探测距离，则探测距离可达80/140千米。

在视野方面，UOMZ公布的数据应该是以极高的扫瞄速度得到的结果。需强调的是，UOMZ这款光电探测器的设计思路有别于当前世界潮流――热成像识别，而仍是以传统的“方位测定与轨迹追踪”为主要诉求。然而在设计上由于使用阵列传感器，使得不需逐点扫描，而是一口气凝视120×24度或150×24度的超宽广视场。这样一来，OLS的机械装置其实仅需在垂直方向上扫描便可兼顾左右±60度或±75度的范围，有点类似垂直方向电子扫描搭配水平机械扫描的舰用雷达一般，其全空域扫描速率应该会相当高。不确定OLS是否因此干脆取消水平扫描机械，不过只要加上水平机械扫描，则其仅需小幅摆动便可轻易获得±90度甚至更大的视野。与之对比，采用点状扫描的OLS-27虽然全视野也是水平±60度、垂直-15～+60度，但实际作战时会选用60xl0度、20×5度、3x3度视野进行监视，而OLS-35的瞬时视野已是OLS-27最大监视模式视野的6倍，等于不必动就能监视远大于OLS-27的空域。

为米格-35设计的13SM-11生能、特点与OLS大体相同，唯独迎面探测距离由40千米稍降至28千米，尺寸为787×412×386立方毫米，重60千克，瞬时视场120×24度。

Sapson-E是研发相当久的对地攻击光电吊舱，配有电视摄像机、热成像仪、激光测距仪与照明仪、激光定向仪。其口径为360毫米，长3米，重250千克，使用温度摄氏-60到+50度。垂直视野+10～-150度，水平视野±10度，但探测头可绕轴±150度旋转，因此实际上可探测整个下半球。

NII PP的前视光电探测器与对地攻击光电吊舱

Nll PP从米格-29K开始涉足航空领域，为米格-29K提供了OLS-UE前视光电探测器。在米格-35上更增加OLS-K下视光电探测器。

OLS-UE光电探测器包含热成像仪、电视摄像机以及激光测距仪。其中，热成像仪的操作波段在3-5微米，分辨率320×256像素。电视摄像机操作波段为0.6-0.8微米，640×480像素。激光测距仪波段为1.06和1.57微米。系统视野左右各90度，下15度、上60度，瞬时视场lOx7.5度。对米格-29的探测距离为追击50千米、迎击15千米，激光测距仪对空测距范围最大15千米，对地/海20千米，重78千克。型录中有一张OLS-UE所捕获的米格-29的红外影像，非常清晰，连翼端后缘这种较低温处都清晰可见。

OLS-K下视光电探测器主要用于低空飞行时绘制地面影像，其配备与OLS-UE相同唯独增加了更窄视野模式。其对坦克探测距离20千米，对船舶40千米，激光对地测距距离20千米，视场lOx7.5度-1x0.75度。OLS-K以保形吊舱形式搭载于米格-35右进气道下方，相当紧凑，其功能与UOMZ推出的Sapson-E光电吊舱类似，但后者重达250千克且体形比OLS-K大很多，OLS-K应是更先进的设计。

Nll PP目前更将市场指向苏霍伊战机，推出OLS-35光电探测器。其与目前主流的新一代光电探测器类似，具备热成像功能，因此能以热成像进行目标识别等。其基本构造与技术等级应与OLS-UE类似。OLS-35对苏-30的追击与迎面探测距离分别为90与35千米，对20米尺寸目标的成像距离约20千米。其水平视野±90度、垂直-15～+60度，激光测距距离为对空20千米、对地30千米，重83千克，瞬时视野lOx7.5度。

Nll PP与UOMZ分别以研究院有较高科研水平及量产工厂有成熟技术自居。NII PP的OLS-35于2009年装载于苏-35BM 902号机进行试飞。两者都是相当具有吸引力的产品，且各有优势：NII PP的可以进行热成像识别，搭配分布式光电预警系统可获得球状视野；而UOMZ的本身可充当前半球预警系统，物美价廉。

光电预警系统

光电预警系统能够提供飞机最后阶段的可靠预警。虽然它无法像雷达预警接收器那样在敌方导弹发射前便感知威胁，但能探测到导弹飞行过程中不可避免的摩擦热，因而能对以无线电静默方式飞行的导弹进行警戒。老苏-35、图-95MS、苏-24M便有这种装置。如老苏-35上的MAK-F（L-136）导弹来袭告警器，为设置于机背上的球状物，内有一个可360度旋转的反射镜，将目标的红外辐射反射到下方的传感器上，借此警戒20千米内之短程空空导弹（例如AIM-9）、33千米内之中距空空导弹（例如AIM-7）、55千米内之区域防空导弹（例如“爱国者”）或5.5千米内之肩射防空导弹（例如“毒刺”）。

米格-35的OAR-U、OAR-L与SOLO

NII PP为米格-35研发了一套光电警戒方案，已经具有“分布式孔径光电系统”的雏型。米格-35的上下半球各由一个红外式导弹来袭告警器负责，上半球是位于机背上的OAR-U，下半球的传感器称为OAR-L，装设于左进气道下的保形吊舱。另外，在机翼两端各有一组SOLO激光告警器，分别负责左、右半球。各传感器的信息经计算机整合后供中央信息系统使用。这套系统能发现来袭导弹及激光波束，并在一定距离内测定威胁方位及导弹轨迹。

OAR-U与OAR-L导弹来袭告警器采用鱼眼镜头设计，因此单一传感器便能感应±90度范围（即半个球面），能于50千米外侦测到来袭导弹，这种警戒距离甚至超过了L波段导弹预警雷达与小型X波段雷达！对于5千米内之导弹能侦测其飞行轨迹与方位。SOLO激光告警器每组包含2个激光接收器，操作波段1 06微米、1.5-1.6微米，频率小于10千赫，能侦测激光源的方位与频率。

OAR-U与OAR-L分别负责上下半球，共同组成球状预警视野，算是具备了“分布式孔径光电系统”的雏型。之后Nll PP又推出了更完善的分布式孔径系统，供苏-35BM与米格-35之用。

首见于苏-35S的分布孔径光电系统

Nll PP之后推出了更完善的分布式光电探测器，官网甚至以“光电侦察系统”称呼之。这种探测器由至少6个红外成像仪与至少2组激光接收器构成，构建出球状视野。

红外成像仪操作在3-5微米波段，视野±45度，在6个（也可视需要增加）传感器搭配下可构成球状视野。据官网资料，其用途为：

1）对球状周围成像；

2）自动侦测空中目标与导弹的红外信号；

3）对空中目标与导弹进行识别与追踪

4）区分威胁等级；

5）在多用途显示器上显示空中目标与导弹，并通过语音系统发出警告；

6）对空中目标的定位误差小于1度。

激光告警器位于机首两侧，各1对，分别负责左右半球。其主要侦测1-1.7微米、脉冲重复频率0.1-100赫的激光波束，误差小于5度。

这套系统类似美制F-35上的DAS（分布式孔径系统），而不只是简单的导弹来袭告警器。例如，它能对球状周围进行成像，从而用于近距离导航（如夜间降落时供飞行员观察周边）与近距空战。由于目前美俄双方都没有详细的数据，因此无法进行比较。不过，如果由前视热成像仪的参数来看，俄版DAS的阵列数可能较少，精度可能不如美制者。

需注意的是，米格-35所用的红外传感器包括2个分别负责上下半球的鱼眼镜头，像差较大，而苏-35S的6传感器设计中每个只需负责±45度视野，甚至不同传感器视野可能彼此交汇，精度很容易便超过米格-35所用者。合理推测苏-35S的红外预警系统最大侦测距离至少与米格-35同级，在50千米或以上，追踪距离则应超过5千米。就距离看，这已超过绝大多数的导弹预警系统，仅次于苏-35S自身的lrbis-E雷达。

第四代光电系统

T-50的光电系统是UOMZ研发的“产品10IKS”，其包含10IKS-V前视光电探测器、10IKS-N对地攻击吊舱、10IKS-U分布式光电传感器以及10IKS-O光电防御系统。上述系统一开始就被视为统一系统进行设计，并由一个处理系统整合处理。10IKS系统于2011年莫斯科航展上首次展出，但仅进行展示，既没有型录也没有说明，我们至今只能由外观结合相关信息进行推估。

10IKS-U分布式传感器

10IKS-U分布式传感器不仅用途类似F-35的DAS，而且连外形都相似，应是考虑了隐身因素。苏-35S的分布式系统已经拥有周围成像、近战探测、来袭导弹感测与追踪、区分威胁等级、近距导航等用途。除传感器阵列数较少之外，与DAS几乎没有区别。

10IKS-V前视光电探测器

前视光电探测器比UOMZ之前推出的OLS体形更大，而类似Nll PP研制的OLS-35。两者的研制年代相近，前者无热成像功能而后者有，因此后者略大可能与其热成像功能有关。因此10IKS-V的体形暗示其应是热成像仪。在探测距离方面，OLS与OLS-35对采用最大军用推力的双发战机探测距离分别是70（追击）/40（迎面）千米与90/35千米。从纸面数据看，这与老苏-35的52Sh类似，但经询问得知.OLS的70/40千米是”保证探测距离”，若以52Sh的标准看，最大探测距离可达到140千米。而Nll PP的技术人员也表示，实测中曾捕捉到130千米外的目标。可见这两款光电探测器的实际探测能力都超过纸面数据。

10IKS-N攻击吊舱

10IKS-N攻击吊舱的特点在于探测头部分具有隐身几何外形设计。其俯仰视野的变化完全在探测头内部完成，因此整个探测头只绕主轴旋转而不会有俯仰活动，这样便能尽可能保持隐身外形。

10IKS-O主动光电防御系统

最有趣的当属10IKS-O。乍看之下它是一个透明球体，藉由可360度旋转的反射镜而获取整个半球的操作范围，与老苏-35上用于导弹预警的MAK-F（L-136）系统设计类似，报导中也认为它是全周界探测系统之一。但令人纳闷的是，在这个全新设计的复合系统中，已经有了可以凝视周围的10IKS-U分布式系统，为何还要类似MAK-F的设计？此外，这个10IKS-O下方的处理系统不小，相当于前视光电探测器，而MAK-F的处理系统只与光电球差不多大，因此相当不寻常。

经询问在场人员，101KS-O并不是预警系统，而是主动防御系统！T-50将有两个这样的系统，一个位于驾驶舱后方，另一个则位机下方。由此可见.T-50已将主动光电防御系统纳入设计之中。根据外形推测，该系统可能是在预警系统发现目标后，以高能激光摧毁敌方导弹的光电导引头，也可能本身同时也是一个类似前视光电探测器的精确探测装置，能在预警系统发现目标后进行更精确的探测与测距，并引导导弹攻击。

关于主动光电防御系统的其他信息

其实在数年前，有关文献便已点出第四代战机将使用主动光电预警系统，其是在被动预警发现目标后，主动发射激光束照射目标，并以机上装备的角反射器阵列解读回波以进行精确定位。角反射器阵列能进行极精确的定位，虽然飞机上的相关系统性能不明，但可由Nll PP的太空产品窥知一二。

光电探测器篇8

关键词： STC89C52RC；红外测温仪；PM611

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310064－01

0 引言

21世纪以来，红外传感技术得到快速发展。红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。由于当年非典型肺炎爆发，高精度的红外测温仪也从原来的工业领域走进了医疗领域和日常生活。红外测温仪的发展方向是实现小型化和微型化。近年来，衍射型光学聚焦镜、薄膜型红外探测器、共振型压电调制器制成的红外测温系统，只有一个大功率晶体管那么大，完全实现了微型化的目标。在甲流暴发时期，手持红外测温仪用来进行人体体温测量，不接触人体，也不造成任何伤害，发挥了重要作用。

1 红外测温仪系统框图

红外测温仪由光学系统（透镜和滤光片）、光电探测器、激光二极管定位器、信号放大器、信号采集器及数据处理、LCD显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定，通常物距比设定为12比1。由于设备光学系统的构造，在测量时只能测量物体表面温度，不能透过玻璃进行温度测量，不能测量光亮或者抛光金属边面温度。测量时红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内置的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

2 核心器件选择及局部电路设计

设计使用了上海尼赛拉公司生产的PM61l型热释电红外探测器。PM611虽然是单灵敏元探测器，但由于它采用一个接收元和二个并联的补偿元串连的结构，故它能有效的补偿环境温度的起伏，震动等干扰的影响。它的工作温度是-20℃～+70℃，输出与温度称正比的模拟量，呈线性关系，特别适合测量人体的温度。测量精度为±[（示值+273）×1%+1]℃，即可达到0.1℃。测量时间仅为毫秒级（ms），模拟量输出为0～1.0V。PM611各项指数都比较好，因此选用了它做温度仪的探头

热释电探测器接收到经过斩波器解调的红外辐射能量后，转变为交变的脉冲电信号。这种电信号是十分微弱的，通常只有几毫伏。普通A/D转换器无法直接转换为所需精度要求的数字信号，所以需要通过放大电路对此微弱电信号进行放大处理，满足A/D转换器件及系统所需换算精度的要求。

设计采用的经典放大和滤波电路。这种电路的重要特点是：电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压。

3 软件设计

根据前期测温仪的性能要求和原理图的设计，最终调试通过了系统软件。软件主要完成了A/D数据采集，并通过数学运算将红外数据转换为温度值，在终端数码显示。其程序流程图如图1所示。

4 结论

设计最终上达到了使用要求，能够显示环境温度和目标温度，而且温度值分辨力达到0.1℃。硬件部分包括了单片机处理模块、红外测温模块、LED显示模块、键盘模块，报警模块。软件部分主要包括主程序模块、红外测温程序模块、LED数码管显示程序模块、报警程序模块。单片机负责控制红外测温把接收到的温度数据经处理后送LED数码管显示。通过进一步优化设计可以完成更先进、功能更强大、结构更简单的智能化仪器。

参考文献：

[1]贺振华，红外诊断和紫外检测技术在污秽绝缘子中的应用比较与分析[J].大众科技，2010（10）：151-152.

[2]潘华，特高压电器局部放电和交流耐压试验装置的研究与开发[D].湖南：湖南大学，2008.

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