古代中國人通過長城上的烽火所產(chan) 生的煙霧來傳(chuan) 遞信息，但在城市叢(cong) 林中，如果出現了煙霧，就預示著發生了嚴(yan) 重的火災事故。煙霧檢測器可以實現火災檢測和防範。

檢測煙霧的傳(chuan) 感器種類包括有光電式、離子式、半導體(ti) 氣敏式等多種煙霧傳(chuan) 感器。有的場景中，會(hui) 同時使用多種煙霧傳(chuan) 感器協同工作。

離子式、半導體(ti) 氣體(ti) 敏感式、光電式煙霧傳(chuan) 感器

離子式煙霧傳(chuan) 感器原理簡單，價(jia) 格便宜。它是在上個(ge) 世紀 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)，封裝在由金屬構成的電離室。

镅241：半衰期為(wei) 432.6年的α輻射體(ti) ，經α衰變生成237Np。經長期放置的含有241Pu的鈍鈈是提取241Am的重要原料，從(cong) 動力堆後處理高放廢液隻能提取241Am和243Am的混合物。241Am是輻照生產(chan) 242Cm的靶料。241Am用於(yu) 製造镅-鈹中子源。241Am的軟r射線適合於(yu) 低密度材料的r探傷(shang) ，還可用於(yu) 離子感煙火災探測器，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(ge) 離子式煙霧探測器的探頭中都含有少量的镅241（Am241），镅241會(hui) 放射出α粒子，它利用放射性物質镅241釋放出能量，產(chan) 生一小束帶電粒子。一旦發生意外，從(cong) 火焰裏冒出來的煙霧與(yu) 粒子束發生反應，觸動警報器拉響警報。

镅 241 半衰期為(wei) 432 年，衰變產(chan) 生能量為(wei) 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(chan) 生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。

 
放射性離子在電離室產(chan) 生離子，在電場作用下形成電流

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

這個(ge) 常見的電離煙霧探測報警器內(nei) 的小“紐扣”中含有極少量的镅 -241，它就躲藏在金箔下麵，放射性強度為(wei) 0.9 毫居裏，放射性活度是 29.6k 貝克(每秒約 3 萬(wan) 次原子衰變裂變)。

電離煙霧傳(chuan) 感器正麵和內(nei) 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 也隻能穿過幾厘米，它甚至無法穿過人的皮膚。

當然镅也會(hui) 釋放出一些γ射線，但強度小於(yu) 50nSV，甚至低於(yu) 吃一根香蕉所受到的 100nSV 的輻射劑量。因此離子傳(chuan) 感器通常情況下對人體(ti) 不會(hui) 造成放射性傷(shang) 害。

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

普通的運放是無法放大這麽(me) 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。

下麵是使用 INA116 離子電流放大器對煙霧傳(chuan) 感器輸出信號進行放大的電路圖。

使用 INA116 運放放大煙霧傳(chuan) 感器輸出信號

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

在放射源極與(yu) 金屬殼級之間施加一個(ge) 電壓。放射性 Am,-241 所產(chan) 生的射線在附近空氣中產(chan) 生的離子就會(hui) 形成穩定的電流。位於(yu) 中間的金屬層經過一段時間電荷積累，最後形成穩定的電壓輸出。

傳(chuan) 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(nei) 。煙霧進入之後，就會(hui) 吸收其中的離子電荷。由於(yu) 煙霧顆粒質量比空氣分子大得多，因此在熱平衡之後，煙霧顆粒運動速度慢，減弱了金屬簾與(yu) 外殼之間的電流，進而使得金屬簾極的電壓發生變化。

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

煙霧傳(chuan) 感器對附近的煙霧有反應

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

離子型煙霧傳(chuan) 感器內(nei) 部放射源 Am-241 產(chan) 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，由於(yu) 環境周圍存在宇宙高能粒子，以及蓋革管自發放電，蓋革管產(chan) 生每分鍾十幾次的放電脈衝(chong) 。

下圖顯示了蓋革管輸出脈衝(chong) 波形。

通常情況下蓋革管每分鍾十幾次的放電

去掉離子型煙霧傳(chuan) 感器外殼，可以看到內(nei) 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衝(chong) 劇增。

由於(yu) γ射線是光子，運動速度很快，大部分γ光子都會(hui) 穿過蓋革管，隻有少部分γ光子碰到蓋革管內(nei) 部氣體(ti) 分子，引起放電，所以蓋革管檢測到γ射線的效率並不高。

將 Am241 金屬片放在蓋革管旁邊引起放電脈衝(chong) 增多

將 Am-241 金屬片從(cong) 距離蓋革管 11 厘米處，逐步移動到蓋革管旁邊，所引發的放電脈衝(chong) 次數會(hui) 逐步增多，這是因為(wei) 隨著距離靠近，通過蓋革管的γ光子數量增加造成的。

下圖顯示了隨著距離靠近，蓋革管輸出脈衝(chong) 數量的變化。

蓋革管輸出脈衝(chong) 隨著 Am241 金屬片靠近而增多

人類自古就受到火災的困擾，直到工業(ye) 文明之後，對於(yu) 火災檢測和防範的發明才逐步增加。

根據美國專(zhuan) 利和商標局記錄，早在 1901 年紐約市 Brooklyn 區的 Oscar Freymann 和 Charles Tolman 提交了一份霧報警器專(zhuan) 利。他們(men) 的設計中，核心部分是由蠶絲(si) 、馬鬃或者相似纖維編織的線，在蘇打溶液中煮 20 分鍾，晾幹抻直。

據發明者陳述，這種方法處理後的絲(si) 線可以對煙霧非常敏感。當煙霧存在的時候，絲(si) 線會(hui) 延伸。當煙霧消失後，絲(si) 線回複原來長度。

Freymann,Tolman 的煙霧探測器

Freymann 和 Talman 的煙霧報警器是一個(ge) 半機械、半電子的設備：在金屬容器內(nei) ，一段處理後的神奇絲(si) 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(si) 線通過後麵若幹級杠杆傳(chuan) 遞（3）觸發最後的開關(guan) ，可以讓電池驅動的報警器工作。

現代離子型煙霧檢測器的發明歸功於(yu) 很多人的貢獻，很多相關(guan) 的專(zhuan) 利在上個(ge) 世紀 60~70 年代被多個(ge) 人申請。Duane Pearsall 發明煙霧檢測器過程比較神奇。

普通家庭中的煙霧報警傳(chuan) 感器

他的公司原來是生產(chan) 除靜電裝置的公司，利用檢測離子電流來工作。有一次測試中他發現一名工程師偶然點燃的香煙會(hui) 引起設備故障，進而激發他的靈感，這個(ge) 故障現象可以用來來檢測煙霧，於(yu) 是就申請了發明專(zhuan) 利，並開始研製推廣離子型煙霧傳(chuan) 感器。

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