低成本、可靠、无处不在的烟雾探测器是半导体实现的复杂物理和光学的一个例子。

本部分着眼于两种广泛使用的烟雾检测方法。

问：烟雾探测器如何实际探测烟雾？

答：有两种基本且截然不同的方法，一种基于光电原理，另一种基于电离原理。光电烟雾报警器（有时称为光学探测器） 通常对开始于长时间阴燃的火灾更敏感，而电离烟雾报警 器通常对燃烧的火灾更敏感。由于这两种类型的火灾都发生在家庭中，因此双模式烟雾报警器的使用量比单模式装置高出约 50%。

使情况复杂化的是，美国消防协会指出，在一些全面的火灾测试中，发现电离烟雾报警器和光电烟雾报警器之间的报警时间差异很小。在其他全面的火灾测试中，响应时间的差异是显着的。此外，家庭内烟雾报警器的实际位置可能比存在的烟雾报警器类型更重要，这取决于火灾的位置。

问：光电单元是如何工作的？

A：从概念上讲，这很简单。在最常见的布置中（图 1），LED (1) 产生穿过传感室 (2) 的小光束。当腔室中不存在颗粒时，光束的光直接穿过腔室并且不会照射到光检测器（偏离正常路径），因此表明一切正常。当存在颗粒时，一些光会被颗粒 (3) 反射，当光探测器记录的光量达到某个阈值水平时，警报会响起。

图 1：在光电烟雾探测器中，来自 LED 的光从颗粒物质反射出来并被光电探测器“看到”。（图片：NPFA）

在另一种光电布置中，光传感器直接与光源相对放置，并且光总是到达传感器。当存在烟雾颗粒时，接收光的强度会降低；当它减少某个阈值量时，它表示存在烟雾的警报标签。

对于任何一种设计，传感室的尺寸都是至关重要的。通常，这些腔室长约 10 毫米，直径为几毫米。一些先进的烟雾报警器使用两个工作在不同波长的 LED 来增强检测烟雾颗粒的能力。

问：电离方法如何工作？

A：这种技术远没有那么直观。它使用少量安全屏蔽的放射性物质，使两个金属板之间的空气分子带电或电离（图 2）。这会在空气中产生从一个板流向另一个板的小电流 (2)。当烟雾或其他颗粒进入腔室时，它们会吸引这些离子并将它们带走，从而减少电流。如果进入腔室的粒子数量足以将该电流降低到一定数量以下 (1)，则设备会将这些粒子记录为烟雾 (3)，并且警报会响起。

图 2：电离技术依赖于烟雾颗粒吸引并因此转移离子，从而减少电流。（图片：NPFA）

问：等等，放射性物质是怎么回事——它就在家里？

答：大多数电离探测器在正常条件下使用大约 1 微居里的 Americium-241，一种人造放射性金属固体。当钚在核反应堆或核武器试验期间吸收中子时会产生镅。它是一种半衰期为 432.6 年的 α ****体。使用这种 α 粒子辐射有两个原因，而不是 β（电子）和 γ（电磁）辐射：α 粒子具有更强的电离能力，因此可以电离足够多的空气分子以产生可检测的电流；此外，它们的穿透力低，这意味着它们会被烟雾探测器的塑料甚至空气安全地阻止。

大部分辐射都在设备内部被阻挡，设备中的辐射水平远低于我们每天所接触的自然背景辐射。尽管如此，一些城市对电离烟雾报警器的处置有特殊规定（通常不为人知或被忽视），而一些城市则禁止使用电离报警器。

问：烟雾报警器的可靠性和一致性如何？

A：它们都很好，但是对于这两种设计，好/坏阈值的设置是一个权衡。它们可以变得足够灵敏，几乎可以检测到任何水平的烟雾，但如果它们这样做了，它们会检测到您不希望它们检测到的烟雾（例如来自熟食的烟雾），甚至是普通灰尘之类的东西。不太敏感的探测器会有更少的这种“滋扰”警报，但在实际火灾中，它们可能无法及时触发以挽救生命或财产，或者根本不会发出信号。

一些较新的烟雾报警器在固件中嵌入了复杂的算法，用于评估传感器变化的上升率和其他方面，以减少滋扰报警。这被认为是一项重大进步，因为反复发出令人讨厌的警报的用户通常通过禁用他们的设备来解决“问题”。下一代烟雾探测器旨在减少滋扰警报的数量，同时更快地发出真正的火灾信号。

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