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

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

 

離子式、半導體氣體敏感式、光電式煙霧傳感器

離子式煙霧傳感器原理簡單，價格便宜。它是在上個世紀 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432.6年的α輻射體，經α衰變生成237Np。經長期放置的含有241Pu的鈍钚是提取241Am的重要原料，從動力堆后處理高放廢液只能提取241Am和243Am的混合物。241Am是輻照生產242Cm的靶料。241Am用于制造镅-鈹中子源。241Am的軟r射線適合于低密度材料的r探傷，還可用于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。

 
每一個離子式煙霧探測器的探頭中都含有少量的镅241（Am241），镅241會放射出α粒子，它利用放射性物質镅241釋放出能量，產生一小束帶電粒子。一旦發生意外，從火焰里冒出來的煙霧與粒子束發生反應，觸動警報器拉響警報。

镅 241 半衰期為 432 年，衰變產生能量為 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生離子，在電場作用下形成電流

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

這個常見的電離煙霧探測報警器內的小“紐扣”中含有極少量的镅 -241，它就躲藏在金箔下面，放射性強度為 0.9 毫居里，放射性活度是 29.6k 貝克(每秒約 3 萬次原子衰變裂變)。

 

 

電離煙霧傳感器正面和內部放射性 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 也只能穿過幾厘米，它甚至無法穿過人的皮膚。

當然镅也會釋放出一些γ射線，但強度小于 50nSV，甚至低于吃一根香蕉所受到的 100nSV 的輻射劑量。因此離子傳感器通常情況下對人體不會造成放射性傷害。

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

 

普通的運放是無法放大這么微弱的電流信號的。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。

下面是使用 INA116 離子電流放大器對煙霧傳感器輸出信號進行放大的電路圖。

 

 

使用 INA116 運放放大煙霧傳感器輸出信號

離子煙霧傳感器一般包括有三個電極，分別連接到外殼、內部金屬簾、以及放射源承載金屬紐扣。

在放射源極與金屬殼級之間施加一個電壓。放射性 Am,-241 所產生的射線在附近空氣中產生的離子就會形成穩定的電流。位于中間的金屬層經過一段時間電荷積累，最后形成穩定的電壓輸出。

 

傳感器放大實驗電路

在金屬殼上開有縫隙，方便煙霧進入殼內。煙霧進入之后，就會吸收其中的離子電荷。由于煙霧顆粒質量比空氣分子大得多，因此在熱平衡之后，煙霧顆粒運動速度慢，減弱了金屬簾與外殼之間的電流，進而使得金屬簾極的電壓發生變化。

下圖顯示了在煙霧傳感器附近點著紙張所產生的煙霧對放大信號的影響。

 

 

煙霧傳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。有一些專用離子型煙霧傳感器芯片，將信號放大，變化檢測、報警等功能集成一體，比如：MC145018p、MC14467P、MC14458P 等。由它們可以組成價格低廉、功耗低的煙霧傳感器。

離子型煙霧傳感器內部放射源 Am-241 產生 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，由于環境周圍存在宇宙高能粒子，以及蓋革管自發放電，蓋革管產生每分鐘十幾次的放電脈沖。

下圖顯示了蓋革管輸出脈沖波形。

 

 

通常情況下蓋革管每分鐘十幾次的放電

去掉離子型煙霧傳感器外殼，可以看到內部包含有 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沖劇增。

由于γ射線是光子，運動速度很快，大部分γ光子都會穿過蓋革管，只有少部分γ光子碰到蓋革管內部氣體分子，引起放電，所以蓋革管檢測到γ射線的效率并不高。

 

將 Am241 金屬片放在蓋革管旁邊引起放電脈沖增多

將 Am-241 金屬片從距離蓋革管 11 厘米處，逐步移動到蓋革管旁邊，所引發的放電脈沖次數會逐步增多，這是因為隨著距離靠近，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，蓋革管輸出脈沖數量的變化。

 

蓋革管輸出脈沖隨著 Am241 金屬片靠近而增多

人類自古就受到火災的困擾，直到工業文明之后，對于火災檢測和防范的發明才逐步增加。

根據美國專利和商標局記錄，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利。他們的設計中，核心部分是由蠶絲、馬鬃或者相似纖維編織的線，在蘇打溶液中煮 20 分鐘，晾干抻直。

據發明者陳述，這種方法處理后的絲線可以對煙霧非常敏感。當煙霧存在的時候，絲線會延伸。當煙霧消失后，絲線回復原來長度。

 

 

Freymann,Tolman 的煙霧探測器

Freymann 和 Talman 的煙霧報警器是一個半機械、半電子的設備：在金屬容器內，一段處理后的神奇絲線(1)被滾輪(2)拉直。金屬容器底部開有煙道方便煙霧進入。絲線通過后面若干級杠桿傳遞（3）觸發最后的開關，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于很多人的貢獻，很多相關的專利在上個世紀 60~70 年代被多個人申請。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感器

他的公司原來是生產除靜電裝置的公司，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引起設備故障，進而激發他的靈感，這個故障現象可以用來來檢測煙霧，于是就申請了發明專利，并開始研制推廣離子型煙霧傳感器。

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