第一部分：煙霧傳感器的知識煙感探測器工作原理煙霧探測器就是通過監測煙霧的濃度來實現火災防范的，煙霧探測器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統中，性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是無線發射器發出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統中，性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是無線發射器發出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去；煙霧報警器就是通過監測煙霧的濃度來實現火災防范的，煙感器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統中，性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是無線發射器發出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。第二部分：一份研究報告半導體煙霧傳感器調研報告肖國敏（西南交通大學材料學院，成都611756）摘要：本文在對生產生活中各類火災、爆炸事故分析的基礎上，提出出來用傳感器檢測煙霧以減少火災爆炸的發生和損失的必要性。對煙霧傳感器進行應用情況和需求分析知：目前市場煙霧傳感器種類繁多，但都存在著各種缺陷，不能滿足生產生活各個方面的廣泛需求。本文提出兩三種解決方案，以MQ-2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器為例，介紹了其檢測原理和應用。0引言隨著科技的發展，越來越多的巨大的隱患由于工業生產和人們的日常生活而產生。為了早期發現和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產安全。保衛社會主義現代化建設，防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經濟損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發生，就必須對煙霧進行現場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監測環境中煙霧的濃度，及早發現事故隱患，采取有效措施，避免事故發生，才能確保工業安全和家庭生活安全。因此，研究煙霧的檢測方法與研制煙霧報警器就成為傳感器技術發展領域的一個重要課題。煙霧檢測報警裝置是能夠檢測環境中的煙霧濃度并具有報警功能的儀器。該報警裝置是石油化學工業、有氣體泄漏可能的生產工廠及家庭防火防爆必備的儀器。煙霧報警器屬于中華人民共和國強制檢定的工作計量器具目錄中第46項，它歸類于物理化學計量器具。建筑設計防火規范(GBJ16-87)第10.3.2條明確規定:“散發可燃煙霧、可燃蒸汽的甲類廠房和場所，應設置煙霧濃度檢測報警裝置”。2003年12月，國家執行新的煙霧探測器標準(GB15322-2003)可燃煙霧探測器，2004年10月國家頒布可燃煙霧檢測報警器規程JJG693-2004，對新型、性能穩定、準確監測可燃性氣體的，并合乎國家相關規定的半導體煙霧報警器進行調研具有極其重要得意義。1煙霧報警器的國內外現狀國外從20世紀30年代開始研究及開發煙霧傳感器，且發展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規的推動。據有關統計，美國1996年2002年煙霧傳感器年均增長率為27%30%。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測儀器的便攜性，更加利于生產、運輸及市場推廣。1963年5月，日本開發完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器，次年12月其改良產品問世，改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣體，可以安裝在浴室或者采用集中監視。我國在70年代初期開始研制煙霧報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統擴展到幾乎所有危險作業環境的各種類型報警器，產品數量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產品穩定性上也有很大進步。12煙霧傳感器檢測技術2.1煙霧傳感器構成煙霧檢測報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應包括：煙霧信號采集電路、模數轉換電路、單片機控制電路。煙霧信號采集電路一般由煙霧傳感器和模擬放大電路組成，將煙霧信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行濾波處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發出報警聲音，反之則為正常狀態。為方便檢測與監控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調節報警限，可以加入按鍵。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環境中聲音報警的局限。以上是根據報警器應具備的功能，提出此類傳感器的總體原理和方案。圖2.1可燃性氣體檢測報警器結構框圖1作者簡介：肖國敏（1990-）,男，湖北天門人，西南交大材料學院08級本科生，學號：20085029，E-mail:，指導老師：彭朝勇，調研時間：2011年3月。煙霧傳感器及單片機是可燃煙霧檢測報警器的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的煙霧傳感器及單片機芯片是至關重要的。本次調研的重點是煙霧傳感器中的傳感檢測技術，故接下來主要介紹本次調研的重點：幾類煙霧傳感器中的傳感器類。2.2煙霧傳感器的選型煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的選型是非常重要的。2.2.1煙霧傳感器介紹(1)煙霧傳感器的分類煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類：(a)利用物理化學性質的煙霧傳感器：如半導體煙霧傳感器、接觸燃燒煙霧傳感器等。(b)利用物理性質的煙霧傳感器：如熱導煙霧傳感器、光干涉煙霧傳感器、紅外傳感器等。(c)利用電化學性質的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣體傳感器等。(2)煙霧傳感器應滿足的基本條件一個煙霧傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件：(a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應或低響應；(b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的煙霧濃度；(c)對檢測信號響應速度快，重復性好；(d)長期工作穩定性好；(e)使用壽命長；(f)制造成本低，使用與維護方便。2.2.2煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業等易發生可燃煙霧泄漏的場所，根據報警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。中毒是如果環境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優點，因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩定性(使用壽命)。經過對比上述兩種煙霧傳感器的應用特性，發現半導體煙霧傳感器的優點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低等。因此，在煙霧傳感器傳感檢測技術中，采用半導體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。3半導體煙霧傳感器3.1半導體煙霧傳感器介紹半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導體氣敏元件也有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導體氣敏傳感器的分類如表2.2所示。表半導體氣敏傳感器的分類所利用的特性工作溫度表面電阻控制器300450C類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450C可燃性氣體體電阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫200CH2、CO、乙醇晶體管特性150CH2、H2S因此本文以MQ-2型煙霧傳感器（屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體）為例說明煙霧傳感檢測技術在生產生活中應用的調研結論。3.2MQ-2型煙霧傳感器的工作原理當處于200300C溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到該煙霧的調制而變化，就會引起表而電導率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如CH4等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態吸附在二氧化錫半導體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導體-又會自動恢復氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態。這就是MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。MQ-2型傳感器的結構圖如圖3.2.1所示，其外觀如3.2.2所示。圖3.2.1MQ-2型傳感器的結構圖圖3.2.2MQ-2型傳感器的外觀3.3MQ-2型傳感器的特性及主要技術指標(1)MQ-2型傳感器的一般特點(a)MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。(b)MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩定性。初始穩定，響應時間短，長時間工作性能好。(c)MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。(d)電路設計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓50.2V。(2)MQ-2型傳感器的特性參數(a)回路電壓：(Vc)524V(b)取樣電阻：(RL)0.120K(c)加熱電壓：(VH)50.2V(d)加熱功率：(P)約750mW(e)靈敏度：以甲烷為例R0(air)/RS(0.1%CH4)5(f)響應時間：Tres10秒(g)恢復時間：Trec30秒4煙霧傳感器應用燃氣報警器可分為民用火災煙霧報警器、工業用煙霧報警器、有毒有害煙霧報警器三大系列產品。(1)民用火災煙霧報警器民用火災煙