一文读懂紫外线传感器

人的五官是功能非常复杂、灵敏的“传感器”。然而人的五官感觉大多只能对外界的信息作“定性”感知,而不能作定量感知。而且有许多物理量人的五官是感觉不到的,例如对视觉可以感知可见光部分,对于频域更加宽的非可见光谱则无法感觉得到,象红外线和紫外线光谱,人类却是“视而不见”。借助红外和紫外线传感器,便可感知到这些不可见光。

紫外线传感器

紫外线传感器又叫紫外光敏管(简称紫外管),是一种利用光电子发射效应的光电管。其特点是只响应 300nm 以下紫外辐射,具有高灵敏度、高输 出、高响应速度等特性,并且抗干扰能力强 、稳定可靠 、寿命长 、耗电少,因而在目前的安全防护 、自动化控制方面有比较广泛的使用价值 。

随着电子计算机的广泛应用,为计算机服务的各类传感技术受到越来越多的重视。紫外线传感器能检查到人感官觉察不到的紫外线,又能避免日光 、 灯光和其它常见光源的干扰,对火陷的发现和熄火保护 、特殊场所的光电控制都是很有用的 。

紫外线传感器的结构分类

目前国内外有使用价值的紫外管可以按阴极形状分为球形、丝形 、平板形结构,均为二极管的电极结构形式,其外壳的形状和材料种类是为使用要求 设计的,从工作状态上看,以电极形状分类进行分析较合适些。

1、丝状电极结构 

这类管子的电极一般是由两根或多根对称的金属丝组成,这是紫外管早期 的一种结构形式,多用纯度高的钨丝或铂丝,距离较近的平行线是工作区。

由于紫外管完全靠电极表面的光电子发射效应,然后利用气体倍增获得较 强的信号,其光谱响应范围取决于阴极材料的逸出功。

在光电子发射过程中,光子的波长越短能量越高,即使量很少也能激发电子克服逸出功飞出阴极表面 。能量低的光子即使数量很多也不能激发出阴极表面的电子。在紫外管中对阴极材料表面纯度要求非常高,否则就会影响到光谱的范围而失去使用价值,采用对称的丝状结构是为了工艺处理的方便,尽可能避 免其它物质对电极的污染 。

这类管子的特点是可以在交流状态下工作,工作电流较大,使用线路简单,可以利用适当的工艺处理去掉电极表面的杂 质,但视角灵敏度波动比较大,工作区容易产生发射不均匀的现象。

2、球形阴极结构 

为了充分避免尖端效应,使光电子发射更加稳定和均匀,需要把工作区域在 阴极上固定,因为紫外管是靠光电子发射和气体倍增来完成光信号转变成 电信号并加以放大的,一般在电极较近的区域,光发射利用率最高,由此设 计出点式结构球形阴极的紫外管,其结构如图。

无论光子从哪个角度辐射到半球形的阴极上,放电区域总是在靠近阳极的半球形顶点上 。因为阴极有效面积小,所以管子的工作电流一般小于 0.3mA,但它的视角较宽而且视角灵敏度比较均匀,特别适合于火情预报 的场所,还可用聚焦的方法提高灵敏度 。

在管内把阳极制成半球形反射面,如美国的耐 540°C 高温的紫外光敏管 。使接受到的紫外辐射反射到中心的阴极,提高管子的灵敏度,因为远紫外辐射具有可见光一样的直线传播和反射的效应,如图 2b 聚焦型 。

3、平板阴极结构

紫外管的灵敏度取决于阴极上接收到远紫外辐射的光子的多少,阴极面积越大,接收概率就越高,从而使阴极上有更多的电子逸出,在外加高压的 电场作用下被加速并与管内气体分子碰撞而使气体分子电离,电离后产生 的电子再与气体分子碰撞,这样循环的运动最终将使管内气体放电 。这种 雪崩式放电的机会取决于阴极上的光电子发射效应 。为了提高灵敏度,近年来又研制和发展了一种平板形阴极结构的紫外管。

紫外线传感器的参数比较

紫外管是冷阴极放电二极管,它和光电管一样利用阴极的光电子发射效应。管内封入了特殊气体,作为放电管工作媒介。在只对紫外线敏感的光 电阴极和阳极之间加电压时,紫外线透过玻壳照射到阴极上,阴极就要发射 光电子 。

由于电场的作用,光电子被吸向阳极,但输出电流非常微弱 。如果升高外加电压,使电场变得很强,光电子受到充分的加速而与管内的气体分子发生碰撞使气体分子电离,气体电离产生的电子再与气体分子碰撞,最后终于引起放电现象,得以获得大的信号电流 。工作在直流电压场合,如果不形成特别的阻尼电路,放电就持续下去 。这些就是紫外管的主要工 作原理,下面就灵敏度 、视角 、光谱响应范围 、噪声 、可靠性几个主要参数进行叙述。

1、灵敏度

紫外管的灵敏度可以表现为输出脉冲和输出电压两种形式,不同的线路和测量标准得出不同的数据 。一般需要确定的有:标准紫外辐射光源 、距 离 、 线路 、 测量仪器四项。

在各种结构的紫外管中,平板形阴极的灵敏度最高,特别是远距离探测表现得最明显,球形阴极结构的噪声很低,因此仍能有效地区别较远处的紫外辐射。

为了提高灵敏度,也可以采用表面处理的铝式涂有氧化镁的金属做聚 焦镜,把分散的光子聚焦到阴极上,提高光发射几率 。也可以在探头正面用透紫材料凸透镜聚焦 。

靠线路提高灵敏度会使噪声信号同时上升,因此必须在生产工艺上尽量保证既要灵敏度高又要降低本底噪声 。用输出电压来区别管子的灵敏度常适用于熄火保护中的应用,一 般距一 烛光 20CM 处有 10~30 伏的输出,输出 电压的稳定可以使监控器工作更可靠。紫外光敏管在使用过程中灵敏度的衰减很小,在寿命 1 万小时内很少会发现灵敏度大幅度下降的现象,因此在火情报警中有火不报的现象不会发生。

2、角灵敏度

在较大空间的火情报警中视角灵敏度很重要,因电极形状的差异表现在不 同角度的灵敏度不同 。

在丝状阴极的直流工作状态下 ,(图 4a)垂直阴极的 30~60° 灵敏度最高,说明该区域的电子在场强的作用下最容易逸出阴极表面。

由于充气压力和极间距 离 pd 值小干放电所需要的最小阴极距离,阴极和阳极最近处光发射反而减少 。沿电极平行方 向,角灵敏曲线呈对称变化 。

正对管子 0° 时最高,但只有最高灵敏度的 60%,如果管子工作在交流状态,在另一个电极上会出现同样的灵敏区,呈对称双叶图形 。丝状阴极的 视角灵敏度均匀性较塞对空间较大的紫外探测有较强的角度差别 。

球状阳极在正面 160° 内有比较均匀的灵敏 度,当紫外源垂直阳极方向运动时,由于阳极对幅射的遮挡而出现低谷区 。

在水平阳极方向转动时,在 60° 时由于没有阳极的遮拦 而出现高峰区。正面 160° 圆锥面表现在 60% 以上的灵敏度。所以说球状阴极比较适合于较大 面积的火陷探测 。

平板形阴极的视角灵敏度表现得均匀对称,基本上没有什么低谷区(图 4c)。这是因为阴极面积较大,精密的网状阳极在阴极上形成均匀的遮挡状态,在 160° 的视角范围内形成相当均匀的灵敏度曲线,很适合于大视角的火情监测。

3、光谱响应范围

紫外管可以表现为对日光不反应的“日光盲”状态,这对它在特殊场所的 应用是十分必要的 。

通常阴极材料的逸出功决定光谱长波长截止端,管壳或窗口材料决定短波 长截止端 。如融熔石英为 165nm,透紫玻璃为 185nm, 但同样的电极材料和处理工艺并不能保证光谱波长截止端完全相同,这是因为最后的阴极表面纯度不一致所造成的 。

在球状阴极中由于材料纯度高和避免了尖端效应,它的截止波长一般在 245nm 以内,阴极面积越小,其截止波长越容易控制,但面积太小会降低 灵敏度 。

平板阴极的光谱范围也可以控制在 245nm,但由于阴极面积大,灵敏度高,在长波长端的噪声水平也相应增大 。

用光范围宽的管子将地面太阳光和单色光进行比较,证明即使在夏季强烈 日光照射下也没有发现低于 280nm 的辐射。

4、噪声(本底)

紫外管能将光信号转变成电信号,它本身也有本底和环境噪声 。由于宇 宙射线或管内已被激发的亚稳状态电子跃迁,多在频繁的脉冲中产生假的计数,所以即使在完全黑暗中也会出现少量噪声信号,只是时间间隔较长。质量差的管子噪声信号将上升,有时会和信号相差不远而造成整机误报,有 些严重的可表现为在可见光下自激而无法使用,因此紫外管必须经过长时间(几 百 小时)老化处理才能保证使用的安全可靠 。

球状阴极由于阴极有效面积小而使本底得到抑制,加上光谱范围窄, 所以管子的本底噪声很低,一般几个小 时才有一次 。平板阴极的噪声较高,约 每分钟 1 一 4 次,但由于它灵敏度特高,信噪比仍然很大,微弱的紫外线和噪声能很明显地区分开来 。

管内充有氢气在放电中有净化电极的作用,在熄火保护的使用过程中,长期 地放电并没有提高多少噪声,能可靠地运行 1 万小时。管子的不正确使用将扩大噪声而缩短使用寿命,因此对紫外传感器使用线路有严格的要求 。一 般以阴极工作区辉光布满而平均工作电流较小的尖脉冲为最佳状态,线路 中管子必须有足够的熄灭时间(一 般 为 5~10ms ) 以使管内气体有足够的消电离时间,这一 般由使用线路中 R 一 C 阻尼电路决定 。大电流小辉光面会使阴极区局部产生污染,扩大噪声和使用寿命减少 。

5、紫外线传感器的可靠性

紫外管是真空密封的,气压 、 温度 、 湿度等气候因素对它的使用影响较 小 。150~200°C 应用会使管子玻壳 、 引线上的有害物质由于热运动而蒸散到电极上去,使光谱范围有所扩大,但放电对电极的净化,使它仍能满 足火陷监控的要求,总寿命将有所降低 。强烈的振动或者冲击也会对个 别紫外 管参数造成影响,这是由于在工艺处理中使阴极有害的物质重新回到阴极上,造成了光谱范围扩大 。紫外管中的工艺处理要求极为严格,应尽量减少污染 。

紫外管可以较长时间的存放,经 8 年以上存放的管子,参数只有少量的变化,仍不影响使用 。从结构上看,球状阴极的参数比较容易控制,因为它的放 电区域小而且稳定 。

紫外线传感器的应用

紫外线是电磁波谱中波长从 10nm 到 400nm 辐射的总称。根据波长的不同,一般把紫外线分为 A、B、C 三个波段,具体如下:UVA 为 400~315 nm,UVB 为 315~280 nm,UVC 为 280~100 nm。对应不同波长,具体应用有所不同。在 UVLED 市场应用中,UV-A 占有最大市场份额,高达 90%。其最主要的应用市场为固化,涉及到美甲、牙齿、油墨印刷等领域。除此之外,UV-A 也导入商业照明,可以使白色衣物看起来更洁白。至于 UV-B 和 UV-C 则主要应用于杀菌、消毒,医学光照疗法等,其中 UV-B 以医疗为主、UV-C 则是杀菌消毒。此外,UV LED 从纸钞识别,应用到光树脂硬化、捕虫、印刷,并朝杀菌、消毒等市场发展生物医疗、防伪鉴定、空气净化、数据存储及军事航空领域,以特种照明为主。

1、光固化系统中的应用领域:

UVA 波段的典型应用为紫外固化和 UV 喷墨打印,代表波长为 395nm、365nm,UV LED 光固化应用包含在显示屏、电子医疗、仪表等行业的 UV 胶黏剂固化;建材、家具、家电、汽车等行业的 UV 涂料固化;印刷、包装等行业的 UV 油墨固化…… 其中,紫外 LED 饰面板行业已成为一大热点,最大的优势是可制作出零甲醛的环保板材,且节能 90%,产量大,耐硬币刮擦,综合效益经济等优点。这表示 UV LED 固化市场是一个全方位和全周期的应用产品市场。

微电子行业-UV 光固化应用:

手机元件装配(相机镜头、听筒、话筒,外壳,液晶模组,触摸屏涂层等),硬盘磁头装配(金线固定,轴承,线圈,芯片粘接等),DVD / 数码相机(透镜,镜头粘接,电路板加固),马达及元件装配(导线,线圈固定,线圈末端固定,PTC / NTC 元件粘接,保护变压器磁芯),半导体芯片(防潮湿保护涂层,晶元掩膜,晶元污染检验,紫外胶带的曝光,晶元抛光检查),传感器生产(气体传感器,光电传感器,光纤传感器,光电编码器等)。

PCB 行业 LEDUV 光固化应用:

元件(电容,电感,各种插件,螺丝,芯片等)固定,防潮灌封和核心电路、芯片保护,抗氧化涂层保护,电路板保型(角)涂层,地线,飞线,线圈固定,波峰焊通孔掩膜。

光树脂硬化应用:

紫外光固化树脂主要由低聚物、交联剂、稀释剂、光敏剂及其它特定助剂组成。它是用紫外光照射高分子树脂,使之发生交联反应而瞬间固化。在 UV LED 紫外线光固化机的照射下,紫外光固化树脂固化时间根本不需要 10 秒那么长的时间,基本上 1.2 秒就能够固化,比传统的 UV 汞灯光固化机在速度上快很多。同时热量方面也比 UV 汞灯的理想。通过对紫外光固化树脂各成分的不同调配,可制得满足不同要求和用途的产品。目前,紫外光固化树脂主要用于木地板涂层、塑料涂层(如 PVC 装饰板)、光敏油墨(如塑料袋的印刷)、电子产品涂层(标记及电路板印刷)、印刷上光(如纸张、扑克牌上光)、金属零部件(如摩托车零部件)涂层、光纤涂层、光刻胶及精密零部件的涂层等

2、医疗领域:

皮肤治疗:

UVB 波段的一个重要应用则是皮肤病治疗,即紫外光疗应用。科学家发现波长在 310nm 左右的紫外线对皮肤有强烈的黑斑效应,能够加速皮肤的新陈代谢,提高皮肤的生长力,从而可以有效治疗白癜风、玫瑰糠疹、多形性日光疹、慢性光化性皮炎、光线性痒疹等光照性皮肤病,因此在医疗行业,紫外光疗目前得到了越来越多的应用。

相比于传统光源,UV-LED 的谱线纯净,可以最大程度上保证治疗效果。UVB 波段也可以应用于健康保健领域,经过 UVB 波段的照射可以引起人体机体的光化学和光电反应,使皮肤产生多种活性物质,目前被应用于调节高级神经功能、改善睡眠、降低血压等方面。

此外,已有研究表明 UVB 波段能够加速某些叶类蔬菜(如红生菜)中多酚类物质的产生,这些多酚类物质被宣称具有抗癌、抗癌扩散和抗癌突变等性质。

医疗器械:

UV 胶水粘接使医疗器械的经济自动化装配更容易。现在,先进的 LED UV 光源系统,能几秒钟固化没有溶剂的紫外胶水,以及点胶系统,使医疗器械装配过程形成一致和重复性的粘接的一种有效和经济性的方法。

UV 光源的最优化和控制对制造可靠的医疗器械非常重要。使用紫外固化胶水提供有很多优势,比如更低的能量需要,节省固化时间和位置,提升生产率,更容易自动化。

UV 胶水一般用来粘接和密封医疗器械,这些医疗器械需要非常高的质量和最好的可靠性。UV 胶水固化典型应用在医疗器械装配,比如需要粘接 1) 不同的材料 (或是机械特性不相同) 2) 材料不足够厚,不能使用焊接方法 3)预先生产子件。

3、杀菌消毒领域:

UVC 波段的紫外线由于波长短,能量高,可以在短时间内破坏微生物机体 (细菌、病毒、芽孢等病原体) 细胞中的 DNA (脱氧核糖核酸) 或 RNA (核糖核酸) 的分子结构,细胞无法再生,细菌病毒丧失自我复制的能力,因此 UVC 波段产品可以广泛应用于如水、空气等的杀菌消毒。

由于 UV-LED 具有体积小等优点,可以配套作为成套 UV(紫外线)杀菌设备的光源,适用于各式外形结构、各种材质的大批量产品流水化作业的包装前工艺;配套作为室内空气灭菌机的 UV(紫外线)光源:适用于家用、公共场所等室内空气杀菌消毒;应用于消毒柜、微波炉等各种家用电器。

目前市场上有的深紫外应用产品包括 LED 深紫外便携式消毒器、LED 深紫外牙刷灭菌器、深紫外 LED 隐形眼镜清洗灭菌器、空气类杀菌、洁净水类杀菌、食品以及物体表面杀菌类。随着人民安全卫生意识的提高,这些产品的需求将大幅度提高,从而创造较大规模的市场。

4、火焰探测领域:

紫外线火焰探测器是紫外火焰探测器的俗称。紫外火焰探测器是通过探测物质燃烧所产生的紫外线来探测火灾的,除了紫外火焰探测器之外,市场上还有红外火焰探测器,也就是术语是线型光束感烟火灾探测器。紫外火焰探测器适用于火灾发生时易发生明火的场所,对发生火灾时有强烈的火焰辐射或无阴燃阶段的场所均可采用紫外火焰探测器,火焰探测紫外线传感器需要传感器本身耐高温且灵敏度高。 

5、电弧探测领域:

高压设备由于绝缘缺陷会产生电弧放电,放电时会伴随有大量的光辐射,其中含有丰富的紫外光,通过检测电弧放电产生的紫外光辐射,可以判断高压电力设备的安全运行状况。紫外成像是一种有效的电弧放电检测方法,形象直观,并且具有良好的检测定位能力,但是紫外光的信号比较微弱在检测上面还有一些难度。

6、纸钞识别:

紫外线识别技术主要是利用荧光或紫外线传感器检测纸币的荧光印记防伪标志及纸币的哑光反应。此类识别技术能够识别大部分假币(如洗涤、漂白、粘贴等纸币)。此技术发展最早,最为成熟,应用最为普遍。它不仅在 ATM 机的存款识别时用到,还在点钞机、验钞机等金融机具上用到。一般情况下运用荧光及紫光对纸币进行全方位的反射、透射检测。根据纸币与其它纸张对紫外线的不同吸收率和反射率进行鉴别,辨其真伪。对有荧光印记的纸币还能进行定量的鉴别。

随着机电一体化新技术的发展,紫外线传感器的性能将会得到进一步的完善,其检测结果将会更精确,检测距离将会更长,动态检测性能更好,因此,紫外线传感器的应用前景将会更加广阔。

本文来自微信公众号:传感器技术 (ID:WW_CGQJS),作者:法拉第

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