第四章火焰的检测4．1 概述
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。
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。冰箱模具
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
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)
式中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)mv o2+ A0(4-2)
式中A0——金属的逸出功，J；
m——电子质量，g；
u型吊臂
v o—电子逸出速度，cm／s。刮板钢
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：
悬浮床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。
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
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
强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带
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
电导材料的禁带宽度E g，即：
hc／λ=1.24／λ≥E g (4-4)
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
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)光生伏特效应阻塞密度
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E g ，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 紫外火焰探测技术
4.3.1 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）。
O
近紫外光又分：UV-A (>320nm) 危害很小，小部分可被吸收。
3
O
UV-B (280－320nm)，可以杀死生物，大部分可被吸收。
3
O
UV-C (200－280nm)，可以杀死人和生物，可全被吸收。
3
≤
因为λ360 nm，所以
hυ=hc
λ
＝6。62××3×
27
10−107
1010
×÷（360×1。602×12
加热炉燃烧器
10−）＝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。
4.3.3 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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