【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過(guò)煙霧時(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測(cè)煙霧范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。 c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300℃~400℃的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道煙霧的濃度。 d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧傳感器近年來(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速 度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對(duì)特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 e)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。 f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻 值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測(cè)量，主光束通過(guò)測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過(guò)比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測(cè)量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來(lái)。 不同的煙霧吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)?。由于非碳?xì)浠衔镆兹紵熿F(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 4)常見(jiàn)煙霧傳感器可檢測(cè)煙霧種類 由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧傳感器不可能檢測(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)機(jī)煙霧，如OCOHClSO2等。表23簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開(kāi)發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類。表23各種煙霧傳感器可檢測(cè)的煙霧種類傳感器種類CO HCNHCl半導(dǎo)體氣體傳感器○○○○○固體電解質(zhì)傳感器○接觸燃燒式傳感器電化學(xué)式傳感器○○○○○高分子電解質(zhì)氣體傳感器○○注：○好 ◎不太好煙霧檢測(cè)報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧 種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問(wèn)題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用NIS09C型離子感煙傳感器。1)離子感煙傳感器的組成常見(jiàn)的離子感煙傳感器主要由內(nèi)外兩個(gè)電離室為主構(gòu)成。外電離室(即檢測(cè)室)有孔與外界相通，煙霧可以從該孔進(jìn)入傳感器內(nèi)；內(nèi)電離室(即補(bǔ)償室)是密封的，煙霧不會(huì)進(jìn)入。內(nèi)外兩個(gè)電離室是串聯(lián)的。如圖22所示。 圖22 離子式煙霧傳感器的連接方式 圖23 傳感器等效電路圖A電極——通常與電源(+9V)相連。B電極——接地線端。C電極——收(收集煙霧等)集電極，作信號(hào)輸出端。當(dāng)外電離室有燃燒生成物和煙霧進(jìn)入時(shí)，部分正離子和負(fù)離子被吸附到燃燒生成物和煙霧顆粒上(燃燒生成物與煙霧顆粒比離子大1000倍左右)，故其在電場(chǎng)中的移動(dòng)速度就會(huì)比原來(lái)的速度慢，而且在移動(dòng)過(guò)程中正負(fù)離子中和的機(jī)會(huì)也將增多，也就是離子電流會(huì)相應(yīng)地減小。煙霧數(shù)量較多，離子電流也越小，相當(dāng)于等效電阻增加。在另一方面，由于內(nèi)電離室是密封的，無(wú)煙霧粒子進(jìn)入，離子電流是恒定的。由于離子感煙傳感器中的內(nèi)外電離室是采用串聯(lián)連接方式(如圖22所示)，外電離室的等效電阻是變化的(隨煙霧而變)，可等效為一只可調(diào)電阻RP，而外電離室等效，電阻R是不變的，故圖22電路又可以等效為圖23的形式。這兩個(gè)等效電阻串聯(lián)后將E分壓提供給后級(jí)電路供控制電路使用。當(dāng)無(wú)煙霧時(shí)。當(dāng)有煙霧時(shí)，外電離室的離子電流減少，等效電阻增加，由于RP的變化使A點(diǎn)電位降低。電位降低的大小與煙霧的數(shù)量成比例關(guān)系，有煙霧與無(wú)煙霧時(shí)，兩者在A點(diǎn)的電位差可以達(dá)到1V以上。2)離子感煙傳感器的原理離子感煙傳感器的工作原理為：P1和P2是一相對(duì)的電極，在電極之間放有a放射源镅241，由于它持續(xù)不斷地放射出a射線，a粒子以高速運(yùn)動(dòng)，撞擊空氣分子，從而使極板間空氣分子電離為正離子和負(fù)離子(即電子)，這樣電極之間原來(lái)不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的裝置稱為電離室，如圖24所示： 圖24 電離電流的形成如果在極板P1和P2間加上一個(gè)電壓E，極板間原來(lái)做雜亂無(wú)章的正負(fù)離子，此時(shí)在電場(chǎng)的作用下，正負(fù)離子做有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子向正極運(yùn)動(dòng)，從而形成了電離電流I。施加電壓E愈高，電離電流愈大。當(dāng)電離電流增加到一定值時(shí)，外加電壓再增高，電離電流也不會(huì)增加，此電流稱之為飽和電流Is，如圖25所示。 圖25 電離電流和電壓的關(guān)系電離室又可分為雙極性和單極性兩種。整個(gè)電離室全部被a射線所照射，電離室內(nèi)的空氣都被電離，這種電離室稱為雙極性電離室。所謂單極性電離室，是指電離室局部被a射線所照射，使一部分形成電離區(qū)，而未被a射線所照射的部分則為非電離區(qū)。這樣在同一個(gè)電離室內(nèi)分為兩個(gè)性質(zhì)不同區(qū)域。如圖26所示。這個(gè)非電離區(qū)稱為主探測(cè)區(qū)。 圖26 單極性電離室示意圖 一般離子感煙器的電離室均設(shè)計(jì)成單極性的，因?yàn)楫?dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧進(jìn)入電離室后，單極性電離室要比雙極性電離室的電離電流變化大，也就是說(shuō)可以得到較大的電壓變化量，從而可以提高離子感煙探測(cè)器的靈敏度，在實(shí)際的離子感煙探測(cè)器設(shè)計(jì)中，是將兩個(gè)單極性電離室串聯(lián)起來(lái)，一個(gè)作為檢測(cè)電離室(也叫外電離室)，做成煙霧容易進(jìn)入的結(jié)構(gòu)；另一個(gè)作為補(bǔ)償電離室(也叫內(nèi)電離室)，做成煙粒子難進(jìn)入而空氣又能緩慢進(jìn)入的結(jié)構(gòu)形式，如圖27所示。 圖27 檢測(cè)電離室和補(bǔ)償電離室示意圖電離室采用這種串聯(lián)的方式，主要是為了減少環(huán)境溫度、濕度、氣壓等自然條件的變化對(duì)電離電流的影響，提高離子感煙探測(cè)器的環(huán)境使用能力和穩(wěn)定性。綜上所述，離子感煙探測(cè)器在正常運(yùn)行中對(duì)煙霧的識(shí)別能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。因此本系統(tǒng)所采用的火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器是離子感煙探測(cè)器，由它把物質(zhì)初期燃燒所產(chǎn)生的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換成支流電壓信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線傳輸給報(bào)警器，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。3)NIS09C的特征參數(shù)NIS09C是離子式煙霧傳感器，內(nèi)部使用了微量的放射性物質(zhì)镅241。但傳感器本身被金屬制電極所覆蓋,放射能決不會(huì)泄露。NIS09C屬于低功耗廣普型傳感器,可用9V電池帶動(dòng)。火災(zāi)中氣體煙霧主要是CO2和CO。NIS09C煙霧傳感器能探測(cè)COCO、甲烷、煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測(cè)。a)檢測(cè)方式：離子型，一源兩室b)放射源：放射元素：镅241 放射量：.=(29K——37KBq)c)工作環(huán)境：電源電壓：,最大24V,溫度：0—50℃,最大10——60℃,溫度95%,保存溫度：25—80℃,溫度95%d)典型特性參數(shù)：電源電壓：DC9V,輸出電壓：+,電流損耗：27+3pA,靈敏度：+e)平衡電位：177。f)測(cè)量范圍：177。%部位(以UL217標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量)g)靈敏度特性()如表24：