煙霧探測(cè)器和警報(bào)器,第 2 部分
低成本、可靠、無(wú)處不在的煙霧探測(cè)器是半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜物理和光學(xué)的一個(gè)例子。
本部分著眼于兩種廣泛使用的煙霧檢測(cè)方法。
問(wèn):煙霧探測(cè)器如何實(shí)際探測(cè)煙霧?
答:有兩種基本且截然不同的方法,一種基于光電原理,另一種基于電離原理。光電煙霧報(bào)警器(有時(shí)稱(chēng)為光學(xué)探測(cè)器) 通常對(duì)開(kāi)始于長(zhǎng)時(shí)間陰燃的火災(zāi)更敏感,而電離煙霧報(bào)警 器通常對(duì)燃燒的火災(zāi)更敏感。由于這兩種類(lèi)型的火災(zāi)都發(fā)生在家庭中,因此雙模式煙霧報(bào)警器的使用量比單模式裝置高出約 50%。
使情況復(fù)雜化的是,美國(guó)消防協(xié)會(huì)指出,在一些全面的火災(zāi)測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)電離煙霧報(bào)警器和光電煙霧報(bào)警器之間的報(bào)警時(shí)間差異很小。在其他全面的火災(zāi)測(cè)試中,響應(yīng)時(shí)間的差異是顯著的。此外,家庭內(nèi)煙霧報(bào)警器的實(shí)際位置可能比存在的煙霧報(bào)警器類(lèi)型更重要,這取決于火災(zāi)的位置。
問(wèn):光電單元是如何工作的?
A:從概念上講,這很簡(jiǎn)單。在最常見(jiàn)的布置中(圖 1),LED (1) 產(chǎn)生穿過(guò)傳感室 (2) 的小光束。當(dāng)腔室中不存在顆粒時(shí),光束的光直接穿過(guò)腔室并且不會(huì)照射到光檢測(cè)器(偏離正常路徑),因此表明一切正常。當(dāng)存在顆粒時(shí),一些光會(huì)被顆粒 (3) 反射,當(dāng)光探測(cè)器記錄的光量達(dá)到某個(gè)閾值水平時(shí),警報(bào)會(huì)響起。
圖 1:在光電煙霧探測(cè)器中,來(lái)自 LED 的光從顆粒物質(zhì)反射出來(lái)并被光電探測(cè)器“看到”。(圖片:NPFA)
在另一種光電布置中,光傳感器直接與光源相對(duì)放置,并且光總是到達(dá)傳感器。當(dāng)存在煙霧顆粒時(shí),接收光的強(qiáng)度會(huì)降低;當(dāng)它減少某個(gè)閾值量時(shí),它表示存在煙霧的警報(bào)標(biāo)簽。
對(duì)于任何一種設(shè)計(jì),傳感室的尺寸都是至關(guān)重要的。通常,這些腔室長(zhǎng)約 10 毫米,直徑為幾毫米。一些先進(jìn)的煙霧報(bào)警器使用兩個(gè)工作在不同波長(zhǎng)的 LED 來(lái)增強(qiáng)檢測(cè)煙霧顆粒的能力。
問(wèn):電離方法如何工作?
A:這種技術(shù)遠(yuǎn)沒(méi)有那么直觀。它使用少量安全屏蔽的放射性物質(zhì),使兩個(gè)金屬板之間的空氣分子帶電或電離(圖 2)。這會(huì)在空氣中產(chǎn)生從一個(gè)板流向另一個(gè)板的小電流 (2)。當(dāng)煙霧或其他顆粒進(jìn)入腔室時(shí),它們會(huì)吸引這些離子并將它們帶走,從而減少電流。如果進(jìn)入腔室的粒子數(shù)量足以將該電流降低到一定數(shù)量以下 (1),則設(shè)備會(huì)將這些粒子記錄為煙霧 (3),并且警報(bào)會(huì)響起。
圖 2:電離技術(shù)依賴(lài)于煙霧顆粒吸引并因此轉(zhuǎn)移離子,從而減少電流。(圖片:NPFA)
問(wèn):等等,放射性物質(zhì)是怎么回事——它就在家里?
答:大多數(shù)電離探測(cè)器在正常條件下使用大約 1 微居里的 Americium-241,一種人造放射性金屬固體。當(dāng)钚在核反應(yīng)堆或核武器試驗(yàn)期間吸收中子時(shí)會(huì)產(chǎn)生镅。它是一種半衰期為 432.6 年的 α ****體。使用這種 α 粒子輻射有兩個(gè)原因,而不是 β(電子)和 γ(電磁)輻射:α 粒子具有更強(qiáng)的電離能力,因此可以電離足夠多的空氣分子以產(chǎn)生可檢測(cè)的電流;此外,它們的穿透力低,這意味著它們會(huì)被煙霧探測(cè)器的塑料甚至空氣安全地阻止。
大部分輻射都在設(shè)備內(nèi)部被阻擋,設(shè)備中的輻射水平遠(yuǎn)低于我們每天所接觸的自然背景輻射。盡管如此,一些城市對(duì)電離煙霧報(bào)警器的處置有特殊規(guī)定(通常不為人知或被忽視),而一些城市則禁止使用電離報(bào)警器。
問(wèn):煙霧報(bào)警器的可靠性和一致性如何?
A:它們都很好,但是對(duì)于這兩種設(shè)計(jì),好/壞閾值的設(shè)置是一個(gè)權(quán)衡。它們可以變得足夠靈敏,幾乎可以檢測(cè)到任何水平的煙霧,但如果它們這樣做了,它們會(huì)檢測(cè)到您不希望它們檢測(cè)到的煙霧(例如來(lái)自熟食的煙霧),甚至是普通灰塵之類(lèi)的東西。不太敏感的探測(cè)器會(huì)有更少的這種“滋擾”警報(bào),但在實(shí)際火災(zāi)中,它們可能無(wú)法及時(shí)觸發(fā)以挽救生命或財(cái)產(chǎn),或者根本不會(huì)發(fā)出信號(hào)。
一些較新的煙霧報(bào)警器在固件中嵌入了復(fù)雜的算法,用于評(píng)估傳感器變化的上升率和其他方面,以減少滋擾報(bào)警。這被認(rèn)為是一項(xiàng)重大進(jìn)步,因?yàn)榉磸?fù)發(fā)出令人討厭的警報(bào)的用戶(hù)通常通過(guò)禁用他們的設(shè)備來(lái)解決“問(wèn)題”。下一代煙霧探測(cè)器旨在減少滋擾警報(bào)的數(shù)量,同時(shí)更快地發(fā)出真正的火災(zāi)信號(hào)。
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