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煙霧探測(cè)器的原理:使用核輻射和光

萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) 2023/1/2 20:09:05 責(zé)編:夢(mèng)澤

1930 年代,瑞士物理學(xué)家沃爾特?耶格 (Walter Jaeger) 試圖發(fā)明一種可以檢測(cè)瓦斯毒氣的東西,但卻失敗了。不過(guò),他的設(shè)備卻對(duì)他點(diǎn)燃的香煙中散發(fā)出的煙霧顆粒做出了反應(yīng)。第一批商用煙霧報(bào)警器中使用的傳感器的工作原理與耶格的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同。

該煙霧探測(cè)器由一對(duì)跨越氣隙的電極組成,位于其中一個(gè)電極孔下方的是一小塊镅-241,它會(huì)通過(guò)衰變的方式發(fā)射 α 粒子。當(dāng)镅衰變并拋出這些粒子時(shí),它們會(huì)與構(gòu)成空氣的氮原子和氧原子碰撞,并敲掉它們的一些電子。這導(dǎo)致在兩個(gè)電極板之間產(chǎn)生一些帶電的氣體分子。借助電源(通常是 9 伏電池)來(lái)維持極板之間的電勢(shì),那些帶電的分子會(huì)被吸引到電極上。一旦它們移向電極,最終結(jié)果就是產(chǎn)生微小的電流,大約 100 皮安。

然而,當(dāng)某物燃燒并將煙霧顆粒釋放到空氣中時(shí),一旦這些煙霧顆粒進(jìn)入兩個(gè)電極之間,它們就會(huì)開始吸收或阻擋來(lái)自镅的 α 粒子。這將阻止大部分氮和氧的電離,從而阻止板之間的電流流動(dòng)。一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的電子電路可以監(jiān)測(cè)電流,并在電流停止時(shí)發(fā)出警報(bào)。

你可能會(huì)認(rèn)為,為了檢測(cè)煙霧而利用放射性同位素,對(duì)人體來(lái)說(shuō)好像有點(diǎn)危險(xiǎn)。但事實(shí)上,α 粒子很容易被阻擋,它甚至無(wú)法穿過(guò)警報(bào)器的塑料外殼。但是,許多人仍然感覺(jué)沒(méi)有安全感。畢竟,我們可以用眼睛看到煙霧顆粒,因此可能有一種方法可以使用光傳感器來(lái)檢測(cè)煙霧。

1972 年,唐納德?斯蒂爾 (Donald F. Steele) 和羅伯特?埃內(nèi)馬克 (Robert B. Enemark) 設(shè)計(jì)了一種光學(xué)煙霧探測(cè)器,其工作原理與現(xiàn)代光電煙霧探測(cè)器基本相同。他們的想法是在檢測(cè)室中放置一個(gè)光源和兩個(gè)感光傳感器,并設(shè)計(jì)了一系列光阱以防止環(huán)境光進(jìn)入。傳感器的布置使得只有其中一個(gè)可以“看到”光源,第二個(gè)傳感器與光源之間有一系列擋光葉片。然而,當(dāng)煙霧顆粒進(jìn)入腔室時(shí),來(lái)自光源的光會(huì)被這些顆粒散射。于是,第二個(gè)傳感器就可以“看到”來(lái)自光源的光,并發(fā)出警報(bào)。

那么,第一個(gè)傳感器有什么用呢?如果第一個(gè)傳感器未檢測(cè)到光,則表明光源出現(xiàn)故障。早期設(shè)計(jì)使用的光源是白熾燈,它們不是由電池供電的,所以安裝位置選擇較少。這可能是早期電離煙霧探測(cè)器比光學(xué)煙霧探測(cè)器更受歡迎的原因。

如今,我們使用了一種更簡(jiǎn)單、功耗更低的紅外 LED 和單個(gè)光電傳感器的布置。光電傳感器位于檢測(cè)室中,中間還有東西進(jìn)行阻擋,因此它“看不到”LED 閃爍的光。此外,外部的可見(jiàn) LED 還會(huì)閃爍,以指示它已通電并正常工作。如果光電傳感器中看不到光點(diǎn),則空氣一定是干凈的。但是,如果腔室中有煙霧,則煙霧顆粒會(huì)散射光,其中一些會(huì)被光電傳感器接收到。

不過(guò),這通常不會(huì)立即觸發(fā)警報(bào),它會(huì)開始一系列額外且更頻繁的檢測(cè),以防止誤報(bào)。例如,如果一團(tuán)灰塵碰巧飄進(jìn)了腔室,我們肯定不會(huì)希望警報(bào)因此響起。因此,它將執(zhí)行一個(gè)例行程序,快速連續(xù)地檢查幾次散射光。

本文來(lái)自微信公眾號(hào):萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) (ID:UR4351),作者:Eugene Wang

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