单源双室离子感烟传感器的研究(详细说明)

单源双室离子感烟传感器的研究王娅娜1050600136石嶙峋1050600131摘要：（论文的主要内容和意义）本文着重阐述单源双室离子感烟传感器的工作原理及特点，讨论并评述其优缺点。提出了电压随温度漂移对传感器实行温度自补偿的原理和方法（以双源双室传感器为例），给出了实际使用过程中补偿的电路原理框图，并对使用自补偿前后的结果进行分析。关键字：离子感烟单源双室双源双室温度漂移（文中涉及的核心科技词汇）正文：1．引言（离子感烟传感器简介）（介绍主要类型、特点和发展状况）感烟式火灾探测器是目前世界上应用最普遍的探测器。据统计，感烟式火灾探测器可以探测70%以上的火灾。感烟式火灾探测器中应用最多的是离子感烟探测器。离子感烟传感器按其电离室的不同又可分为：①双源双室离子感烟传感器②单源双室离子感烟传感器按其使用的放射源的不同，又可分为：①α放射源，大部分均使用放射性同位素Am241②放射源，主要使用放射性同位素双源双室离子感烟传感器在中国应用普遍，并大批量生产；而单源双室离子感烟传感器是近几年发展起来的。下图为离子感烟探测器原理方框图2．单源双室离子感烟传感器简介近几年国外有些著名生产厂商已不再生产双源双室离子感烟探测器，而以单源双室离子感烟探测器取而代之，国内也有不少厂家研制生产单源双室感烟探测器。单源式离子感烟探测器与双源式工作原理基本相同，但结构形式则完全不同。它是利用一个放射源在同一平面（也有的不在同一平面）形成两个电离室，即单源双室。检测电离室与补偿电离室的比例相差很大，其中何尺寸也不大相同。两室基本是敞开的，气流是互通的，检测室直接与大气相通，而补偿室则通过检测室间接与大气相通。单源双室电离室与双源双室电离室比较而言有很多优点①由于两电离室同处在一个相通的空间，只要两个电离室的比例设计合理，既能保证早火灾时烟雾顺利进行检测室迅速报警，又能保证在环境变化时两室同时变化。因此它工作稳定，环境适应能力强。不仅对环境因素（温度、湿度、气压和气流）的慢变化，也对快变化有更好的适应性，提高了抗潮、抗温性能。②增强了抗灰尘、抗污染的能力。当灰尘轻微地层积在放射源的有效源面上，导致放射源发射的α粒子的能量和强度明显变化时，会引起工作电流变化，补偿室和检测室的电流均会变化，从而检测室分压的变化不明显。③一般双源双室离子感烟探测器是通过改变电阻的方式实现灵敏度调节的，而单源双室离子感烟探测器是通过改变放射源的位置来改变电离室的空间电荷分布，也即源极和中间的距离连续可调，以比较方便地改变检测室的静态分压，实现灵敏度调节。这种灵敏度调节连续简单，有利于探测器响应阈值一致性的调整。④因为单源双室只需一个更弱的α放射线，这比双源双室的电离室源强可减少一半，且也克服了双源双室电离室要求两源相互匹配的缺点。3．结构及原理（1）单源双室离子感烟传感器基本结构我们以SIF-E型单源离子感烟传感器为例，介绍其结构特点。图一A为SIF-E型单源离子感烟传感器结构图，图一B是其综合装配组合图。内部电极7组装在中央部位。参考电离室（补偿电离室）2被中间电极9所设定，围绕参考电离室3。外电极上开有许多孔，能使外部气流自如的进入检测电离室3，检测电离室开口处用不锈钢网罩4罩住，防止昆虫、纤维等进入检测室。检测室外部设有塑料外壳保护。放射源8是Am241，放置在不锈钢托片7中间，设置在参考电离室内部。结构特点：①利用一块放射源为参考室和检测室共用，即单源双室。参考电离室与检测电离室的比例相差很大。②由于利用一块放射源形成两个电离室，所以参考室与检测室在同一空间，气流是互通的。且检测室比参考室大好几倍。检测室直接与大气相通，而参考室则通过检测室间接与大气相通。（2）基本原理①电离室工作原理如图2在传感器两电极P1与P2间放一α放射源Am241，其不断地持续放射出α粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子，在α粒子的轰击下引起电离，产生大量的带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性，在该区域内正离子和负离子作布朗运动，对外不显电性。这个装置成为电离室。当在电离室两端加上一定的电压后，使得空气中的正负离子向相反的电极移动，形成电离电流。图2C①的曲线示出了无烟时电离室的电压与电流的特性曲线。具体电流的大小与电离室本身的几何形状、放射源活度、α粒子能量、电极电压的大小及空气的密度、温度、湿度和气流速度等因素有关。对于一般平行极板电离室其I-U特性曲线可以近似由如下公式来表示［1］：(1)式中:U为极间电压（V）；I为极间电流（A）；Is为极间饱和电流（A）；R0为初始电阻（Ω）；b为系数（与空气温度、湿度、气压、气速等相关）。当电离室极间电压小于50V时，可以认为I与U成线性关系，实际的实验结果证明符合上述关系。一般来说，实际所使用的离子感烟探测器供电电压不超过24V，工作在线性区间内，此时可以将电离室看成是符合欧姆定律的电阻。其值为［2］：(2)式中：L为极间距离；S为电极平面面积；μ为电子迁移率；α为复合系数，与烟雾浓度、空气气流速度、空气密度、环境温度、湿度等相关的系数。当烟雾粒子进入电离室后，由于气熔胶吸附大量的正负离子，使其中和。烟雾越浓，导致离子复合几率加快，同时，由于烟雾粒子阻挡了α粒子，使α射线距离缩短，使电离能力降低，从而使空气中电离电流迅速下降，电离室阻抗增加（如图2B），因此根据R值变化可以感受到烟雾浓度的变化，从而实现对火灾的探测。曲线图2C②示出了有烟时电离室的电压与电流的特性曲线。即烟雾浓度越大，电离电流减少越明显。因此，可以用电离电流的变化来测量烟雾浓度的变化。②检测室与参考室工作原理图3显示了电离室与参考室结构示意图。参考室小，检测室大。射线是通过中间电极中的一个小孔放射出来的，由于这部分射线的作用，使检测室中的空气部分被电离。图3B显示出了检测点历史与参考电离室的电流与电压的关系曲线（即伏安特性曲线），图中曲线（A）是监视状态下检测电离室的电压与电流的关系曲线；曲线（B）是当有烟雾进入检测电离室使得电压与电流的关系曲线；曲线（C）是参考电离室的电压与电流的关系曲线。从图3B中有，在监视状态下，探测器两端的外加电压Vs，等于参考电离室两端电压与检测电离室两端电压之和，即。当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室后，电离电流减少，也就是检测室的阻抗增加，此时，检测室两端的电压从Vo增加到Vo’，从而检测室两端的电压变化量为：。当有火灾发生时，检测室两端电压增加当这个电压增加到一定值时，开关电路动作，发出报警信号。并通过导线将此信号传输给报警控制器，发出声报警和光报警，从而将烟雾物理量转变为电量。4．温度补偿火灾探测器在实际使用过程中所处的环境因素比较复杂，一年四季中，温度变化比较大。大约在－10～40℃之间（不同的地区情况不一样），有时在同一幢楼内，有的房间有空调，有的房间没有，温度的差别会造成探测器对同一环境条件作出不同的判断，因此有必要对温度所产生的影响进行补偿。一般而言对环境温度补偿的方法可以采用无源补偿法，即选择合适温度系数的热敏电阻器以补偿由于环境温度变化所带来的漂移，此方法简单应用较多，但是对热敏电阻器的选择要求较高。这里主要讲述电压源补偿法，其实质是利用传感器本身的激励源随温度漂移来消除温度变化对探测器带来的影响（包括离子源本身的漂移和放大场效应管的温度漂移），同时又不改变传感器本身对烟雾的敏感性。（1）温度补偿原理：实际上，传感器电离室中的电流非常微弱，在一般的空气条件下大约为50pA，当探测到火灾烟雾的时候，电流相应减小。由于其阻抗非常高，可达1011Ω，其后需要使用输入阻抗高的场效应管放大供后续电路处理。无论是电离室本身，还是场效应管都存在温度漂移，这对准确获取火灾信号带来不利影响。这里提出一种自补偿式探测器的设计方法。并以双源双室探测器为例来说明温度补偿原理，其结构如图4所示。图4双源双室传感器双源双室传感器是由两块性能一致的放射源制成互相串联的两个电离室，其中一个电离室开孔，烟雾能够进入电离室，为采样电离室，其阻值与烟雾浓度相关；另一个为近似封闭电离室，为参考电离室，其电阻基本上不变。由于两电阻串联在一起，加在其上的源电压不变，当烟雾进入采样室的时候，导致采样室电离电流减小，电阻增大，而参考电离室电离电流不变，因此加在其上的电压发生改变。可以通过电压的改变判断烟雾浓度的大小，从而达到报警的目的。根据离子感烟探测器工作原理，其输出电压可以用如下关系式来表示：(3)U0=AU1=ARλE(4)式中：A为场效应管放大倍数；Rλ为双室电阻比值；E为供电电压；Rref为标准室阻值；Rs为探测室阻值。从实际的结构分析中可以看出电离室和场效应管存在温度漂移，即Rλ、A这两个变量是与温度相关的函数，因此从公式（4）可以看出输出电压是一与环境温度相关的函数。下面式（4）两边分别对温度T进行求导，得：对上式两边分别除以U（U=ARλE），则有：很显然，上式表示各变量随温度变化时与初始值的比值，分别用αU、αE、αA、αR来表示，其物理意义分别表示输出电压温度系数、供电电源温度系数、场效应管温度系数、电阻比例温度系数，则上式可变为：αU=αE+αA+αR(5)实际上，供电电源并不随环境温度变化，即αE=0。而要达到对环境温度完全的补偿，即αU=0，必须满足αA+αR=0，也就是说αA=－αR，电离室与场效应管有互为相反的温度系数，一个为正温度系数，另一个必须为负温度系数，很显然这在工艺上很难保证（当然这里可以采取增加热敏电阻器的方法使得二者满足上述关系）。如果取供电电压E，通过一定的电路处理方法使其也随环境温度变化，此时要保证输出电压不随环境温度变化可以通过下式来保证：αE=－(αA+αR)(6)从式（6）可以看出，只要保证场效应管和电离室随温度变化的共同效应通过对电源电压的控制就可以保证整个探测器不受环境温度影响。供电电源的电压可以采用一半导体热敏电阻器来控制，只需要保证热敏电阻器的温度效应与场效应管和电离室随温度变化的共同效应相反互补即可。一般来说，单个的半导体热敏电阻器的温度效应符合上述要求的可能性极小，那需要对电阻的生产工艺实行严格的控制，因此，符合要求的热敏电阻器的选择比较困难，但是可以通过选择一般温度效应近似的热敏电阻器加上一定的电阻网络来达到上述目的。另外场效应管和电离室随温度变化的共同效应从理论上得出其准确的关系式非常困难，这可以通过试验得出二者与温度的相互关系。实际工作中也是通过上述方法实现对探测的温度补偿。（2）电压源温度漂移自补偿方法电压源随温度漂移的补偿的原理如图5所示。图5探测器电压源温度漂移补偿原理图图中为一双源双室的离子感烟探测器，其中一个是探测室，一个是参考室，输入电压通过一半导体热敏电阻网络后，其输出的电压成为与温度相关的函数，其关系可以用下式来表示：E0=E（T）（7）将其对温度求导，得电源温度系数：(8)在电阻网络中使用热敏电阻元件，提供给电离室的基准电压将随温度的变化而发生漂移，当环境温度变化ΔT时，根据式（5）可知，探测器在其它环境因素未发生变化的时候，输出U0将变化ΔU，这时候如果选择的热敏电阻组成的电阻网络保证电离室两端供电电压的变化满足式（6），则ΔU=0，即实现对探测器输出电压的温度漂移完全补偿，保证在一定的温度范围内，传感器的输出温度特性保持一致。（3）有无温度补偿数据比较图6所示为未采用温度自补偿情况下图5电路中输出电压U随温度变化情况，实验中，将探测器的前置放大器和传感器置于恒温箱中做0～50℃的温度范围内的常规温度实验。图6结论：在0~50℃的温度范围内，未采用温度补偿情况下温飘约为0.65v，而采用温度补偿技术的情况下温飘约为0.05v。所以以上方法可基本实现温度补偿。参考文献：边久荣，张超院《单源离子感烟火灾探测器工作原理及特点分析》期刊《消防技术与产品信息》梁生拄《单源离子感烟电离室的研究》吴仲城戈瑜虞承端何江南《离子感烟火灾探测器温度自补偿的设计》孙余凯等编著《传感技术基础与技能实训教程》以及网络几个论坛附录：所有工作均由两人共同完成。