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第四章 火焰的检测1


第四章
4.1 概述

火焰的检测

图 4-1

电磁波谱图

二、火灾时发出的火焰光谱与燃烧物质有关,见图 4.2。

图 4-2

各种不同材料的火焰光谱能量分布图

1

由图可见,对烃类物质,产生的火

焰光谱能量在红外光谱范围内,辐射强度的最大值位 于 4.1-4.7nm 范围内。 三、火焰探测器 火焰探测器是一种响应火灾发出的电磁辐射(红外、可见和紫外)的火灾探测器。 因为电磁辐射的传播速度极快,因此,这种探测器对快速发生的火灾或爆炸能够及时响应, 是对这类火灾早期通报火灾的理想探测器。 响应波长高于 700nm 辐射能通量的探测器称红外火焰探测器。 响应波长低于 400nm 辐射能通量的探测器称紫外火焰探测器。 极少应用 400—700nm 之间的可见光辐射谱区探测火灾, 这是由于太阳光的干扰太强。

图 4-

火焰和地面太阳光光谱图

4.2

光电效应

火灾探测器是一种将光量变化转换为电量变化的传感器。它的物理基础就是光电效 应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 4.2.1 外光电效应 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有光电管、光电倍增管等。 众所周知,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 E=hυ (4-1)
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h一一普朗克常数,6.626*10-34(J·s) υ一一光的频率(s-1) 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hυ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。根据能量守恒定理则有: hυ=(1/2)mvo2+ A0 (4-2) 式中 A0——金属的逸出功,J; m——电子质量,g; vo—电子逸出速度,cm/s。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。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。光电效应的这个关系称作爱因斯坦定律。 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。 例如: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为 λ≤hc/A0=(6.62*10-27*3*1010*107)/4.54*1.602*10-12=273nm 式中C——光速,3*l010cm/s。 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。 2、当入射光的频谱成分不变时,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: I=Kф (4-3) 式中: I——光电流 mA; ф——照射光单位面积上的辐射通量,W/cm2; K——光电效应常数。 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(1/2)mV02, 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。 式中

4.2.2

内光电效应

当光照射在物体上,使物体的电导率(1/R)发生变化,或产生光生电动势的效应叫内 光电效应。内光电效应又可分为以下两类: (一)光电导效应 在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的
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变化,这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 当光照射到光电导体上时, 若这个光电导 体为本征半导体材料, 而且光辐射能量又足够 图 4-3 电子能级示意图 强, 光电导材料价带上的电子将被激发到导带 E 上去,如图 4-3 所示,从而使导带的电子和价 带的空穴增加,致使光导体的电导率变大。为 了实现能级的跃迁, 入射光的能量必须大于光 导带:自由电子所占能带 电导材料的禁带宽度Eg,即: hc/λ=1.24/λ≥Eg (4-4) Eg 禁带:不存在电子所占能带 式中υ、λ 分别为入射光的频率和波长。 也就是说,对于一种光电导体材料, 总存 在一个照射光波长限λc, 只有波长<λc的光照 价带:价电子所占能带 射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃 迁,从而使光电导体的电导率增加。 图 4—3 为 电子能级示意图。 (二)光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。 基于该效应的光 电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

(1)势垒效应(结光电效应)
接触的半导体和 PN 结中,当光线照射其接触区域时,便引起光电动势,这就是结光电 效应。以PN结为例,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg ,使价带中的电子跃迁 到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被 光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。

(2)侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时, 由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 当光照 部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时, 光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子 浓度大,就出现了载流子浓度梯度,因而载流子要扩散。如果电子迁移率比空穴大,那么空 穴的扩散不明显,则电子向末被光照部分扩散,就造成光照射的部分带正电,末被光照射的 部分带负电,光照部分与未被光照部分产生光电势。

4.3
4.3.1

紫外火焰探测技术

紫外线光电效应的特点 紫外光分就:近紫外光(360-300nm) ;远紫外光(300-200nm) ;极远紫外光(200 -10nm) 。 近紫外光又分:UV-A (>320nm) 危害很小,小部分可被 O3 吸收。 UV-B (280-320nm),可以杀死生物 ,大部分可被 O3 吸收。 UV-C (200-280nm),可以杀死人和生物 ,可全被 O3 吸收。 因为λ ≤ 360 nm,所以
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hυ=

hc

λ

= 6。62× 10 ?27 ×3× 1010 × 107 ÷ (360×1。602× 10 ?12 )=3。44ev

紫外光的光子能量使大多数金属产生光电发射,故外光电效应适用于紫外光电效应。 4.3.2 紫外火焰探测器对火焰紫外辐射的响应 一、火焰中的紫外辐射,见图 4-4。 二、太阳光中的紫外辐射,见图 4-4。

三、紫外火焰探测器的干扰源: 电焊产生的弧光;闪电;X 射线。 紫外光敏管 紫外光敏管利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成的光电器件, 一般 都是真空的或充气的光电器件,如光电管和光电倍增管。 一、光电管及其基本特性 (一)结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似,如图 4-5 所示。它们由一个阴 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,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。当光照在阴极上时, 中央阳极可收集从阴极上逸出的电子, 在外电场作用下形成电流I, 如图(b)所示。 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。光敏管产生盖革——米勒放电后,光电管的内阻变小,使电子开关 导通。C上的电压通过光电管、R1和电子开关迅速放电。当C上电压下降到着火电压以下时, 光电管截止,电子开关断开,电源又对C充电。当C上电压达到着火电压后,光照阴极逸出 的电子在外电场作用又形成电流,使光电管内阻变小,电子开关导通,重复上述过程。每重 复一次,电子开关产生一个脉冲。脉冲的频率决定光照的强度和C、R的大小。当C, R一定 时,光照越强,频率越高。通过测量频率就可以测得光照的强度。光电管内充有少量隋性气 体,增加了光电流,从而使光电管的灵敏度增加。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 也正在不断提高。在自动检测仪表中,由于要求温度影响小和灵敏度稳定,所以一般都采用
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4.3.3

真空式光电管。下面研究光电管的基本特性。

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。 (二)主要性能 (1)光电管的伏安特性 在一定的光照射下,对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生 的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图 4-6(a)和(b)所示。它是应用光电传感器参数的主要依 据。 (2)光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和 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。其特性曲线如图 4-7 所示。 曲线 1 表示氧铯阴极光电管的光照特性,光电流 I 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。光照特性曲线的斜率(光电 流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。 (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。
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国产GD-4 型的光电管,阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000?(埃),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 3000— 8500 ?,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。 二、 光电倍增管及基本特性 当入射光很微弱时, 普通光电管产生的光电流很小, 只有零点几个微安, 很不容易探测。 这时常用光电倍增管对电流进行放大,图 4—8 是光电倍增管的外形和工作原理图。

(一)光电倍增管的结构 光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成,如图 4—8 所示。光阴 极是由半导体光电材料锑铯做成。 次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。 次 阴极多的可达 30 级, 通常为 12—14 级。 阳极是最后用来收集电子的。 它输出的是电压脉冲。 (二)工作原理 光电倍增管除光电阴极外,还有若干个倍增电极。使用时在各个倍增电极上均加上电 压。阴极电位最低、从阴极开始,各个倍增电极的电位依次升高,阳极电位最高。同时这 些倍增电极用次级发射材料制成, 这种材料在具有一定能量的电子轰击下, 能够产生更多的 “次级电子” 。由于相邻两个倍增电极之间有电位差,因此存在加速电场,对电子加速。从 阴极发出的光电子,在电场的加速下,打到第一个倍增电极上,引起二次电子发射。每个电 子能从这个倍增电极上打出 3—6 倍个次级电子;被打出来的次级电子再经过电场的加速后, 打在第二个倍增电极上,电子数又增加 3—6 倍,如此不断倍增,阳极最后收集到的电子数 将达到阴极发射电子数的 105—106倍。即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。 光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。 因此在很微弱的光照时, 它就能产 生很大的光电流。 (三)主要参数 (1)倍增系数 M 倍增系数M等于各个倍增电极的二次发射电子数δi的乘积。如果n个倍增电极的δi
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都一样,则M=δin,因此,阳极电流I为 I=iδin (4—5) 式中 i——光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍数 β 为 β=I/i=δin (4—6) M与所加电压有关,一般M在l05到 108之间。如果电压有波动,倍增系数也要波动,因 此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为 1000—2500V,两个相邻的倍增电 极的电位差为 50 一l00V。对所加电压越稳越好,这样可以减少统计涨落,从而减少测量误 差。 (2)光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。 而一个光子在阳极上 产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图 4—9 所示。它的最大灵敏度可达 I0A/Lm (安培/流明;),极间电压越高,灵敏度越高。但极间电压也不能太高,太高反而会使阳级电 流不稳。 另外,由于光电倍增管的灵敏度很高,所以不能受强光照射,否则将会损坏。

(3)暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时,必须把管子放在暗室里避光使用,使其只对入射光起作用。 但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响,即使没有光信号输入,加上电压后阳极仍有 电流,这种电流称为暗电流。这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体, 就构成闪烁计数器。 在闪烁体受到人眼看不见的 宇宙射线的照射后,光电倍增管就会有电流信号输出,这种电流称为闪烁计数器的暗电流, 一般把它称为本底脉冲。 (4)光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性 很相似。国产光电管和倍增管的主要参数见文献[ ]附录 7—1,7—2。 4.3.4 紫外火焰探测器 见参考文献[1 ] 《火灾探测与控制工程》 #####

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4.4
4.4.1

红外火焰探测技术

红外辐射的基本特点 红外辐射就是红外光,其波长从 0.76μm到l00μm。红外光的最大特点就是具有光热效 应,能辐射热量,它是光谱中最大光热效应区。红外光处在光谱中可见光之外,它是一种不 可见光。红外光与所有电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在 真空中的传播速度为 3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减,红外光在金属中传播 衰减很大:但红外辐射透过大部分半导体和一些塑料;大部分液体对红外辐射吸收非常大; 气体对其吸收程度各不相同, 大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。 根据研究分析 证明,对于波长为l~2.5μm,3-5μm,8—14μm区域的红外光具有比较大的“透明度” 。即这 些波长的红外光能较好地穿透大气层,见下图。

自然界中任何物体,只要其温度在绝对零度之上,都能产生红外光辐射。 红外光的光效应对不同的物体是各不相同的,热能强度也不一样,例如,黑体(能全部 吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全 部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效 应。严格来讲,自然界并不存在黑体、镜体和透明体,而绝大部分物体都属于灰体。 上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、 红外跟踪等军事和科学研究项 目的重要理论依据。 红外辐射的基本定律 一、希尔霍夫的定律 希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时,也吸收周围物体的辐射能。如果几 个物体处于同一温度场中, 各物体的热发射本领正比于它的吸收本领, 这就是希尔霍夫定律。 可用下面公式表示: Er= α Eo (4-7)、 式中 Er——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能; α ——该物体对辐射能的吸收系数; Eo——等价于黑体在相同温度下发射的能量,它是常数。 黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体,黑体的吸收本领与波长和温度无 关,即 α =l。黑体吸收本领最大,但是加热后,它的发射热辐射也比任何物体都要大。 二、 斯忒藩-玻尔兹曼定律 物体温度越高,它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示:
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4.4.2

E= σ εT4 式中

(4-8)

E——某物体在温度 T 时,单位面积和单位时间的红外辐射总能量; σ ——斯忒藩-玻尔兹曼常数( σ =5.6697×10-12W/cm2/k 4); ε——比辐射率,即物体表面辐射本领与黑体本领之比值,黑体的 ε=1; T——物体的绝对温度。 表-1 材 料 各种材料的比辐射率 ε 值 名 称 温 度℃ 100 100 100 20 40 100 100 200 20 20 20 白的 无光泽黑的 100 100 100 20 干燥 水分分饱和 蒸馏水 水 人 的 光滑的水 雪 皮 肤 20 20 20 -10 -10 32 ε 值 0.05 0.55 0.05 0.78 0.21 0.09 0.07 0.79 0.93 0.94 0.98 0.92 0.97 0.94 0.90 0.92 0.95 0.96 0.96 0.85 0.98 抛光 阳极氧化 抛光 严重氧化 抛光 氧化 抛光 氧化

铅板 铜 铁 钢 红 砖

玻璃(抛光) 石墨(表面粗糙) 蜡克 油漆(16 色平均) 砂 土壤

式(4-8)就是斯忒藩-玻尔兹曼定律。即物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度 T 的四 次方成正比,并与 ε 成正比。表 4.1 是各种材料的比辐射率 ε 值。物体温度越高,其表面所 辐射的能量就越大。 三、维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。 实验证明, 物体峰值辐射波长λm与物体的自身 的绝对温度T成反比。即 λm=(2897/T) μm (4—9) 式(4-9)称为维恩位移定律。图 4-10 给出了光谱辐射出射度Mλ与波长λ的分布和温度的关系。

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从图所示曲线可知,峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时,峰值 辐射波长在红外区域。

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4.4.8

内光电效应器件

利用物质在光的照射下, 电导体改变或产生电动势的内光电效应器件, 常见的有光敏电 阻和光电池、光敏晶体管等。 一、光敏电阻 (一)结构原理 光敏电阻又称为光导管。 光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。 光敏电阻的结构较简单, 如图 4-11(a)所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质,半导体的两端装上 金属电极,使电极与半导体层可靠的电接触,然后,将它们压入塑料封装体内。为了防止周 围介质的污染, 在半导体光敏层上履盖一层漆膜, 漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感 的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中,在外加电压的作用下,用光照 射就能改变电路中电流的大小,见图 4-11(b)所示接线电路。

光敏电阻在受到光的照射时,由于内光电效应使其导电性能增强,电阻Ro值下降,所 光线越强, 电流越大。 当光照停止时, 以; 流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。 光电效应消失,电阻恢复原值,因而可将光信号转换为电信号。 并非一切纯半导体都以显示出光电特性。 对于不具备这一条件的物质可以加入杂质使之 产生光电效应特性。用来产生这种效应的物质由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。如 硫化镉、硫化铅、硫化铊、硫化铋、硒化镉、硒化铅、碲化铅等。光敏电阻的使用取决于它 的一系列特性,如暗电流、光电流、光敏电阻的伏安特性、光照特性、光谱特性、频率特性、 温度特性以及光敏电阻的灵敏度、时间常数和最佳工作电压等。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、很 小的体积、以及简单的制造工艺,所以被广泛的用于自动化技术中。 (二)光敏电阻的特性: (1)暗电阻、亮电阻与光电流 光敏电阻在未受到光照时阻值称为暗电阻,此时流过的 电流称为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻,此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电 流之差称为光电流。 一般暗电阻越大,亮电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般 在兆欧数量级,亮电阻在几千欧以下,暗电阻与亮电阻之比一般在 102一 106之间,这个数 值是相当可观的。 (2)光敏电阻的伏安特性 一般光敏电阻如硫化铅,硫化铊的伏安特性曲线

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如图 4—12 所示。由曲线可知,所加的电压越高,光电流越大,而且没有饱和现象。在给 定的电压下,光电流的数值将随光照增强而增大 (3)光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光照特性用于描述光电流 I 和光照强度之间的 关系,绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的,如图 4—13 所示。不同光敏电阻的光照 特性是不相同的。光敏电阻不宜作线性测量元件,一般用作开关式的光电转换器。 (4)光敏电阻的光谱特性 几种常用电阻光谱特性,如图 4—14 所示。对于不同波长 的光,光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中看出,硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的 峰值在红外区域。 因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑, 才能获得 满意的结果。

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