一文读懂紫外线传感器

人的五官是非常复杂敏感的传感器而人的五官大多只能定性感知外界信息，不能定量感知而且，还有很多物理量是人的五官感觉不到的比如他们能感受到视觉的可见部分，却感受不到频域更宽的不可见频谱比如红外和紫外光谱，人类视而不见在红外线和紫外线传感器的帮助下，这些不可见光可以被感应到

紫外线传感器/转换器

紫外线传感器也叫紫外光传感器，是一种利用光电子发射效应的光电池它的特点是只响应300nm以下的紫外辐射，灵敏度高，输出高，响应速度快，抗干扰能力强，稳定可靠，寿命长，功耗低，因此广泛应用于当前的安全防护和自动控制中

伴随着电子计算机的广泛应用，为计算机服务的各种传感技术越来越受到重视紫外线传感器可以检测到人类感官察觉不到的紫外线，避免了太阳光，光线等普通光源的干扰对于特殊场所的火圈发现，熄火保护，光电控制都非常有用

紫外传感器的结构分类

目前国内外有价值的紫外灯管按阴极形状可分为球形，丝状，扁平结构，均为二极管电极结构它们外壳的形状和材料类型是根据使用要求设计的从工作状态来看，按照电极形状分类来分析比较合适

1.丝状电极结构

这种管的电极一般由两根或多根对称的金属丝组成，是紫外线管的早期结构形式常用纯度较高的钨丝或铂丝，距离较近的平行线为工作区

由于紫外管完全依靠电极表面的光电子发射效应，然后通过气体倍增获得强信号，因此其光谱响应范围取决于阴极材料的功函数。

在光电子发射过程中，光子的波长越短，能量越高，甚至少量的光子也能激发电子克服功函数飞出阴极表面低能光子即使数量众多也无法激发阴极表面的电子在紫外灯管中，阴极材料的表面纯度要求很高，否则会影响光谱范围，失去使用价值采用对称的丝状结构，便于工艺处理，尽量避免其他物质对电极的污染

这种管的特点是可以在交流状态下工作，工作电流大，电路简单，通过适当的工艺可以去除电极表面的杂质但视角灵敏度波动较大，工作区域容易出现发射不均匀现象

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，需要将工作区固定在阴极上，因为紫外管将光信号转化为电信号，通过光电子发射和气体倍增来放大一般靠近电极的区域发光利用率最高，所以设计了点结构球形阴极紫外管，其结构如图所示

无论光子从哪个角度辐射到半球形阴极，放电区域总是在靠近阳极的半球形顶点由于阴极的有效面积较小，显像管的工作电流一般小于0.3mA，但其视角较宽，视角灵敏度比较均匀，因此特别适用于火灾预报场所，通过调焦可以提高灵敏度

在管中，阳极做成半球形反射面，如美国耐540℃的紫外光敏管接收到的紫外辐射被反射到中心的阴极，灯管的灵敏度得到提高，因为远紫外辐射具有与可见光相同的线性传播和反射效应，如图2b所示的聚焦型

3.扁平阴极结构

紫外线灯管的灵敏度取决于阴极接收到多少远紫外线辐射的光子阴极面积越大，接收概率就会越高，这样就会有更多的电子从阴极逸出，被施加的高压电场加速，与管内的气体分子碰撞，使气体分子电离，电离后产生的电子再与气体分子碰撞，这样循环运动最终将管内的气体排出雪崩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，最近几年来发展了一种具有平阴极结构的紫外管

紫外传感器的参数比较

紫外管是一种冷阴极放电二极管，和光电池一样利用阴极的光电子发射效应灯管用特殊气体密封，作为放电管的工作介质在只对紫外线敏感的光阴极和阳极之间施加电压时，紫外线透过玻壳照射在阴极上，阴极会发射光电子

由于电场，光电子被吸引到阳极，但输出电流很弱如果施加的电压增大，电场变得很强，光电子被充分加速，与管内的气体分子碰撞，使气体分子电离，气体电离产生的电子再次与气体分子碰撞，最终引起放电现象，获得大的信号电流在DC电压下工作时，如果没有形成特殊的阻尼回路，放电将继续进行以上是紫外线灯管的主要工作原理下面是灵敏度，视角，光谱响应范围，噪声，可靠性等一些主要参数

1.敏感

紫外管的灵敏度可以用输出脉冲和输出电压两种形式表示，不同的电路和测量标准可以得到不同的数据一般要确定四项:标准紫外辐射源，距离，电路，测量仪器

在各种不同结构的紫外管中，平板阴极的灵敏度最高，特别是对于远距离探测，球形阴极的噪声较低，因此仍然可以有效分辨远距离的紫外辐射。

为了提高灵敏度，还可以将表面处理过的铝金属涂上氧化镁作为聚焦透镜，将散射光子聚焦在阴极上，从而增加发光几率也可以用紫外透明材料制成的凸透镜聚焦在探头正面

提高电路的灵敏度同时会增加噪声信号，所以在生产过程中要保证灵敏度高，尽可能降低噪底用输出电压来区分灯管的灵敏度，往往适合熄火保护的应用在距离烛光20厘米处有10~30伏的输出输出电压的稳定可以使监视器更可靠地工作紫外光敏管在使用过程中灵敏度下降很小，在10000小时的使用寿命内很少会出现灵敏度大幅下降的现象，所以不会出现火警不报的现象

2.角度灵敏度

视角灵敏度在大空间火灾报警中非常重要，因为不同角度的灵敏度因电极形状的不同而不同。

在灯丝阴极的DC工作条件下，垂直阴极的灵敏度在30° ~ 60°时最高，表明该区域的电子在场强的作用下最容易从阴极表面逸出。

由于充气压力和电极间距导致的低pd值干放电所需的最小阴极距离，最近的阴极和阳极处的光发射减少沿着电极的平行方向，角度灵敏度曲线对称地变化

正管在0时，灵敏度最高，但只有最高灵敏度的60%如果电子管在交流电下工作，在另一个电极上会出现同样的敏感区域，呈现对称的双叶图案对于更大空间的紫外探测，灯丝阴极视角灵敏度的均匀性强于插头

球形阳极在前部160具有相对均匀的灵敏度当紫外光源在垂直于阳极的方向上移动时，因为阳极阻挡了辐射，所以出现了一个波谷区

当阳极沿水平方向旋转时，由于没有阳极块，峰面积出现在60前160°锥形表面显示出超过60%的灵敏度因此，球形阴极更适合大面积的火灾陷阱探测

平板阴极视角灵敏度均匀对称，基本无谷这是因为阴极面积大，精密网状阳极在阴极上形成均匀的屏蔽状态，在160°视角范围内形成相当均匀的灵敏度曲线，非常适合大视角的火灾监测

3.光谱响应范围

紫外线管可以处于对太阳光没有反应的日光盲状态，这是其在特殊场所应用所必需的。

通常阴极材料的功函数决定光谱长波长的截止点，灯管或窗口材料决定短波长的截止点比如熔融应时是165nm，紫外透明玻璃是185nm但同样的电极材料和加工工艺，无法保证相同的光谱波长截止，这是最终阴极表面纯度不一致造成的

在球形阴极中，由于材料纯度高，避免了尖端效应，其截止波长一般在245nm以内阴极面积越小，越容易控制其截止波长，但面积越小，灵敏度越低

阴极的光谱范围也可以控制在245nm，但由于阴极的大面积和高灵敏度，长波长端的噪声水平相应增加。

将地面太阳光与具有宽光范围的管的单色光进行比较，证明即使在夏天强烈的太阳光下也没有发现280nm以下的辐射。

4.噪音

紫外灯管能将光信号转换成电信号，它有自己的背景和环境噪声由于宇宙线或管内激发的亚稳态电子跃迁在频繁的脉冲中往往会产生假计数，即使在完全黑暗的情况下也会出现少量的噪声信号，但时间间隔较长质量差的管道噪声信号会上升，有时离信号不远，会造成整机误报警有些严重的可以在可见光下自激，无法使用因此，紫外线灯管必须长期老化，以确保安全可靠的使用

由于阴极有效面积小，球形阴极的背景被抑制，光谱范围窄，所以显像管的背景噪声很低，一般几个小时才一次阴极的噪声较高，每分钟约1—4次，但由于其灵敏度高，信噪比仍然很高，微弱的紫外线也能从噪声中明显分辨出来

充有氢气的管子在放电过程中具有净化电极的作用在使用熄火保护的过程中，长时间放电不会发出太大的噪音，可以可靠运行10000小时灯管使用不当会放大噪音，缩短使用寿命，所以对紫外线传感器的电路有严格的要求一般来说，阴极工作区辉光充分，平均工作电流较低的峰值脉冲为最佳状态电路中的管必须有足够的熄灭时间，使管中的气体有足够的去离子时间，这是利用电路中的R—C阻尼电路来确定的大电流低辉光面会造成阴极区局部污染，放大噪声，降低使用寿命

5.紫外线传感器的可靠性

紫外线灯管是真空密封的，气压，温度，湿度等气候因素对其使用影响很小50 ~ 200°C的应用，会使玻壳和管子引线上的有害物质因热运动而蒸发到电极上，使光谱范围扩大但放电对电极的净化仍能满足消防栓监测的要求，总寿命会有所降低强烈的振动或冲击也会影响个别紫外灯管的参数，这是由于在工艺处理中阴极的有害物质返回阴极，导致光谱范围扩大紫外线管中的工艺处理要求极其严格，应尽量减少污染

紫外线灯管可以保存很长时间经过8年多的存放，灯管的参数变化不大，仍然不影响使用从结构上看，球形阴极的参数容易控制，因为它的放电面积小且稳定

紫外线传感器的应用

紫外线是电磁波谱中波长在10纳米到400纳米的辐射的总称根据波长不同，紫外线一般分为A，B，C三个波段，如下:UVA为400~315 nm，UVB为315~280 nm，UVC为280~100 nm对应不同波长，具体应用不同在UVLED的市场应用中，UV—A占据了最大的市场份额，高达90%其主要应用市场是固化，涉及美甲，牙齿，油墨印刷等领域除此之外，商业照明也引入了UV—A，可以让白色的衣服看起来更白至于UV—B和UV—C，主要用于杀菌，消毒，医学光疗等，其中UV—B主要用于医疗，UV—C用于杀菌消毒此外，UV LED从钞票识别应用于光树脂硬化，昆虫捕捉和印刷，向杀菌消毒等市场发展生物医学，防伪识别，空气净化，数据存储和军事航空领域，以特种照明为主

1.光固化系统的应用领域:

UVA波段的典型应用是UV固化和UV喷墨打印，代表波长为395nm和365nmUV LED固化应用包括显示屏，电子医疗，仪器仪表等行业的UV胶固化建材，家具，家电，汽车等行业的UV涂料固化，UV油墨在印刷，包装等行业的固化...其中UV LED装饰板行业成为热点，其最大的优势是可以生产零甲醛环保板材，具有节能90%，产量大，防硬币划伤，综合经济效益好等优点这表明UV LED固化市场是一个全方位，全周期的应用产品市场

微电子工业—紫外线固化应用:

手机部件组装，硬盘磁头组装，DVD/数码相机，电机及组件组装，半导体芯片涂层，地线，飞线，线圈固定，波峰焊通孔掩模。

光硬化应用:

紫外光固化树脂主要由齐聚物，交联剂，稀释剂，光敏剂和其他特定添加剂组成它是用紫外光照射高分子树脂，引起交联反应，瞬间固化在UV LED的UV光固化机照射下，UV固化树脂的固化时间根本不需要10秒，1.2秒就可以固化，比传统的UV汞灯光固化机快很多同时热量也比紫外汞灯好通过紫外光固化树脂各组分的不同配比，可以制成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料，塑料涂料，光敏油墨，电子产品涂料，印刷抛光，金属零件，光纤涂料，光刻胶和精密零件涂料等

2.医疗领域:

皮肤护理:

UVB波段的一个重要应用是皮肤病治疗，也就是紫外光疗法科学家发现，波长约为310nm的紫外线对皮肤有强烈的黑斑效应，可加速皮肤的新陈代谢，改善皮肤的生长，从而可有效治疗白癜风，玫瑰糠疹，多形性晒伤，慢性光化性皮炎，光化性痒疹等光化性皮肤病因此，紫外线疗法在医疗行业得到了越来越多的应用

与传统光源相比，UV—LED具有纯净的谱线，可以最大程度的保证治疗效果UVB波段也可用于医疗保健领域UVB波段的照射能引起人体的光化学和光电反应，使皮肤产生多种活性物质目前用于调节高级神经功能，改善睡眠，降低血压

此外，研究表明，UVB波段可以加速一些叶菜类蔬菜中多酚类物质的产生，这些多酚类物质被宣称具有抗癌，防癌扩散和防癌突变的特性。

医疗器械:

UV粘合剂粘合使医疗设备的经济和自动装配更加容易现在，先进的LED紫外光源系统和点胶系统是医疗器械组装过程中形成一致和重复粘合的有效和经济的方法

紫外光源的优化和控制对于制造可靠的医疗设备非常重要使用UV固化胶有许多优点，例如较低的能量需求，节省固化时间和位置，提高生产率和更容易自动化

UV胶一般用于粘接和密封医疗器械，对质量要求非常高，可靠性最好UV胶固化通常用于医疗器械的组装，例如:1)不同的材料(或不同的机械性能)需要粘合，2)材料不够厚，无法使用焊接方法，3)组件需要预生产

3.灭菌和消毒领域:

UVC波段紫外线由于波长短，能量高，可以在短时间内破坏微生物细胞中DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构细胞无法再生，细菌和病毒失去了自我复制的能力因此，UVC波段产品可广泛应用于水和空气的消毒

由于UV—LED具有体积小的优点，可作为成套紫外线杀菌设备的光源，适用于各种形状，结构和材料的批量产品的预包装过程作为室内空气消毒器的紫外光源:适用于家庭及公共场所的室内空气消毒用于消毒柜，微波炉等各种家用电器

目前市场上的一些深紫外产品有LED深紫外便携式消毒器，LED深紫外牙刷消毒器，深紫外LED隐形眼镜清洁器，空气杀菌，净水杀菌，食品和物体表面杀菌等伴随着人们安全卫生意识的提高，对这些产品的需求将会大大增加，从而形成一个大规模的市场

4.火焰检测领域:

紫外火焰探测器是紫外火焰探测器的俗称紫外线火焰探测器通过探测燃烧物质产生的紫外线来探测火灾除了紫外火焰探测器，市场上还有红外火焰探测器，即术语线性光束感烟探测器紫外火焰探测器适用于发生火灾时容易出现明火的场所紫外火焰探测器可用于发生火灾时有强烈火焰辐射或无阴燃阶段的场所火焰检测紫外传感器需要耐高温和高灵敏度

5.电弧检测场:

高压设备由于绝缘缺陷会产生电弧放电，放电会伴随大量的光辐射，其中含有丰富的紫外线通过检测电弧放电产生的紫外辐射，可以判断高压电力设备的安全运行状态紫外成像是一种有效的电弧放电检测方法，直观，具有良好的检测和定位能力但是紫外光的信号比较弱，检测起来还是有一定的难度

6.钞票识别:

紫外识别技术主要是利用荧光或紫外传感器检测钞票的荧光压印防伪标记和钞票的哑光反应这种识别技术可以识别大部分假币这项技术最早，最成熟，应用最广泛不仅用于ATM机的存款识别，还用于点钞机，验钞机等金融工具一般用荧光和紫光来检测钞票各个方向的反射和透射根据纸币与其他纸张对紫外线的吸收率和反射率不同，可以鉴别纸币的真伪带有荧光标记的纸币也可以定量识别

伴随着机电一体化新技术的发展，紫外传感器的性能将进一步提高，其检测结果将更准确，检测距离将更远，动态检测性能将更好因此，紫外传感器的应用前景将更加广阔

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