2.4火灾探测器(火焰探测器)

2.4火焰探测器12.4火焰探测器火焰探测器是探测火灾燃烧火焰的探测器、它继感温、感烟探测器后，较晚出现的一种火灾探测器。火焰探测器由于感应火焰辐射电磁波，因此具有响应速度快，探测范围广等优点。由于太阳光和环境光的影响，火焰探测器实际应用的光谱只有紫外区和几个较窄的红外谱带。火焰探测器除要求对火焰有很高的灵敏度外，还必须要求能够鉴别和减少非火灾背景光的影响，背景光包括太阳辐射和人为的辐射，如热源、萤光灯、白炽灯、电弧焊等。在六十年代研制出一种宽带红外火焰探测器，该种探测器对火焰的响应，仅通过分辨火焰的闪烁频率和一个规定的延迟时间确定。目前类似这种形式的探测器仍在使用，但其应用场所通常限于非常特殊的封闭地面上，在该地面存在的自然光线是很有限的。六十年代末出现的紫外火焰探测器主要用于火工品的监视，到七十年代初期，随着紫外光敏管质量的改进和电子学的进步，紫外火焰探测器能够应用于室外环境，成为真正意义上的火灾探测器。随后由于航空航天及军事目的的需要，研制成新的窄带滤波器，从而出现了新一代红外火焰探测器，并很快在军事上得到应用。与此同时，在紫外传感器技术及复合传感技术方面也取得进展，从而出现一些灵敏度有改进、选择性更适用的紫外火焰探测器，以及可靠性、适用性更强的紫外红外复合式火焰探测器。二十世纪八十年代兴起的固态图像传感器给火焰探测器研制注入了新的活力，图像感焰探测器利用火灾的红外特征、火焰的图像特征等信息，实现火灾探测。相对于传统的火焰探测器，图像感焰探测器扩大了探测器的感焰面积，给探测器提供了更多的火灾信息，继而提高了火灾探测的可靠度及灵敏度。目前双波段图像感焰火灾探测器已研制成功并得到应用。第一节火焰光谱自然界及宇宙中存在大量的电磁波，电磁波是一种横波，其波谱图如图4-1所示。图4-1电磁波波谱图物质燃烧产生大量能量，这些能量以电磁波的形式向周围辐射，燃烧产生的电磁波主要有以热辐射为主的红外波段和以光辐射为主的可见光波段，此外还有少量的紫外波段等电磁波。各种不同材料的碳氢化合物燃烧产生的火焰辐射光谱各不相同，如图4-2所示，图中纵坐标表示能量的相对值。火焰光谱从紫外、可见光到红外波段都有能量辐射，不过红外波段辐射能量比紫外波段强得多，这就是火焰灼热和发红的缘故。在火焰红外波段内的4.35μm附近能够观察到峰值，这是被称为CO2共鸣的CO2原子团的发光光谱,为火焰所特有,且比其它光谱具有大得多的强度。另一方面太阳光经过大气层时，由于太阳光中4.35μm附近的能量被大气层中的CO2所吸收而衰减的很小，因此4.35μm附近是用于红外火焰探测的重要波段。能对火焰光信号的变化作出有效反应，并将光信号转变为电信号的器件称为光敏传感器。利2《火灾探测与控制工程》本科讲义用光敏材料的光电效应制成的光敏器件称光电效应传感器，利用辐射红外光（热）照射材料引起材料的电学性质发生变化或产生热电动势的器件称红外热释电传感器，利用CCD光电转换和电荷转移功能制成的CCD图象传感器，或用光敏二极管与MOS晶体管变成电荷或电流信号的MOS图象传感器等，目前都用来作为探测火灾火焰的光敏器件，并制成相应的火灾探测器。波长/μm辐射相对能量辐射相对能量波长/μm辐射相对能量(a)乙醇(b)木材波长/μm辐射相对能量波长/μm046810辐射相对能量(c)蜡烛(d)甲烷图4-2各种不同材料的火焰光谱能量分布第二节光电效应传感器火焰探测器是感应火灾燃烧的火焰发出的电磁辐射，通过将火焰辐射能量转化为电流或电压信号，来达到火灾探测的目的。为避免可见光的干扰，火焰探测器主要响应火焰中的紫外波段和红外波段。根据火焰探测器响应波长的不同，将响应波长低于400nm辐射能通量的火焰探测器称作紫外火焰探测器，响应波长高于700nm辐射能通量的火焰探测器称作红外火焰探测器。紫外火焰探测器的工作原理基于外光电效应，红外火焰探测器的工作原理基于内光电效应。一、外光电效应（一）外光电效应原理在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子，基于外光电效应的光电器件称为紫外光敏管，主要有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量E可由下式确定hvE=(4-1)式中，h为普朗克常数，6.626×10-34J·s；v为光的频率，Hz。物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量hv必须超过逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据爱因斯坦光电效应方程有：2.4火焰探测器302021Amhv+=u(4-2)式中，A0为金属的逸出功，J；m为电子质量，9.1×10-31kg；0u为电子逸出速度，m/s。由式4-2可知：（1）电子能否产生逸出，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。可见光的光量子能量在1.85~3.1ev之间，大多数金属的逸出功在3ev以上，因此大多数可见光不能使金属产生光电发射。紫外光的光量子能量在3.1~6.2ev之间，因此紫外光线能使大多数金属产生光电发射。如金属钨的逸出功为4.54ev，那么使金属产生光电发射的临界波长由4-2式可以计算得到为273nm。也就是说要想使钨产生光电发射，照射光的波长必须小于273nm，波长大于273nm的光，即使光再强也不可能使钨产生光电发射，此波长称为钨金属的截止波长。（2）当入射光的频率不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多，即：j⋅=KI(4-3)式中，I为光电流，mA；K为光电效应常数；j为照射光单位面积上的辐射通量，W/cm2。（4-3）式就是斯托列托夫定律。（3）光电子逸出物体表面具有初始动能2021um,因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且所加电压的大小与入射光的频率成正比。使人们感兴趣的是，许多纯金属都具有“日盲”特性。表4-1给出了一些金属功函数和所对应的截止波长，表中除金属Ti，Mo对阳光稍有敏感外，其余金属均有较好的日盲特性。综合考虑电真空性能、化学性能、机械性能等及成本因素，紫外光敏管常采用W，Mo，Ni作为阴极材料，也有用Cu薄膜作为阴极材料的。紫外管在制造过程中，应注意尽量避免阴极受到污染，杂质的沾污会改变表面的功函数，使管子的光谱响应特性变坏，严重的甚至造成光敏管失效。表4-1一些金属的功函数和截止波长金属TiMoAlCuFeSnNiW功函数/eV4.134.174.204.454.494.54.454.89截止波长/nm300.2297.3295.2278.6276.1276.1274.3253.5（二）紫外光敏管1.光电管及其基本特性（1）光电管结构光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，图4-3是光电管的结构图。其由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，紫外光电管阴极材料一般为钨，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。4《火灾探测与控制工程》本科讲义图4-3光电管的结构及电路当紫外光照在阴极上时，由于光电效应逸出电子，在阳级和阴极之间加有电压，电子在外电场作用下，从阴极飞向阳级形成电流。其中，充气光电管内充有少量的惰性气体(如氩或氖)，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发生碰撞而使气体电离，这就是具有很大电流放大作用的盖革-米勒管的雪崩放电。光电管内充有少量惰性气体，增加了光电流，从而使光电管的灵敏度提高。但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系。因此使其稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等一系列缺点。目前由于放大技术的提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真空式光电管的灵敏度也在不断提高，所以在自动检测仪表中，一般都采用真空式光电管。（2）主要性能光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。由于篇幅限制，本书仅对最主要的特性作简单叙述。○1光电管的伏安特性光电管光电流的大小是与入射到光电阴极上的光通量成正比。当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称为伏安特性，它是应用光电传感器参数的主要依据。当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到达阳极，其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到光电阴极。随着阳极电压的增高，光电流随之增大。当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便达到稳定，称为饱和状态。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图4-4(a)和(b)所示(光通量用φ表示)。/UV/IAm0.5lmf=1lmf=0.02lmf=φ=0.02lmφ=0.5lmφ=1lm20406080100200U/V01234I/μAU/VI/μA()IAm204060802I/μAU/V4812U/VI/μA(a)(b)图4-4(a)真空光电管和(b)充气光电管（不同光通量）的伏安特性○2光电管的光照特性光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性，其光照特性曲线如图4-5所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的2.4火焰探测器5斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。0.20.40.60.81.0048121612I/μAφ/I/μAφ/lm氧铯阴极锑铯阴极图4-5光电管的光照特性○3光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率ν0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率ν0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=0.7μm，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率可达25~30％。这种管子适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为0.3~0.85μm，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近。但也有些光电管的光谱特性和与人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车上的夜视镜等。图4-6是氧铯光电管的频谱特性曲线1-氧铯光电管；2-人类正常视觉；3-红外滤光镜图4-6氧铯光电管的光谱特性（3）紫外光敏管的主要技术参数[2]紫外管的主要技术参数有光谱响应范围、起始敏感电压、灵敏度、工作电压和工作电压范围内本底等。光谱响应范围是指紫外管有信号输出时所对应的光谱范围。显然，它的上限波长受到阴极材料的限制，下限波长受到所用光窗材料的限制。紫外管的灵敏度是随紫外光的波长的波长而变化的，图4-7给出了ZM31紫外管的光谱响应曲线。曲线左支取决于所用光窗材料的特性，曲线右支与阴极材料及其表面状况有关。如阴极材料不纯，或阴极表面受到污染，则曲线在长波长方向拖尾上翘，因此根据紫外管的光谱响应特性，可以检查阴极材料的纯度和工艺的完善性。6《火灾探测与控制工程》本科讲义1.00.80.60.40.20160200240280320波长/nmab相对强度相对强度图4-7ZM31紫外光敏管光谱响应特性(a.阴极未受污染；b.阴极受污染)灵敏度是指在一定测试条件下，紫外管输