烟雾传感器原理图 各种类型烟雾传感器的应用及原理解析

各种类型烟雾传感器的应用及原理解析

某天早晨7：46，从济南发车开往温州的G63次高铁列车平稳行驶在轨道中，但没过多久，有乘客察觉列车行驶速度变慢了，“时速从200多公里降到100多公里。”同在车上的陈先生这样说。后来经调查，原来是有乘客在车厢厕所内吸烟造成列车减速行驶。

现在动车、列车、飞机等交通工具中都装有烟雾报警传感器。在动车、列车行驶过程中，如果被烟雾传感器察觉到有烟雾存在，它便会第一时间向驾驶室发出报警信号，与此同时也会出现车内控制系统自动让列车行驶速度降低或者甚至停车状况的发生。

烟雾传感器用于检测环境是否有烟雾和烟雾的浓度，例如检测起火时的浓烟。烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。烟雾传感器利用烟雾敏感元件受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向主机发送烟雾浓度相应的模拟信号。

烟雾传感器的种类

烟雾传感器主要有离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。

离子式烟雾传感器

该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

此类探测器会产生由不带电的粒子经电离后形成带电的粒子（离子），故称之为离子型烟雾探测器。

电极之间的空气受直流电压调制，借助辐射源产生传到而形成离子，并产生电流。烟雾粒子附着离子后，电流信号减弱，且此信号变化与烟雾粒子量成比例。离子探测器适用于开放性火灾的探测。

光电式烟雾传感器

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。

光电感烟探测器可分为减光式和散射光式：

1、减光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内装有发光器件及受光器件。在正常情况下，受光器件接收到发光器件发出的一定光量；而在有烟雾时，发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡，使受光器件接收的光量减少，光电流降低，探测器发出报警信号。

2、散射光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能，探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。

该型传感器内部构造（探测腔）设置了光学传感器（发射光源和光电接收器），烟雾进入探测腔会阻挡光的发射而产生散射，光电接收器会接收到由于光的散射而产生变化的信号，继而产生电流信号的改变。

气敏式烟雾传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

其中气敏传感器有以下几种类型：

1、可燃性气体气敏元件传感器， 包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体， 目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机；

2、一氧化碳气敏元件传感器， 一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警；

3、氧传感器， 氧传感器应用很广泛， 在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大；

4、毒性气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

离子式烟雾传感器与光敏式烟雾传感器的比较

离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应；而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。

如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。这两种烟雾报警器时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装离子烟雾报警器较好。另一类闷烧火灾发生后，产生了大量的稍大的烟雾粒子，光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警，这类场所建议安装光电烟雾报警器。

气敏式烟雾传感器与离子式烟雾传感器的比较

火灾烟雾是由气、液、固体微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微电流变化装置。当烟雾粒子进入电离室，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大，由此来确定空气中的烟雾状况。

而气敏式传感器是探测空气中某些可燃气体的成分，所以在火灾探测方面，气敏式传感器性能并不如离子式传感器。探测空气中可燃气体的含量。有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳等多种可燃性气体的微量泄漏。适用于石油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企业，以及煤气厂、液化石油气站、氢气站等生产和贮存可燃性气体的场所。

烟雾传感器在火灾预防联网系统中的应用

联网烟雾报警器采用光电式或离子式烟雾传感器的报警器工作稳定可靠，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。联网烟雾报警器可用于对各类早期火灾发出的烟雾及时做出报警，产品体积小巧，并且可把无线发射和火灾烟雾传感器有机地结合。联网烟雾报警器主要适用于酒店、库房、宾馆、餐厅、旅社、工厂、油田井队、活动板房等公共场所。当探测到空气中的烟雾达到一定的浓度时，立即发出报警信号，有效预防火灾，避免生命的损失，财产损耗。

联网烟雾报警器可单独使用，在使用时先在欲监控的厅室的天花板上固定它的安装底座，本报警器内接上电池，再将它旋入安装底座。工作状态下，一旦探测到防范空间的烟雾浓度和持续时间达到报警值时，立即蜂鸣器鸣响报警。联网烟雾报警器与无线防盗报警系统配套时，安装和使用与单独使用一样。

联网烟雾报警器报警时，还会同时发射无线信号给无线防盗报警主机，报警主机无论是处于布防还是撤防状态都会做出报警反应。这种使用方式，报警范围更广，家中无人时发生火警也能及时掌握，以便第一时间做出反应。

烟雾传感器在宾馆火灾自动报警系统中的应用

宾馆是供国内外旅客住宿、就餐和举行各种会议、宴会的场所。现代化的宾馆一般都具有多功能、综合性的特点，集餐饮、住宿、娱乐、购物为一体，很容易引发火灾。火灾自动报警系统，对于及早发现火灾和对火灾进行早期的扑灭，最大化地减小火灾造成人员伤亡、经济损失及不良的社会影响起着重要的作用。

对于宾馆类建筑，为了精确预报失火位置，最大限度减小探测器的误报率，选用感烟探测器、感温探测器来组成区域火灾探测器网络。客房内卧室、书房、餐厅、会客室使用带蜂鸣器底座探测器，客房内任意区域探测器向控制室发出火灾报警信号同时触发蜂鸣器发出蜂鸣声，提醒处于熟睡或工作状态的客人快速撤离。

感烟式火灾探测器是利用一个小型烟雾传感器响应悬浮在其周围附近大气中的燃烧和（或）热解产生的烟雾气溶胶（固态或液态微粒）的一种火灾探测器。一般有离子式和光电感烟火灾探测器。

以光电式感烟探测器为例，光电式感烟探测器有由一个烟雾检测室，里面设有一个光源和一个感光元件。光源的光线一般不能照射到感光元件上，但是当有烟雾进入后，光线在烟雾中产生散射，从而有部分光线射到感光元件上，烟雾越浓，散射到感光元件上的光线就越多，感光元件再把光信号转换为电信号进行输出火灾控制器。

车载烟雾传感器在汽车火灾预防中的关键应用

近年来，汽车火灾事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失，教训是深刻的，目前汽车火灾事故已经成为媒体舆论的焦点，社会各界对此广泛关注。

特别是城市公交车和长途大巴车由于采用空调系统使得人们处于一个相对封闭的环境，给火灾处理和人员逃离都带来了很多的不便，控制火灾的发生和先期的预警就显得尤为重要。因此，抓好火灾预防必须借助于高科技防火灾产品在其汽车领域上的运用，将其灾情早期发现并控制消灭在隐患萌芽中。

对于火灾烟雾方面的监测，通常主要采用烟雾传感器与温度传感器，其中烟雾传感器主要有离子式、光电式和气敏式等几类。

近年来，随着气体传感技术的发展，气体传感器和传统火灾探测器相结合的探测技术，已广泛应用于汽车火灾烟雾探测领域。

因火灾发生时气体燃烧产物主要为CO和CO2，CO做为极早期火灾的特有标志，由于一般情况下CO在空气中的含量极低，但是在火灾过程中，几乎每种物质均要产生不充分燃烧的CO，特别是阴燃阶段的火灾更是如此。

由火灾孕育到剧烈燃烧CO经历由无到有，由小到大，然后逐渐减小的规律性变化过程，而且CO比空气密度小，更容易更早漂浮实现早期预警。因此CO适合于火灾早期探测，这对于较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重要。

看完这篇烟雾传感器的文章，你就会秒变大神

古代中国人通过长城上的烽火所产生的烟雾来传递信息，但在城市丛林中，如果出现了烟雾，就预示着发生了严重的火灾事故。烟雾检测器可以实现火灾检测和防范。

检测烟雾的传感器种类包括有光电式、离子式、半导体气敏式等多种烟雾传感器。有的场景中，会同时使用多种烟雾传感器协同工作。

离子式、半导体气体敏感式、光电式烟雾传感器

离子式烟雾传感器原理简单，价格便宜。它是在上个世纪 60~70 年代逐步推广使用的。它采用了人造放射源 95 号元素镅 241(Am241)，封装在由金属构成的电离室。

镅 241 半衰期为 432 年，衰变产生能量为 5.4MeV 的α离子和γ射线，射线通过电离室时电离空气分子，产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

放射性离子在电离室产生离子，在电场作用下形成电流

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾进入电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，经过电路放大便产生检测信号。

这个常见的电离烟雾探测报警器内的小“纽扣”中含有极少量的镅 -241，它就躲藏在金箔下面，放射性强度为 0.9 毫居里，放射性活度是 29.6k 贝克(每秒约 3 万次原子衰变裂变)。

电离烟雾传感器正面和内部放射性 Am241 金属纽扣

烟雾报警器的塑料外壳通常足以阻挡α射线，这些α射线在空气中 也只能穿过几厘米，它甚至无法穿过人的皮肤。

当然镅也会释放出一些γ射线，但强度小于 50nSV，甚至低于吃一根香蕉所受到的 100nSV 的辐射剂量。因此离子传感器通常情况下对人体不会造成放射性伤害。

烟雾检测器中的镅 -241 含量很少，所产生的离子电流非常小。假如每一次原子衰变都能够产生一个电离电子，那么 29.6kBq 的放射量所产生的电流大约为：

普通的运放是无法放大这么微弱的电流信号的。这需要使用 F3140, INA116 这类极高输入阻抗的运放才能够进行放大。

下面是使用 INA116 离子电流放大器对烟雾传感器输出信号进行放大的电路图。

使用 INA116 运放放大烟雾传感器输出信号

离子烟雾传感器一般包括有三个电极，分别连接到外壳、内部金属帘、以及放射源承载金属纽扣。

在放射源极与金属壳级之间施加一个电压。放射性 Am,-241 所产生的射线在附近空气中产生的离子就会形成稳定的电流。位于中间的金属层经过一段时间电荷积累，最后形成稳定的电压输出。

传感器放大实验电路

在金属壳上开有缝隙，方便烟雾进入壳内。烟雾进入之后，就会吸收其中的离子电荷。由于烟雾颗粒质量比空气分子大得多，因此在热平衡之后，烟雾颗粒运动速度慢，减弱了金属帘与外壳之间的电流，进而使得金属帘极的电压发生变化。

下图显示了在烟雾传感器附近点着纸张所产生的烟雾对放大信号的影响。

烟雾传感器对附近的烟雾有反应

通过检测电压变化，可以对烟雾进行报警。有一些专用离子型烟雾传感器芯片，将信号放大，变化检测、报警等功能集成一体，比如：MC145018p、MC14467P、MC14458P 等。由它们可以组成价格低廉、功耗低的烟雾传感器。

离子型烟雾传感器内部放射源 Am-241 产生 alpha 粒子和γ射线。其中γ射线可以被玻璃外壁的盖革管检测，alpha 粒子则被阻挡在玻璃壳之外。

玻璃外壳的盖革管

在没有放射源时，由于环境周围存在宇宙高能粒子，以及盖革管自发放电，盖革管产生每分钟十几次的放电脉冲。

下图显示了盖革管输出脉冲波形。

通常情况下盖革管每分钟十几次的放电

去掉离子型烟雾传感器外壳，可以看到内部包含有 Am-241 的放射源金属片。将该金属片放在盖革管旁边，可以引起盖革管放电脉冲剧增。

由于γ射线是光子，运动速度很快，大部分γ光子都会穿过盖革管，只有少部分γ光子碰到盖革管内部气体分子，引起放电，所以盖革管检测到γ射线的效率并不高。

将 Am241 金属片放在盖革管旁边引起放电脉冲增多

将 Am-241 金属片从距离盖革管 11 厘米处，逐步移动到盖革管旁边，所引发的放电脉冲次数会逐步增多，这是因为随着距离靠近，通过盖革管的γ光子数量增加造成的。

下图显示了随着距离靠近，盖革管输出脉冲数量的变化。

盖革管输出脉冲随着 Am241 金属片靠近而增多

人类自古就受到火灾的困扰，直到工业文明之后，对于火灾检测和防范的发明才逐步增加。

根据美国专利和商标局记录，早在 1901 年纽约市 Brooklyn 区的 Oscar Freymann 和 Charles Tolman 提交了一份电子烟雾报警器专利。他们的设计中，核心部分是由蚕丝、马鬃或者相似纤维编织的线，在苏打溶液中煮 20 分钟，晾干抻直。

据发明者陈述，这种方法处理后的丝线可以对烟雾非常敏感。当烟雾存在的时候，丝线会延伸。当烟雾消失后，丝线回复原来长度。

Freymann,Tolman 的烟雾探测器

Freymann 和 Talman 的烟雾报警器是一个半机械、半电子的设备：在金属容器内，一段处理后的神奇丝线(1)被滚轮(2)拉直。金属容器底部开有烟道方便烟雾进入。丝线通过后面若干级杠杆传递（3）触发最后的开关，可以让电池驱动的报警器工作。

现代离子型烟雾检测器的发明归功于很多人的贡献，很多相关的专利在上个世纪 60~70 年代被多个人申请。Duane Pearsall 发明烟雾检测器过程比较神奇。

普通家庭中的烟雾报警传感器

他的公司原来是生产除静电装置的公司，利用检测离子电流来工作。有一次测试中他发现一名工程师偶然点燃的香烟会引起设备故障，进而激发他的灵感，这个故障现象可以用来来检测烟雾，于是就申请了发明专利，并开始研制推广离子型烟雾传感器。

通过逆向思维，将原本故障现象变成新的应用可能，这是优秀工程师的特质。所以下一次再遇到故障，需要多想想 .......

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