低成本、可靠、無處不在的煙霧探測器是半導體實現(xiàn)的復雜物理和光學的一個例子。

本部分著眼于兩種廣泛使用的煙霧檢測方法。

問：煙霧探測器如何實際探測煙霧？

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。光電煙霧報警器（有時稱為光學探測器） 通常對開始于長時間陰燃的火災更敏感，而電離煙霧報警 器通常對燃燒的火災更敏感。由于這兩種類型的火災都發(fā)生在家庭中，因此雙模式煙霧報警器的使用量比單模式裝置高出約 50%。

使情況復雜化的是，美國消防協(xié)會指出，在一些全面的火災測試中，發(fā)現(xiàn)電離煙霧報警器和光電煙霧報警器之間的報警時間差異很小。在其他全面的火災測試中，響應時間的差異是顯著的。此外，家庭內煙霧報警器的實際位置可能比存在的煙霧報警器類型更重要，這取決于火災的位置。

問：光電單元是如何工作的？

A：從概念上講，這很簡單。在最常見的布置中（圖 1），LED (1) 產(chǎn)生穿過傳感室 (2) 的小光束。當腔室中不存在顆粒時，光束的光直接穿過腔室并且不會照射到光檢測器（偏離正常路徑），因此表明一切正常。當存在顆粒時，一些光會被顆粒 (3) 反射，當光探測器記錄的光量達到某個閾值水平時，警報會響起。

圖 1：在光電煙霧探測器中，來自 LED 的光從顆粒物質反射出來并被光電探測器“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放置，并且光總是到達傳感器。當存在煙霧顆粒時，接收光的強度會降低；當它減少某個閾值量時，它表示存在煙霧的警報標簽。

對于任何一種設計，傳感室的尺寸都是至關重要的。通常，這些腔室長約 10 毫米，直徑為幾毫米。一些先進的煙霧報警器使用兩個工作在不同波長的 LED 來增強檢測煙霧顆粒的能力。

問：電離方法如何工作？

A：這種技術遠沒有那么直觀。它使用少量安全屏蔽的放射性物質，使兩個金屬板之間的空氣分子帶電或電離（圖 2）。這會在空氣中產(chǎn)生從一個板流向另一個板的小電流 (2)。當煙霧或其他顆粒進入腔室時，它們會吸引這些離子并將它們帶走，從而減少電流。如果進入腔室的粒子數(shù)量足以將該電流降低到一定數(shù)量以下 (1)，則設備會將這些粒子記錄為煙霧 (3)，并且警報會響起。

圖 2：電離技術依賴于煙霧顆粒吸引并因此轉移離子，從而減少電流。（圖片：NPFA）

問：等等，放射性物質是怎么回事——它就在家里？

答：大多數(shù)電離探測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。當钚在核反應堆或核武器試驗期間吸收中子時會產(chǎn)生镅。它是一種半衰期為 432.6 年的 α ****體。使用這種 α 粒子輻射有兩個原因，而不是 β（電子）和 γ（電磁）輻射：α 粒子具有更強的電離能力，因此可以電離足夠多的空氣分子以產(chǎn)生可檢測的電流；此外，它們的穿透力低，這意味著它們會被煙霧探測器的塑料甚至空氣安全地阻止。

大部分輻射都在設備內部被阻擋，設備中的輻射水平遠低于我們每天所接觸的自然背景輻射。盡管如此，一些城市對電離煙霧報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警器。

問：煙霧報警器的可靠性和一致性如何？

A：它們都很好，但是對于這兩種設計，好/壞閾值的設置是一個權衡。它們可以變得足夠靈敏，幾乎可以檢測到任何水平的煙霧，但如果它們這樣做了，它們會檢測到您不希望它們檢測到的煙霧（例如來自熟食的煙霧），甚至是普通灰塵之類的東西。不太敏感的探測器會有更少的這種“滋擾”警報，但在實際火災中，它們可能無法及時觸發(fā)以挽救生命或財產(chǎn)，或者根本不會發(fā)出信號。

一些較新的煙霧報警器在固件中嵌入了復雜的算法，用于評估傳感器變化的上升率和其他方面，以減少滋擾報警。這被認為是一項重大進步，因為反復發(fā)出令人討厭的警報的用戶通常通過禁用他們的設備來解決“問題”。下一代煙霧探測器旨在減少滋擾警報的數(shù)量，同時更快地發(fā)出真正的火災信號。