本文針對(duì)空氣采樣式煙霧探測(cè)器探測(cè)光源的發(fā)展作了介紹，自1980年代澳大利亞IEI公司的馬丁科爾博士成功的將昂貴、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別比濁計(jì)商品化，并以VESDA（Very Early Smoke Detection Apparatus）為品牌開創(chuàng)了消防報(bào)警系統(tǒng)當(dāng)中獨(dú)特的空氣采樣式感煙火災(zāi)探測(cè)技術(shù)以來(lái)，已經(jīng)歷了30年的發(fā)展歷史。此類產(chǎn)品也隨之近代科技技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步，其中最明顯的發(fā)展大概就是探測(cè)光源的演進(jìn)了。此類產(chǎn)品的煙霧顆粒探測(cè)原理均為光散射（Light Scattering），這種方式通過(guò)檢測(cè)光線（光源）照射煙霧顆粒時(shí)產(chǎn)生的散射光大小來(lái)檢測(cè)煙霧濃度，而散射光信號(hào)大小與光源本身的亮度、波長(zhǎng)及角度等有關(guān)，因此探測(cè)光源在探測(cè)煙霧的靈敏度方面扮演了非常重要的角色。

　　在80年代，第1代的VESDA E700，E70D等型號(hào)的吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)器使用氙氣燈（Xenon）做為探測(cè)光源。氙氣燈的亮度非常高且為寬帶光，光譜當(dāng)中包含短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的各種波長(zhǎng)，因此對(duì)空氣當(dāng)中各種尺寸的懸浮顆粒均敏感，就煙霧探測(cè)性能來(lái)說(shuō)是非常良好的探測(cè)光源。不過(guò)由于氙氣燈的成本高，而且亮度會(huì)隨著時(shí)間而逐漸降低。因此每2年探測(cè)器就需要進(jìn)行校正，日后運(yùn)行維護(hù)成本較高。

　　當(dāng)90年代，隨著半導(dǎo)體鐳射（激光）技術(shù)的發(fā)展及普及，很自然的，不同的廠家的產(chǎn)品（包括Kidde Hart Laser、AirSense Stratos-HSSD及VESDA LaserPLUS）均不約而同的使用紅外雷射（激光）作為探測(cè)光源。紅外雷射的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，在光束聚焦點(diǎn)的光強(qiáng)度非常高，可以使通過(guò)激光束焦點(diǎn)的懸浮顆粒產(chǎn)生非常強(qiáng)的散射光。不過(guò)由于紅外雷射為單調(diào)光，其光線波長(zhǎng)為940nm，其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此對(duì)微小顆粒較不敏感。因此第2代紅外雷射光源雖然解決了成本和壽命的問(wèn)題，但同時(shí)也犧牲了對(duì)火災(zāi)煙霧當(dāng)中較小尺寸顆粒的靈敏度。

　　到了21世紀(jì)，隨著LED制造技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，LED不僅亮度越來(lái)越大，壽命也越來(lái)越長(zhǎng)。而在高亮度藍(lán)色LED成功問(wèn)世之后，其與紅色及綠色的組合可以生成任何顏色。因此現(xiàn)在LED的用途早已不再局限于指示燈，而開始應(yīng)用于各式各樣的應(yīng)用當(dāng)中。包括日常建筑當(dāng)中的各類照明燈具，戶外的路燈，汽車的頭燈，長(zhǎng)距離手電筒…等均已逐漸舍棄傳統(tǒng)光源改而采LED。因此，似乎是理所當(dāng)然的，21世紀(jì)問(wèn)世的空氣采樣式產(chǎn)品大多使用高亮度LED為探測(cè)光源，這其中包括了VESDA創(chuàng)始人馬丁科爾博士在2005年推出的Monitair，并稱其產(chǎn)品為第3代空氣采樣式煙霧探測(cè)器。

　　AVA產(chǎn)品在研發(fā)階段比較了各種不同的產(chǎn)品技術(shù)之后，使用了高功率藍(lán)光LED為探測(cè)光源。其特點(diǎn)不僅可以滿足高亮度、壽命長(zhǎng)等對(duì)探測(cè)光源的基本要求，藍(lán)光470nm的短波長(zhǎng)對(duì)尺寸較小的煙霧顆粒更為敏感，因此對(duì)所有尺寸的煙霧顆粒均能有效探測(cè)?？梢哉f(shuō)同時(shí)兼顧了第1代氙氣光源及第2代紅外雷射光源的優(yōu)點(diǎn)，卻沒有二者的缺點(diǎn)，是迄今為止最為理想的探測(cè)光源。

　　光線散射原理

　　空氣當(dāng)中的懸浮顆粒的粒徑尺寸分布大約在0.01～100μm之間，煙霧顆粒的粒徑一般較小，大約在0.01至數(shù)μm之間；而灰塵顆粒的粒徑一般較大，大約在數(shù)μm到數(shù)十μm之間。根據(jù)光線散射理論，散射光強(qiáng)度與顆粒尺寸大小及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)粒徑尺寸與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，光散射模型符合米氏散射（Mie Scattering），而當(dāng)粒徑尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，光散射模型符合瑞利散射（Rayleigh Scattering）。所謂粒徑大小可以用參數(shù)α來(lái)表示，

　　α=πD/λ

　　其中D為粒徑大小，為入射光波長(zhǎng)。當(dāng)α小于0.1時(shí)，適用瑞利散射；當(dāng)α介于0.1～50之間時(shí)，適用米氏散射。米氏散射及瑞利散射的方程式分別如下

　　瑞利散射

　　米氏散射

　　I µ Io（l）/l

　　注：米氏散射的方程式則較為復(fù)雜，無(wú)法用一個(gè)公式來(lái)表示，有文獻(xiàn)表示米氏散射與波長(zhǎng)的平方成反比。因此對(duì)比瑞利散射及米氏散射，其散射光強(qiáng)度除了與入射光強(qiáng)度成正比之外，瑞利散射與入射光波長(zhǎng)的4次方成反比，米氏散射則與入射光波長(zhǎng)的平方正反比。

　　如果比較紅外光及藍(lán)光這兩種探測(cè)光源的波長(zhǎng)，假設(shè)紅外光（雷射或LED）的波長(zhǎng)為760nm（0.76μm），藍(lán)光（雷射或LED）的波長(zhǎng)為470nm（0.47μm）。對(duì)于懸浮在空氣當(dāng)中的顆粒，當(dāng)其粒徑在0.1～10μm級(jí)別時(shí)，適用米氏散射來(lái)計(jì)算其散射光強(qiáng)度；當(dāng)粒徑在0.01～0.1μm這個(gè)級(jí)別時(shí)，其散射模型漸漸趨近于瑞利散射，粒徑越?。ㄆ┤缌叫∮?.015μm時(shí)）越適用瑞利散射來(lái)計(jì)算其散射光強(qiáng)度。瑞利散射的散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比，因此從理論上來(lái)計(jì)算，對(duì)于空氣當(dāng)中的極微小煙霧顆粒，由于紅外光及藍(lán)光波長(zhǎng)的不同，短波長(zhǎng)藍(lán)光產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度與長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光的散射光強(qiáng)度將會(huì)是6.8：1，也就是藍(lán)光的散射光強(qiáng)度會(huì)是紅外光散射光的6.8倍。而對(duì)于空氣當(dāng)中較大的煙霧顆粒，適用米氏散射來(lái)計(jì)算散射光時(shí)，短波長(zhǎng)藍(lán)光產(chǎn)生的散射光與長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度將會(huì)時(shí)2.6：1，藍(lán)光的散射光強(qiáng)度會(huì)是紅外光的2.6倍。

　　因此，相較于使用紅外雷射為探測(cè)光源的產(chǎn)品，AVA藍(lán)光光源對(duì)煙霧顆粒更為敏感，尤其是對(duì)微小煙霧顆粒更是敏感。而這點(diǎn)對(duì)于火災(zāi)探測(cè)是非常重要的，因?yàn)榛馂?zāi)在醞釀或萌芽階段燃燒產(chǎn)生的煙霧顆粒會(huì)比后期燃燒產(chǎn)品的顆粒更小，因此藍(lán)光光源對(duì)于極早期火災(zāi)探測(cè)具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

　　藍(lán)光普照

　　AVA藍(lán)光LED探測(cè)光源的另外一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)煙霧樣品進(jìn)行“三度空間”的探測(cè)，而非“點(diǎn)”的探測(cè)。

　　激光束只有在光焦點(diǎn)位置的光亮度是最強(qiáng)的，因此其煙霧探測(cè)方式事實(shí)上相當(dāng)于粒子計(jì)數(shù)方式（Particle Counter），這種方法透過(guò)單位時(shí)間內(nèi)懸浮顆粒通過(guò)光束焦點(diǎn)產(chǎn)生的散射光脈沖次數(shù)轉(zhuǎn)換成為煙霧濃度，每次檢測(cè)時(shí)是檢測(cè)單一顆粒。

　　與上述方式不同的，如下圖所示AVA藍(lán)光LED發(fā)出的高亮度光束可以同時(shí)照射到一個(gè)三度空間內(nèi)部的所有懸浮顆粒，因此空間內(nèi)每個(gè)懸浮顆粒都可以對(duì)散射光產(chǎn)生貢獻(xiàn)，這樣雖然LED的亮度不如激光束焦點(diǎn)處的亮度高，單一顆粒產(chǎn)生的散射光不如雷射光，但由于懸浮顆粒數(shù)量眾多，因此合計(jì)的散射光信號(hào)非常大，而且散射光強(qiáng)度與所有懸浮顆粒的總質(zhì)量成正比，更能準(zhǔn)確的代表空氣當(dāng)中實(shí)際的煙霧濃度大小。

　　探測(cè)器校正

　　綜上所述，基于高功率藍(lán)光LED光源對(duì)煙霧顆粒的靈敏度高于紅外雷射光源的事實(shí)，而且不同顆粒尺寸大小的散射光強(qiáng)度也不相同，微小尺寸的煙霧顆粒可以產(chǎn)生更大的散射光強(qiáng)度。因此AVA產(chǎn)品的煙霧探測(cè)器在校正時(shí)是以較大尺寸顆粒為基準(zhǔn)，使AVA產(chǎn)品在火災(zāi)燃燒產(chǎn)生較大顆粒尺寸的煙霧時(shí)，其靈敏度輸出與紅外雷射類型產(chǎn)品的靈敏度相當(dāng)。這樣當(dāng)火災(zāi)燃燒產(chǎn)生微小顆粒尺寸的煙霧時(shí)（或是在火災(zāi)醞釀萌芽階段時(shí)），其靈敏度輸出會(huì)比紅外雷射類型產(chǎn)品的靈敏度高很多。

　　圖：校正后的AVA產(chǎn)品與紅外雷射光源產(chǎn)品在不同顆粒尺寸時(shí)的煙霧濃度大小

　　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

　　下圖是AVA產(chǎn)品與市面上常見的使用紅外雷射為光源的產(chǎn)品對(duì)各種物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧濃度大小的比值，比值大于1表示AVA更為靈敏，比值小于1表示AVA較不靈敏。從圖上可以看到，對(duì)所有物質(zhì)燃燒煙霧測(cè)試，使用藍(lán)光LED的AVA靈敏度比使用紅外雷射光的產(chǎn)品更為靈敏。

　　圖：AVA產(chǎn)品與紅外雷射光源產(chǎn)品在不同物質(zhì)燃燒時(shí)的煙霧濃度輸出比值

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