离子烟雾传感器 看完这篇烟雾传感器的文章，你就会秒变大神

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 .......

烟雾传感器扫盲，现在知道还不晚

烟雾传感器是一种能够探测到环境中是否有烟雾和烟雾浓度的传感器，可以分为气敏式烟雾传感器、离子式烟雾传感器和光电式烟雾传感器三大类。

气敏式烟雾传感器是气体传感器的一种，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。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。

MQ-2气体烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸气的检测也很理想。这种气体传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本烟雾传感器。在家庭用气体泄漏报警器、工业用可燃烟雾气体报警器、便携式烟雾气体检测器中应用广泛。

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。

这种传感器内部构造(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。

光电式烟雾传感器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。由于闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些，因此用光电式烟雾传感器较为适合。

图片来源：新浪

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。离子型烟雾传感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。

离子烟雾传感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。离子探测器适用于开放性火灾的探测，当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，这时离子式烟雾传感器就比较适合了。

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在火灾烟雾探测领域，气体传感器和传统火灾探测器相结合的技术已日趋成熟，在商场、住宅、宾馆、仓库、机房、汽车等火灾场景中广泛应用。

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