烟雾探测器

背景

烟雾探测器是一种设备，可感应建筑物中是否存在烟雾并警告居住者，使他们能够在吸入烟雾或烧伤之前逃离火灾。为房屋配备至少一个烟雾探测器可将居民在火灾中死亡的几率降低一半。 1992年R&D杂志的读者 将家用烟雾报警器选为“改变我们生活的 30 种产品”之一。烟雾探测器在 1970 年代初期变得广泛可用且价格合理。在此之前，家庭火灾造成的死亡人数平均为每年 10,000 人，但到 1990 年代初，这一数字降至每年不到 6,000 人。

目前制造了两种基本类型的烟雾探测器供住宅使用。光电烟雾探测器使用光束来搜索烟雾。当烟雾粒子覆盖光束时，光电管会感应到光强度的降低并触发警报。这种类型的探测器对释放相对大量烟雾的阴燃火灾反应最快。

第二种类型的烟雾探测器，称为电离室烟雾探测器 (ICSD)，可以更快地感应产生少量烟雾的火焰。它使用放射性物质来电离传感室中的空气；烟雾的存在会影响一对电极之间的离子流动，从而触发警报。美国家庭中 80% 到 90% 的烟雾探测器属于这种类型。尽管大多数住宅型号都是使用 9 伏电池供电的独立装置，但该国某些地区的建筑规范现在要求在新住宅中安装的装置连接到房屋布线，并在停电时配备备用电池.

典型的 ICSD 辐射源会发射 alpha 粒子，从空气分子中剥离电子，产生正氧离子和正氮离子。在这个过程中，电子将自身附着在其他空气分子上，形成负氧和氮离子。感应室内的两个带相反电荷的电极吸引正离子和负离子，在电极之间的空气空间中形成小电流。当烟雾颗粒进入腔室时，它们会吸引一些离子，从而扰乱电流。一个类似的参考室被构造成没有烟雾颗粒可以进入。感烟探测器不断地将感应室中的电流与参考室中的电流进行比较；如果出现显着差异，则会触发警报。

历史

这些救生设备的开发始于 1939 年，当时瑞士物理学家 Ermst Meil​​i 设计了一种能够检测矿井中可燃气体的电离室装置。真正的突破是梅利发明的冷阴极管，它可以将检测机制产生的微小电子信号放大到足以触发警报的强度。

尽管电离室烟雾探测器自 1951 年以来就在美国上市，但由于价格昂贵，它们最初仅用于工厂、仓库和公共建筑。到 1971 年，住宅 ICSD 已上市；它们每台探测器的成本约为 125 美元，每年的销量为几十万。

在接下来的五年中出现了一系列新技术发展，将探测器的成本降低了 80%，并将销售额提高到 1976 年的 800 万和 1977 年的 1200 万。阴极管，显着减小了探测器的尺寸和成本。设计改进，包括更节能的报警喇叭，允许使用常用尺寸的电池，而不是以前需要的难以找到的特种电池。电路的改进使得可以同时监测电压的下降和电池内阻的增加，这两种情况都会触发更换电源的信号。新一代探测器还可以使用更少量的放射源材料，并且重新设计了感测室和烟雾探测器外壳以提高操作效率。

原材料

ICSD烟雾探测器由聚氯乙烯或聚苯乙烯塑料外壳、小型电子报警喇叭、印刷电路板组成 带有各种电子元件，以及传感室和参考室，每个室都包含一对电极和放射源材料。

镅 241 (Am-241) 是一种放射性同位素，自 1970 年代后期以来一直是 ICSD 的首选来源材料。它非常稳定，半衰期为 458 年。它通常用金加工并密封在金箔和银箔中。

制造
过程

烟雾探测器的生产包括两个主要步骤。一种是将 Am-241 制成可以安装到传感室和参考室中的形式（通常是箔片）。另一种是组装整个 ICSD，从所有单独的组件开始，或者从从放射源材料制造商处获得的预制传感和参考室开始。以下描述涵盖了所有步骤，即使有些步骤可能由不同的制造商完成。在组装过程的多个阶段进行测试和检查，确保产品的可靠性。

放射源

• 1 该过程从化合物 AmO 2 开始，AmO 2 是 Am-241 的氧化物。这种物质与黄金充分混合，成型为煤球，并在超过 1470°F (800°C) 的压力和热量下熔化。将银背衬和金或金合金正面覆盖在煤球上并通过热锻密封。然后通过几个阶段的冷轧处理煤球，以达到所需的厚度和辐射水平。最终厚度约为 0.008 英寸（0.2 毫米），其中金色覆盖层约占厚度的 1%。所得箔条约 0.8 英寸（20 毫米）宽，被切成 39 英寸（1 米）长的部分。
• 2 个圆形 ICSD 源元件从箔条上冲出。每个圆盘的直径约为 0.2 英寸（5 毫米），安装在金属支架中。支架上的薄金属边缘被卷起以完全密封圆盘周围的切割边缘。

传感室和参考室

• 3 一个源材料盘安装在传感室中，另一个安装在相邻的参考室中。电极安装在两个腔室中并连接到从腔室底部伸出的外部引线。

电路板

• 4 印刷电路板是根据设计原理图通过为元件引线打孔并在背面铺设铜迹线以形成电流路径来制备的。在装配线上，各种电子元件（二极管、电容器、电阻器等）插入板上适当的孔中。延伸出电路板背面的引线被修剪。

• 5 传感室、参比室和报警喇叭安装在印刷电路板上。
• 6 然后电路板通过波峰焊机，将电子元件焊接到位。

住房

• 7 塑料外壳由安装底座和盖子组成。两者都是通过注塑成型工艺制成的，其中混合粉末塑料和成型颜料，加热，在压力下压入模具，然后冷却形成最终部件。

总装

• 8 电路板固定在塑料安装底座上。安装了一个测试按钮，以便在家中安装后可以定期测试设备。在底座上增加一个安装支架，并增加盖子以完成组装。
• 9 烟雾探测器与电池和用户手册一起包装在纸板箱中。

新发展

最近的一些发展可能使烟雾探测器更加有效。例如，一种型号使用频闪灯警报来提醒听障人士注意危险。远程频闪灯可以安装在卧室中，即使探测器可能位于另一个房间或走廊，当警报从卧室外响起时，它具有同样的优势，可以为听到人们提供预警。

1993 年，Newtron Products 重新设计了传统的烟雾探测器，以安装在中央供暖或空调系统的标准空气过滤器中，以检查在整个建筑物中循环的空气。当它检测到烟雾时，该设备会关闭系统的鼓风机，以防止气流帮助扩散烟雾和火势。此外，它会触发通过管道系统产生共鸣的警报，并且在建筑物的任何地方都可以听到。

另一种火灾探测器可以利用声音。美国国家标准与技术研究院建筑与防火研究实验室的调查人员发现，各种类型的房屋材料，例如木材、塑料和石膏板， 当它们因快速加热而膨胀时发出可识别的声音。压电换能器甚至可以在材料真正开始燃烧之前检测到这些声音。这对于检测由建筑物墙壁内过热的电线引起的初期火灾特别有用。