基于电晕的烟雾传感器的温度和湿度特性外文翻译资料

基于电晕的烟雾传感器的温度和湿度特性

关键词：烟雾传感器，离子感应，电晕效应

（一）介绍

烟雾是火灾的最初迹象之一，因此烟雾探测有助于防止火灾蔓延，挽救许多生命。对于夜间发生火灾或在无人监管区域发生火灾，烟雾传感器的报警尤为重要，因为任何延误都可能导致严重的问题。众所周知，烟雾传感器对死亡人数有很大的影响[1]。尽管96%的美国房屋都配备了烟雾传感器，但其中20%却不起作用，据估计，如果所有烟雾报警器都正常工作，每年可以挽救1100人的生命。在美国，每156分钟就有一人死于火灾。这个问题并不局限于美国，如图1所示，它报告了欧洲国家每年每百万人的死亡人数。

还有统计数据显示，大多数工业事故都是由火灾造成的。以法国为例，如表1所示，法国的火灾占1992年至2005年期间工业事故的51%[2]。

对火灾探测的研究已是一个古老的故事。以家用烟雾传感器为例，Duane D. Pearsall于1965年发明了第一个真正低成本、易于使用的家庭烟雾传感器。他用电池作为能源，易于安装和更换。Pearsall公司，是第一个开始大规模生产家庭烟雾传感器的公司，第一个商用烟雾探测器在1969年上市[3]。

目前，各种物理现象被用于探测火灾，因此有不同种类的火灾探测器适应于特定的地点和情况。住宅和工业建筑中通常的火灾探测器是烟雾探测器，它可以在火灾传播的早期阶段提供足够灵敏的探测。

在不同种类的烟雾传感器中，离子烟雾传感器是最好的一种。它们由一个产生电荷的电离源和一个漂移室组成，其中电荷可以在低压下极化的电极之间缓慢漂移。这种漂移会产生一个可测量的连续电流。当烟雾颗粒进入腔室时，它们会附着在电荷上，大大减少测量电流，从而触发警报。如图2所示，为了提高离子传感器检测烟雾和气溶胶的效率，已经开发了各种几何形状和操作模式的发展。请参见例如参考文献[4]，其中使用了光学和离子检测的合理组合。此外，另一种离子相互作用也被提出用于检测烟雾[5]，其中烟雾触发放电，而不是消除连续电流。

与光学烟雾传感器相比，离子烟雾传感器具有很好的性能。他们对燃烧的火焰反应更快。而且，它们对烟雾量比光学传感器更敏感。此外，与电离传感器相比，电离传感器具有更高的安全性，因为当电池开始失效时，警报会发出固有的声音，警告在探测器失效之前更换了它。

（二）离子源

1.放射性离子源

从最初的离子烟雾传感器到最发达的传感器，它们都是由放射源产生离子的。通常在离子烟雾传感器的电离室中使用少量的镅-241(Am-241），约0.3mg来产生alpha;粒子。alpha;粒子通过空气分子的电离在漂移室中产生离子。在没有烟雾粒子的情况下，这些离子在电场下的漂移通常会产生几纳安直流电流。

即使这种离子传感器非常有效，但根据新标准，由于它们产生离子的放射源难以收集和回收利用，几乎所有发达国家都不再允许使用。

2.交替离子源

不同的物理现象可以用来产生离子，如场发射[6]、热离子发射[7]、光电发射[8]或放电现象[9]。在本研究中，我们选择了电晕放电作为一种替代离子产生的方法。

电晕放电是一种可以用来在空气中产生带电粒子的现象。电晕放电只发生在高度不均匀的电场中。高压下的尖锐电极会产生一个非常高的电场，能够电离周围的空气。在该电极的前面，另一个电极，通常比第一个电极大，收集产生的电荷。在电极之间电离空气分子所需的电压取决于不同的参数，如电离能、粒子的存在、气体压力、电极之间的距离及其形状。关于电晕特性有许多理论上或实验上的研究。R.W.Peek描述了产生电晕放电[10]的必要条件。随后发表了许多描述不同几何形状电晕放电的不同方法[11-13]。例如，它们提供了在电极之间的电荷或电场的分布以及电压阈值。

我们实验中使用的是线平面的几何形状。在电晕放电过程中，电极之间的空间被划分为两个不同的区域：(i)在更尖锐的电极周围的一个高场电离区域产生离子，(ii)一个低场漂移区域占据剩余的间隔。

3.拟用传感器

虽然电晕放电产生大量离子，但它们在电极之间漂移太快，因此不能很好地与烟雾粒子相互作用。解决这个问题的一个方法是通过电压控制的栅极电极将电离区域与漂移区域分离出来。虽然许多带电粒子可以被栅极电极捕获，但也有一部分通过栅极，然后在受控的低电场区域缓慢漂移，产生纳米安培量级的电流。需要强调的是，如果没有网格，就无法检测到任何信号。因此，网格显得至关重要。

考虑到自主烟雾传感器中电力消耗至关重要。通过使用单个晶体管、变压器、二极管和电容器[14]的简单开关电源，从9V电池产生高压并不特别复杂。这些供应品的效率一般在80%以上。考虑到3kV的输出电压、10nA的输出电流和80%的效率，高压电源的消耗将小于40mW。因此，仅考虑高压级的消耗，传感器的自主性。使用传统的 9 V 电池可以使用 30 年。因此，高压的产生对自动烟雾传感器来说不是一个问题。

该传感器的结构如图3所示。导线保持在2.5kV左右，栅极电极保持在9V左右。测量电极通过 kethley 6487皮安表接地，可以测量10 fa 以下的电流，最低测量电流的最大误差为0.4% 。由栅格电极和测量电极限定的漂移室中的电场依次为10v/cm。在我们的实验中，该导线由镀金钨制成，直径为10毫米或25毫米。网格由直径0.3mm、间距1毫米的黄铜丝制成。

测量规程

该传感器在气候室粘合剂APT线KMF（E5.2）中进行了测试。测试应在室内条件下、55℃或40%至90%的湿度下进行。

传感器被放置在燃烧产生的烟雾源附近，这是一种由支架真菌制备的海绵状易燃物质，或者是拉凡德的干花和稻草组成。由Met-One公司的颗粒计数器HHPC-6测量的烟雾粒度测定几乎为均匀~0.3mm~2mm，对于薰衣草稻草优先小于1mm，如图4所示。

调整施加到传感器上的电压，以便获得在没有烟雾的情况下测量电极处几个纳米安培范围内的电流。

（三）结果与讨论

1.几何效应

当烟雾进入传感器的漂移区域时，电流的幅度急剧减小。如图5所示，对于两个导线直径，当它们都保持在相同的高电压下时，对于半径较小的导线灵敏度较大。这个结果可以用电晕放电电极丝的锐度效应来解释。由于导线周围电场的振幅取决于其锐度，因此使用较小半径的导线会增加空气中的电场，同时也会增加电离区域的体积。因此，在空气中释放的电子数量也会增加。结果，测量到的电流增加了。对我们来说，导线直径越小，传感器的灵敏度越好。另一种可能性是降低所施加的电压，从而降低给定灵敏度的电消耗。

网格电极与测量电极之间的距离也改变了传感器的灵敏度。如图6所示，两个不同高度的腔室的影响。

与导线直径一样，漂移室高度不会改变在存在烟雾颗粒的情况下的电流，但在没有烟雾的情况下会影响电流。有人观察到，在8毫米高度的漂移室中，无烟雾时的电流振幅大于10毫米高度的漂移室。由于电子在较大的电场中漂移，因此减少网格电极和测量电极之间的距离会增加电流。

环境影响

为了防止误报警，要求传感器根据各种标准支持高温和湿度，例如NFEN14604。虽然在这种极端条件下不需要传感器来探测烟雾，但它们必须不触发假警报。

温度的影响

如图7（上）所示，温度对烟雾传感器的影响。在此过程中，温度已提高到55℃， 然后保持温度，公差为plusmn;2℃。 如图中观察到，电流随温度从约0.1nA增加到0.2nA。当温度稳定时，电流也稳定在0.2nA。检测到的电流的轻微增加可以用热活化能的增加来解释，这有助于导线的电离，从而增加电流。由于烟雾会大大减少电流，因此电流随温度的变化并不会影响传感器的检测。

烟雾颗粒在传感器55℃环境中对传感器测量的电流的影响如图7（下）所示。

我们观察到，在烟雾颗粒的存在下，电流在室温下立即显著下降。我们可以得出结论，温度并不是我们的烟雾传感器的一个重要参数。

湿度的影响

湿度通常被认为是对离子烟雾传感器影响最大的参数，因为它可以改变电离阈值和电荷迁移率。因此，水分会引发误警报。在40℃和低于90%湿度，无烟信号的演化情况如图8（上）所示，高相对湿度会导致测量电流相对较小，不会干扰传感器。

如图8（下）所示，当暴露在高湿度下时，传感器对烟雾颗粒的检测结果。有人观察到，在高湿度的情况下，烟雾粒子存在时的电流增加，与房间环境中发生的情况相反。

可以解释这种现象的一个假设是电离室中烟雾粒子表面的湿度变化，以及在高压下电离线附近的水分子或烟雾粒子产生带电的重粒子。这些粒子在电离室的电场中加速，由于其高惯性，不能在漂移室中减慢，然后以相对较高的速度到达测量电极，产生高电流。漂移室中与烟雾粒子的相互作用不足以有效地获得之前观察到的电流下降。

传感器时间响应

烟雾传感器的效率也取决于检测的速度。将该传感器的响应与工业光学烟雾传感器(精细的CAP312A)中的响应进行了比较，从中我们可以直接获得传感器的数字输出。这两个传感器都以相似的方式放置于烟雾上方。如图中9所示，光学传感器对烟雾的响应不如所提出的离子烟雾传感器快。延误略小于一分钟，这对于火灾来说可能是一个非常重要的延误。其中一部分延迟可以用减速器来解释，减少外部光线进入光学传感器，同时减缓烟雾的入口。

（四）结论

传统离子传感器的放射源已被一种基于细线电极产生的电晕放电的系统所取代。在低电压下的栅极电极用于减缓漂移区产生的电荷。在烟雾颗粒存在时，可以观察到一个可重复频率和大信号下降。此外，对烟雾的响应延迟也比工业光学传感器的响应延迟小。降低了漂移室的高度和电极丝的直径，提高了传感器的灵敏度。因此，可以用更小的电压施加到电线上，以进一步减少几微瓦电力消耗。温度和湿度不应该产生假警报，因为它要么增加信号，这与莫克效应相反，要么减少信号，但不如烟雾颗粒造成的减少那么多。由于湿度较大，传感器的响应与低湿度时的响应相反。然而，在所有情况下，烟雾的存在都会产生非常快速和巨大的信号变化，因此在任何条件下都可以通过适当的信号处理来检测到烟雾。

外文原文资料信息

[1] 外文原文作者： Z. Mokhtari; S. Holeacute;; J. Lewiner

[2] 外文原文所在书名或论文题目：

Temperature and humidity behaviour of a corona based smoke sensor

[3] 外文原文来源：

出版社或刊物名称、出版时间或刊号、译文部分所在页码：

Journal of ElectrostaticsVolume 76, 2015. PP 62-66

网页地址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs

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