古代中國人通過長城上的烽火所產(chǎn)生的煙霧來傳遞信息，但在城市叢林中，如果出現(xiàn)了煙霧，就預(yù)示著發(fā)生了嚴(yán)重的火災(zāi)事故。煙霧檢測器可以實現(xiàn)火災(zāi)檢測和防范。

檢測煙霧的傳感器種類包括有光電式、離子式、半導(dǎo)體氣敏式等多種煙霧傳感器。有的場景中，會同時使用多種煙霧傳感器協(xié)同工作。

離子式、半導(dǎo)體氣體敏感式、光電式煙霧傳感器

離子式煙霧傳感器原理簡單，價格便宜。它是在上個世紀(jì) 60~70 年代逐步推廣使用的。它采用了人造放射源 95 號元素镅 241(Am241)，封裝在由金屬構(gòu)成的電離室。

镅241：半衰期為432.6年的α輻射體，經(jīng)α衰變生成237Np。經(jīng)長期放置的含有241Pu的鈍钚是提取241Am的重要原料，從動力堆后處理高放廢液只能提取241Am和243Am的混合物。241Am是輻照生產(chǎn)242Cm的靶料。241Am用于制造镅-鈹中子源。241Am的軟r射線適合于低密度材料的r探傷，還可用于離子感煙火災(zāi)探測器，其基本原理是 α射線同煙霧粒子作用可以造成空氣電離的改變。

 
每一個離子式煙霧探測器的探頭中都含有少量的镅241（Am241），镅241會放射出α粒子，它利用放射性物質(zhì)镅241釋放出能量，產(chǎn)生一小束帶電粒子。一旦發(fā)生意外，從火焰里冒出來的煙霧與粒子束發(fā)生反應(yīng)，觸動警報器拉響警報。

镅 241 半衰期為 432 年，衰變產(chǎn)生能量為 5.4MeV 的α離子和γ射線，射線通過電離室時電離空氣分子，產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場的作用下各自向正負(fù)電極移動。

 
放射性離子在電離室產(chǎn)生離子，在電場作用下形成電流

在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧進入電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，經(jīng)過電路放大便產(chǎn)生檢測信號。

這個常見的電離煙霧探測報警器內(nèi)的小“紐扣”中含有極少量的镅 -241，它就躲藏在金箔下面，放射性強度為 0.9 毫居里，放射性活度是 29.6k 貝克(每秒約 3 萬次原子衰變裂變)。

電離煙霧傳感器正面和內(nèi)部放射性 Am241 金屬紐扣

煙霧報警器的塑料外殼通常足以阻擋α射線，這些α射線在空氣中 也只能穿過幾厘米，它甚至無法穿過人的皮膚。

當(dāng)然镅也會釋放出一些γ射線，但強度小于 50nSV，甚至低于吃一根香蕉所受到的 100nSV 的輻射劑量。因此離子傳感器通常情況下對人體不會造成放射性傷害。

煙霧檢測器中的镅 -241 含量很少，所產(chǎn)生的離子電流非常小。假如每一次原子衰變都能夠產(chǎn)生一個電離電子，那么 29.6kBq 的放射量所產(chǎn)生的電流大約為：

普通的運放是無法放大這么微弱的電流信號的。這需要使用 F3140, INA116 這類極高輸入阻抗的運放才能夠進行放大。

下面是使用 INA116 離子電流放大器對煙霧傳感器輸出信號進行放大的電路圖。

使用 INA116 運放放大煙霧傳感器輸出信號

離子煙霧傳感器一般包括有三個電極，分別連接到外殼、內(nèi)部金屬簾、以及放射源承載金屬紐扣。

在放射源極與金屬殼級之間施加一個電壓。放射性 Am,-241 所產(chǎn)生的射線在附近空氣中產(chǎn)生的離子就會形成穩(wěn)定的電流。位于中間的金屬層經(jīng)過一段時間電荷積累，最后形成穩(wěn)定的電壓輸出。

傳感器放大實驗電路

在金屬殼上開有縫隙，方便煙霧進入殼內(nèi)。煙霧進入之后，就會吸收其中的離子電荷。由于煙霧顆粒質(zhì)量比空氣分子大得多，因此在熱平衡之后，煙霧顆粒運動速度慢，減弱了金屬簾與外殼之間的電流，進而使得金屬簾極的電壓發(fā)生變化。

下圖顯示了在煙霧傳感器附近點著紙張所產(chǎn)生的煙霧對放大信號的影響。

煙霧傳感器對附近的煙霧有反應(yīng)

通過檢測電壓變化，可以對煙霧進行報警。有一些專用離子型煙霧傳感器芯片，將信號放大，變化檢測、報警等功能集成一體，比如：MC145018p、MC14467P、MC14458P 等。由它們可以組成價格低廉、功耗低的煙霧傳感器。

離子型煙霧傳感器內(nèi)部放射源 Am-241 產(chǎn)生 alpha 粒子和γ射線。其中γ射線可以被玻璃外壁的蓋革管檢測，alpha 粒子則被阻擋在玻璃殼之外。

玻璃外殼的蓋革管

在沒有放射源時，由于環(huán)境周圍存在宇宙高能粒子，以及蓋革管自發(fā)放電，蓋革管產(chǎn)生每分鐘十幾次的放電脈沖。

下圖顯示了蓋革管輸出脈沖波形。

通常情況下蓋革管每分鐘十幾次的放電

去掉離子型煙霧傳感器外殼，可以看到內(nèi)部包含有 Am-241 的放射源金屬片。將該金屬片放在蓋革管旁邊，可以引起蓋革管放電脈沖劇增。

由于γ射線是光子，運動速度很快，大部分γ光子都會穿過蓋革管，只有少部分γ光子碰到蓋革管內(nèi)部氣體分子，引起放電，所以蓋革管檢測到γ射線的效率并不高。

將 Am241 金屬片放在蓋革管旁邊引起放電脈沖增多

將 Am-241 金屬片從距離蓋革管 11 厘米處，逐步移動到蓋革管旁邊，所引發(fā)的放電脈沖次數(shù)會逐步增多，這是因為隨著距離靠近，通過蓋革管的γ光子數(shù)量增加造成的。

下圖顯示了隨著距離靠近，蓋革管輸出脈沖數(shù)量的變化。

蓋革管輸出脈沖隨著 Am241 金屬片靠近而增多

人類自古就受到火災(zāi)的困擾，直到工業(yè)文明之后，對于火災(zāi)檢測和防范的發(fā)明才逐步增加。

根據(jù)美國專利和商標(biāo)局記錄，早在 1901 年紐約市 Brooklyn 區(qū)的 Oscar Freymann 和 Charles Tolman 提交了一份霧報警器專利。他們的設(shè)計中，核心部分是由蠶絲、馬鬃或者相似纖維編織的線，在蘇打溶液中煮 20 分鐘，晾干抻直。

據(jù)發(fā)明者陳述，這種方法處理后的絲線可以對煙霧非常敏感。當(dāng)煙霧存在的時候，絲線會延伸。當(dāng)煙霧消失后，絲線回復(fù)原來長度。

Freymann,Tolman 的煙霧探測器

Freymann 和 Talman 的煙霧報警器是一個半機械、半電子的設(shè)備：在金屬容器內(nèi)，一段處理后的神奇絲線(1)被滾輪(2)拉直。金屬容器底部開有煙道方便煙霧進入。絲線通過后面若干級杠桿傳遞（3）觸發(fā)最后的開關(guān)，可以讓電池驅(qū)動的報警器工作。

現(xiàn)代離子型煙霧檢測器的發(fā)明歸功于很多人的貢獻(xiàn)，很多相關(guān)的專利在上個世紀(jì) 60~70 年代被多個人申請。Duane Pearsall 發(fā)明煙霧檢測器過程比較神奇。

普通家庭中的煙霧報警傳感器

他的公司原來是生產(chǎn)除靜電裝置的公司，利用檢測離子電流來工作。有一次測試中他發(fā)現(xiàn)一名工程師偶然點燃的香煙會引起設(shè)備故障，進而激發(fā)他的靈感，這個故障現(xiàn)象可以用來來檢測煙霧，于是就申請了發(fā)明專利，并開始研制推廣離子型煙霧傳感器。

通過逆向思維，將原本故障現(xiàn)象變成新的應(yīng)用可能，這是優(yōu)秀工程師的特質(zhì)。所以下一次再遇到故障，需要多想想 .......