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烟雾探测器的原理:使用核辐射和光

万象经验 2023/1/2 20:09:05 责编:梦泽

1930 年代,瑞士物理学家沃尔特・耶格 (Walter Jaeger) 试图发明一种可以检测瓦斯毒气的东西,但却失败了。不过,他的设备却对他点燃的香烟中散发出的烟雾颗粒做出了反应。第一批商用烟雾报警器中使用的传感器的工作原理与耶格的实验设备相同。

该烟雾探测器由一对跨越气隙的电极组成,位于其中一个电极孔下方的是一小块镅-241,它会通过衰变的方式发射 α 粒子。当镅衰变并抛出这些粒子时,它们会与构成空气的氮原子和氧原子碰撞,并敲掉它们的一些电子。这导致在两个电极板之间产生一些带电的气体分子。借助电源(通常是 9 伏电池)来维持极板之间的电势,那些带电的分子会被吸引到电极上。一旦它们移向电极,最终结果就是产生微小的电流,大约 100 皮安。

然而,当某物燃烧并将烟雾颗粒释放到空气中时,一旦这些烟雾颗粒进入两个电极之间,它们就会开始吸收或阻挡来自镅的 α 粒子。这将阻止大部分氮和氧的电离,从而阻止板之间的电流流动。一个相对简单的电子电路可以监测电流,并在电流停止时发出警报。

你可能会认为,为了检测烟雾而利用放射性同位素,对人体来说好像有点危险。但事实上,α 粒子很容易被阻挡,它甚至无法穿过警报器的塑料外壳。但是,许多人仍然感觉没有安全感。毕竟,我们可以用眼睛看到烟雾颗粒,因此可能有一种方法可以使用光传感器来检测烟雾。

1972 年,唐纳德・斯蒂尔 (Donald F. Steele) 和罗伯特・埃内马克 (Robert B. Enemark) 设计了一种光学烟雾探测器,其工作原理与现代光电烟雾探测器基本相同。他们的想法是在检测室中放置一个光源和两个感光传感器,并设计了一系列光阱以防止环境光进入。传感器的布置使得只有其中一个可以“看到”光源,第二个传感器与光源之间有一系列挡光叶片。然而,当烟雾颗粒进入腔室时,来自光源的光会被这些颗粒散射。于是,第二个传感器就可以“看到”来自光源的光,并发出警报。

那么,第一个传感器有什么用呢?如果第一个传感器未检测到光,则表明光源出现故障。早期设计使用的光源是白炽灯,它们不是由电池供电的,所以安装位置选择较少。这可能是早期电离烟雾探测器比光学烟雾探测器更受欢迎的原因。

如今,我们使用了一种更简单、功耗更低的红外 LED 和单个光电传感器的布置。光电传感器位于检测室中,中间还有东西进行阻挡,因此它“看不到”LED 闪烁的光。此外,外部的可见 LED 还会闪烁,以指示它已通电并正常工作。如果光电传感器中看不到光点,则空气一定是干净的。但是,如果腔室中有烟雾,则烟雾颗粒会散射光,其中一些会被光电传感器接收到。

不过,这通常不会立即触发警报,它会开始一系列额外且更频繁的检测,以防止误报。例如,如果一团灰尘碰巧飘进了腔室,我们肯定不会希望警报因此响起。因此,它将执行一个例行程序,快速连续地检查几次散射光。

本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang

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关键词:烟雾传感器

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