在光谱分析法中，检测系统的功能是将光辐射信号转换为可量化输出的信号，主要有两类检测器：光电检测器和热检测器。

一、理想的检测器

理想的检测器应该在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应，同时具有高灵敏度、高信噪比、响应时间快的特点，在没有光辐射时，检测器输出信号应该为零。从分析测定量的角度要求，理想检测器响应光辐射所产生的信号还应该正比于光辐射的强度，即

S=kI (1)

式中S是检测器响应的输出信号，k是检测器的灵敏度，I为作用于检测器的光辐射强度。

实际上，理想检测器是不存在的，主要是因为实际的检测器不可能在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应，也就是说当波长不同但强度相同的光辐射作用于实际检测器时，不可能产生恒定的响应，即检测器的灵敏度k是波长的函数；另一方面，与实际光源相关的作用于检测器的光辐射强度I也是波长的函数。因此，检测器输出信号S亦即是波长的函数。同时，实际检测器还存在暗信号输出S0,S0是在没有光辐射作用于检测器时输出的微弱信号，它通常决定了检测器的检测下限。鉴于上述原因，对实际检测器，式（1）应该表示为

S(λ)=k(λ)I(λ）十S0 (2)

在实际的仪器设计中，一般都采用补偿电路将暗电流尽可能地消除掉，因此式（2）可表示为

S(λ)=k(λ)I(λ) (3)

由式（3)可知，k(λ)和I(λ)均是波长的函数，在研究波段范围内并非恒定不变，因此，光谱分析所得到的光谱即S-λ关系曲线并非物质的实际光谱。要得到物质的实际光谱，必须对k(λ)和I(λ)的影响进行校准，使之在研究波段范围恒定不变。校准的方法是分别对检测器的灵敏度k和光源发出的光强度在研究的波段范围内进行归一化处理。另一方面，如果仅仅是定量测定，则只要固定波长即可，这时的信号值直接与被分析物质的量有关。

二、光电检测器

光电检测器是将光信号转换为可量化输出的电信号的检测器。光电检测器有两种类型，一类检测器的信号转换功能主要通过光敏材料来实现，当光作用于光敏材料时，光敏材料释放出电子，由此实现光电转换；另一类检测器的信号转换功能主要通过半导体材料来实现，当光作用于半导体材料时，半导体材料的导电特性将发生改变，并实现光电转换。

由于光敏材料释放出电子以及半导体材料导电特性改变均需要一定的能量，而光能量的大小与波长成反比，因此光敏材料和半导体材料只对紫外线、可见光和近红外光敏感，相应的光电检测器只适用于萦外到近红外光区的光谱检测。所对应的光谱法包括原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、紫外一可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光以及近红外光谱。而由于红外光的能量较低，不足以使光敏材料释放出电子，或使半导体材料的导电特性发生改变，因此光电检测器不能用作红外光谱的检测器。

常见的光电检测器包括硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管、光电倍增管以及硅二极管阵列和电荷转移器件等。其中，硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管和光电倍增管为单波长检测器，它们均需要通过狭缝采光，将不同波长的光投射到检测器上分别检测。因而，如果要获得光谱，单色器必须有波长扫描功能，即借助于单色器的旋转，使不同波长光在不同时间通过固定狭缝到达检测器进行检测，光谱的分辨是靠时间分辨来实现的。而硅二极管阵列和电荷转移器件为多遣检测器，它们本质上是多个单波长检测器的集成，可进行多波长同时测定。几最早便用的多道检测器是原子发射光谱中使用的照相干板，它将照相干板放置在光谱仪的聚焦平面上曝光，可同时记录光谱中的所有谱线。因此，一个设计合理的多通道检测器，不要求单色器具有波长扫描功能，光谱的分辨依靠分光系统的合理设计（如将检测器设置在光谱仪的焦面上）和阵列微型检测器的空间分布来实现。

典型的光电检测器是光电倍增管和电荷转移器件。

1．硒光电池

硒光电池通过半导体材料硒实现光电转换，其光谱响应的波长范围为300-800nm，最灵敏响应波长范围为500-600nm。将硒沉积在铁或铜的金属基板上，硒表面再覆盖一层金、银或其他金属的透明金属层就构成了硒光电池，金属基板为光电池的正极，与透明金属薄膜相连接的金属收集环为光电池的负极，即集电极。当光照射在半导体材料硒上时，在硒材料内将产生自由电子和空穴对，自由电子向透明金属薄膜流动，而空穴则移向金属基板电极。所产生的自由电子通过外电路与空穴复合而产生电流。当外电路的电阻不大时，所产生的电流与入射光的强度成线性关系，强度约为10-100μA,可直接进行测定，无需外电源及放大装置。硒光电池受强光持续照射会产生“疲劳”现象，且由于其内阻小，输出不易放大，故一般应用于简单的便携式仪器中。

2.真空光电管

真空光电管也称真空光电二极管，由真空透明封套内的一个半圆筒形阴极和一个阳极组成。其阴极内表面涂有碱金属及其他材料组成的光敏物质，阳极为与阴极骨架轴面同轴的金属镍环或镍片。当光线照射在阴极表面上时，光敏物质发射光电子，这些光电子被加在两电极间的电压（≈90V）所加速，并为阳极所收集而产生光电。该光电流一般只有硒光电池的十分之一，难于直接测定，但该电流容易放大。将该电流通过一负载电阻并在负载电阻两端产生电压降，再经直流放大器放大，即可进行测量。

真空光电管的光谱响应范围和灵敏度取决于沉积在阴极上的光敏材料性质。不同阴极材料制成的光电管有着不同的光谱适用范围，即使同一光电管，对不同波长的光，其灵敏度也不同。因此，对不同波长区域光的检测，应该选用不同的光电管。例如，氧化铯一银光敏材料对近红外光敏感，氧化钾一银和铯一银光敏材料对紫外和可见光最敏感。

3．光导电检测器

光导电检测器也叫半导体检测器，它实际上是一种电阻器，当没有光照射时，其电阻可达200kΩ，而吸收辐射后，半导体中的某些价电子被激发成为自由电子，电子和空穴增加，导电性能增加，电阻减小。因此，可根据电阻的变化检测辐射强度的大小。光导电检测器的敏感元件通常由金属铅、镉、镓、铟的硫化物、硒化物及碲化物形成的半导体晶体组成，其中应用最广泛的半导体晶体是硫化铅，它可以在室温下使用，适用波数范围在12500-3300cm^-1(0.75-3 μm）的近红外光区，而适用于中红外和远红外光区的汞／镉碲化物晶体，则必须采用液氮冷却，以抑制因热产生的噪声。光导电检测器在傅里叶变换红外光谱仪中有
着重要的应用。

4.硅二极管

硅二极管由在一硅片上形成的反向偏置的p-n结构组成，反向偏置造成了一个耗尽层，使该结的传导性几乎降到了零。当辐射光照射到n区，就可形成空穴和电子。空穴通过耗尽层到达p区而湮没，于是电导增加，形成光电流。硅二极管的灵敏度小子光电倍增管，可响应的光谱范围为190-110nm。

5．光电倍增管

光电倍增管是一种加上多级倍增电极的光电管，同时具有光电转换和电流放大功能，其外壳由光学玻璃或石英玻璃制成，内部为真空状态。光电倍增管的结构和工作原理，A为阳极，C为阴极。光电倍增管阴极C上涂有能光致发射电子的光敏物质，在阴极C和阳极A之间，设计安装了一系列次级电子发射极，即电子倍增极D1，D2，…等。光电倍增管工作时，在阴极C和阳极A之间施加约1000V的直流电压，每个相邻倍增电极之间，存在约50-100V的电位差。当光照射在阴极C上时，光敏物质发射电子，该光电子在电场中加速，高速撞击第一个倍增极D1，并撞击出更多的二次电子；该二次电子同样在电场下加速撞向第二个倍增极D2，撞击出进一步增多的二次电子；依此类推。每次撞击出二次电子的倍增数可以通过改变胡极C和阳极A之间的直流电压来控制。一般情况下，一个光电子经过光电倍增管的倍增极多次倍增后，可以达到106-1010个光电子的水平。光电倍增管之所以具有优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比），主要得益子多个次级电子发射系统的使用，它可使电子在低噪声条件下得到倍增。

光电倍增管由阴极C吸收入射光子的能量并将其转换为电子，其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变化，这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性，双碱阴极光电倍增管（其光阴极材料为Sb-Rb-Cs和Sb-K-Cs）的典型光谱响应曲线。一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。光电倍增管的阴极一般都采用具有低电子逸出动能的碱金属材料所形成的光电发射面，而入射窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm的入射光，而其他三种玻璃窗材料则可用于紫外光区。

与光电管不同，光电倍增管的输出电流随外加电压的增加而增加，原因是每个倍增电极获得的增益取决于加速电压，因此光电倍增管对外加电压极其敏感，必须严格控制光电倍增管外加电源的龟压、光电倍增管在没有光照射阴极时产生的暗电流，限制了光电倍增管的检测下限，光电倍增管的暗电流越小，光电倍增管的质量越好。此外，光电倍增管具有极快的响应时间。

6．硅二极管阵列

在硅片上集成多个微型硅二极管即制成硅二极管阵列检测器。放大的光二极管阵列靶的部分截面和端视图，靶的直径为16mm，每平方毫米含有15000个以上的光二极管。每个光二极管都由被绝缘二氧化硅层包围着的一个圆柱形p型硅区所组成，因此每个二极管都与邻近的二极管电绝缘，它们都联结到一个共同的n型层上。

当靶的表面被电子束扫描时，每个p型柱就被持续充电到电子束的电位，起一个充电电容器的作用，当光子打到n型表面以后形成空穴，空穴向p区移动并使沿入射辐射光路上的几个电容器放电，然后当电子束再次扫到它们时又使这些电容器充电。这一充电电流随后被放大作为信号。

若电子束的宽度为约20μm,可使靶的表面有效地分成500个通道。每个通道的信号分别储存到计算机的存储器中。如果靶处于单色器的焦面上，则每个通道的信号就与不同波长的辐射相对应，即可进行米学多道分析。

硅二极管阵列检测器的性能，如灵敏度、线性范围和信噪比等，与光电倍增管相比较差，使它在以多道测量为主要目的的实际应用中受到限制。而电荷转移器件除具有多道测量的优点外，其性能接近光电倍增管，因此，在现代光谱仪中的应用正日益增加。

7．电荷转移器件

电荷转移器件是新型的多道检测器，因其将电荷从收集区转移到检测区后完成测是而得名。电荷转移器件分为电荷祸合器件（charge-coupleddevice,CCD）和电荷注入器件（charge-injectiondevice,CID)。

电荷转移器件的微型光敏元件称为像素，通常以二维面阵形式排列，它包含若干行和列的结合。例如，在一块6.5mm×8.7mm的硅片上，可制成由数万个像素组成的电荷转移器件，每一个像素可看成是一个单波长检测器．，它实际上是一个金属一氧化物一半导体电容器。该电容器的形成方法是：在P型或n型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100-150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个金属一氧化物一半导体电容器。

电荷转移器件最突出的特点是以电荷作为信号，通过检测一定时间周期内不同像素的累计光生电荷量，并与入射光的波长及强度相关联。其作用十分像感光胶片，即产生的是辐射照射在其上面的累积信号。

电荷转移器件测定光生电荷量的方法有两种，一种是测量当电荷从一个电极移到另一个电极时产生的电压改一变；另一种是将电荷引入敏感放大器中测量，前者称为电荷注入器件，后者称为电荷耦合器件。电荷耦合器件在低温工作时，暗电流非常低，因而常用作高灵敏检测。

三、热检测器

热检测器是基于黑体吸收辐射并根据吸收引起的热效应测定辐射强度的一类检侧器。由于红外光的能量一般不足以产生光电子发射，因此光电检测器不能用于红外光区的光谱检测。除光导电检测器以外，热检测器广泛用于红外辐射的检侧，其响应值与入射辐射的平均功率相关联。实际应用中，为了减少环境热效应的影响，吸收元件应放在真空中，并与其他热辐射源隔离。

根据沮度检侧方法的不同，热检测器分为三类，即真空热电偶、辐射热测量计和热释电检侧器。

1.真空热电偶

真空热电偶是目前红外光谱仪中最常用的一种检测器。它利用不同导体构成回路时的热电效应，将温差转变为电势差进行测量。该检测器以一小片涂黑的金箱作为红外辐射的接受面，选择两种不同的金属、合金或半导体（如铜和康铜），将它们的一端焊接在金箔的一面作为热接点，而它们的另一端作为冷接点（室温）与金属导线和检测电路相连，即组成热电偶。此热电偶封装在高真空的腔体内。为接受各种波长的红外辐射，在上对着涂黑的金箔开一小窗，黏以红外透射材料，如KBr,CsI,KRS一5等。当红外光通过此窗口照射到涂黑的金箔上时，热接点温度升高，两种不同的金属、合金或半导体间产生温差电动势，在闭路的情况下，回路郡有电流产生。由于它的阻抗很低（约10Ω左右），在和前置放大器耦合时需要升压变压器。一个设计良好的热电偶检测器，可响应10-6K温度差。为了增热接点冷接点接外电路加灵敏度，常常将几个热电偶串联起来，这就是所谓的热电堆。

2.测热辐射计

基于导体（如铂、镍）或半导体吸收辐射后，温度的改变使其电阻改变、从而产生输出信号而构建的检测器，所采用的测量电路为惠斯通电桥。用厚约10μm的热敏电阻安装在散热基片上制成热敏元件，将两个相同的该热敏元件连接到惠斯通电桥的相应两个臂上，其中一个热敏元件为检测元件，用于吸收红外辐射；另一个热敏元件起补偿环境温度变化影响的功能，不用于吸收红外辐射。当检测元件没有吸收红外辐射时，惠斯通电桥处于平衡状态，没有信号输出；当检测元件吸收红外辐射时，检测元件的电阻发生变化，惠斯通电桥不平衡，并输出信号，此信号大小与红外辐射强度成正比。

测热辐射计在中红外光区的应用较其他红外检测器少热些，但以锗为热敏电阻的测热辐射计是5-400cm^-1波段范围的理想换能器。

3.热释电检测器

某些热电材料晶体，如氖化硫酸三甘酞(DTGS)、硫酸三甘氨酸酯、钽酸锂等，具有温敏偶极矩的性质。将这些热电材料（如DTGS)的10-20μm厚单晶薄片放在两块金属薄片电极之间（其中一个可透射红外光），然后连接到放大器上，并一起封入带红外投射窗的高真空玻璃外壳内，即构成热释电检测器。当红外辐射照射到DTGS晶体上时，随着温度的变化，DTGS晶体表面电荷减少。这相当于DTGS释放了一部分电荷，在连接两电极的外电路形成测定电流，并经放大后检测记录，该电流的大小正比于晶体的表面积和晶体随温度改变极化的速率。热释电检测器的响应时间极快，可进行快速扫描，在中红外区的扫描时间仅需Is左右，足以跟踪检测从干涉仪的时间域信号变化，因而适用于傅里叶变换红外光谱仪。

四、信号处理和读出系统

信号处理和读出系统主要由信号处理器和读出器件组成。

信号处理器通常是一种电子器件，它可放大检测器的输出信号。此外，它也可以把信号从直流变成交流（或相反），改变信号的相位，滤掉不需要的成分。同时，信号处理器也可用来执行某些信号的数学运算，如微分、积分或转换成对数等。

在现代分析仪器中，常用的读出器件有数字表、记录仪、电位计标尺、阴极射线管等。

通常，光电检测器的输出采用模拟技术处理和显示，即将由检测器出来的平均电流、电位等放大、记录或馈入某一个适当的表头。近年来，利用光电倍增管的输出，将已应用在X射线辐射功率测量中的光计数技术，引入了紫外和可见光区的测量。

与模拟技术比较，光计数技术有更多的优点。它包括：改善信噪比和低辐射强度的灵敏度；提高给定测量时间的测量精度；降低光电倍增管电压和温度的敏感性。采用光计数技术需要较复杂的设备，价格昂贵，目前该技术尚不能广泛用于紫外一可见光区的测量。而在那些低强度辐射中，如荧光、化学发光和Raman光谱，已成为首选的方法。