本文针对空气采样式烟雾探测器探测光源的发展作了介绍，自1980年代澳大利亚IEI公司的马丁科尔博士成功的将昂贵、复杂的实验室级别比浊计商品化，并以VESDA（Very Early Smoke Detection Apparatus）为品牌开创了消防报警系统当中独特的空气采样式感烟火灾探测技术以来，已经历了30年的发展历史。此类产品也随之近代科技技术的发展而进步，其中最明显的发展大概就是探测光源的演进了。此类产品的烟雾颗粒探测原理均为光散射（Light Scattering），这种方式通过检测光线（光源）照射烟雾颗粒时产生的散射光大小来检测烟雾浓度，而散射光信号大小与光源本身的亮度、波长及角度等有关，因此探测光源在探测烟雾的灵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等型号的吸气式感烟火灾探测器使用氙气灯（Xenon）做为探测光源。氙气灯的亮度非常高且为宽带光，光谱当中包含短波长到长波长的各种波长，因此对空气当中各种尺寸的悬浮颗粒均敏感，就烟雾探测性能来说是非常良好的探测光源。不过由于氙气灯的成本高，而且亮度会随着时间而逐渐降低。因此每2年探测器就需要进行校正，日后运行维护成本较高。

　　当90年代，随着半导体镭射（激光）技术的发展及普及，很自然的，不同的厂家的产品（包括Kidde Hart Laser、AirSense Stratos-HSSD及VESDA LaserPLUS）均不约而同的使用红外雷射（激光）作为探测光源。红外雷射的优点是寿命长，在光束聚焦点的光强度非常高，可以使通过激光束焦点的悬浮颗粒产生非常强的散射光。不过由于红外雷射为单调光，其光线波长为940nm，其波长较长，因此对微小颗粒较不敏感。因此第2代红外雷射光源虽然解决了成本和寿命的问题，但同时也牺牲了对火灾烟雾当中较小尺寸颗粒的灵敏度。

　　到了21世纪，随着LED制造技术突飞猛进的发展，LED不仅亮度越来越大，寿命也越来越长。而在高亮度蓝色LED成功问世之后，其与红色及绿色的组合可以生成任何颜色。因此现在LED的用途早已不再局限于指示灯，而开始应用于各式各样的应用当中。包括日常建筑当中的各类照明灯具，户外的路灯，汽车的头灯，长距离手电筒…等均已逐渐舍弃传统光源改而采LED。因此，似乎是理所当然的，21世纪问世的空气采样式产品大多使用高亮度LED为探测光源，这其中包括了VESDA创始人马丁科尔博士在2005年推出的Monitair，并称其产品为第3代空气采样式烟雾探测器。

　　AVA产品在研发阶段比较了各种不同的产品技术之后，使用了高功率蓝光LED为探测光源。其特点不仅可以满足高亮度、寿命长等对探测光源的基本要求，蓝光470nm的短波长对尺寸较小的烟雾颗粒更为敏感，因此对所有尺寸的烟雾颗粒均能有效探测。可以说同时兼顾了第1代氙气光源及第2代红外雷射光源的优点，却没有二者的缺点，是迄今为止最为理想的探测光源。

　　光线散射原理

　　空气当中的悬浮颗粒的粒径尺寸分布大约在0.01～100μm之间，烟雾颗粒的粒径一般较小，大约在0.01至数μm之间；而灰尘颗粒的粒径一般较大，大约在数μm到数十μm之间。根据光线散射理论，散射光强度与颗粒尺寸大小及入射光的波长有关，当粒径尺寸与入射光波长相当时，光散射模型符合米氏散射（Mie Scattering），而当粒径尺寸远小于入射光波长时，光散射模型符合瑞利散射（Rayleigh Scattering）。所谓粒径大小可以用参数α来表示，

　　α=πD/λ

　　其中D为粒径大小，为入射光波长。当α小于0.1时，适用瑞利散射；当α介于0.1～50之间时，适用米氏散射。米氏散射及瑞利散射的方程式分别如下

　　瑞利散射

　　米氏散射

　　I µ Io（l）/l

　　注：米氏散射的方程式则较为复杂，无法用一个公式来表示，有文献表示米氏散射与波长的平方成反比。因此对比瑞利散射及米氏散射，其散射光强度除了与入射光强度成正比之外，瑞利散射与入射光波长的4次方成反比，米氏散射则与入射光波长的平方正反比。

　　如果比较红外光及蓝光这两种探测光源的波长，假设红外光（雷射或LED）的波长为760nm（0.76μm），蓝光（雷射或LED）的波长为470nm（0.47μm）。对于悬浮在空气当中的颗粒，当其粒径在0.1～10μm级别时，适用米氏散射来计算其散射光强度；当粒径在0.01～0.1μm这个级别时，其散射模型渐渐趋近于瑞利散射，粒径越小（譬如粒径小于0.015μm时）越适用瑞利散射来计算其散射光强度。瑞利散射的散射光强度与波长的4次方成反比，因此从理论上来计算，对于空气当中的极微小烟雾颗粒，由于红外光及蓝光波长的不同，短波长蓝光产生的散射光强度与长波长红外光的散射光强度将会是6.8：1，也就是蓝光的散射光强度会是红外光散射光的6.8倍。而对于空气当中较大的烟雾颗粒，适用米氏散射来计算散射光时，短波长蓝光产生的散射光与长波长红外光产生的散射光强度将会时2.6：1，蓝光的散射光强度会是红外光的2.6倍。

　　因此，相较于使用红外雷射为探测光源的产品，AVA蓝光光源对烟雾颗粒更为敏感，尤其是对微小烟雾颗粒更是敏感。而这点对于火灾探测是非常重要的，因为火灾在酝酿或萌芽阶段燃烧产生的烟雾颗粒会比后期燃烧产品的颗粒更小，因此蓝光光源对于极早期火灾探测具有非常大的优势。

　　蓝光普照

　　AVA蓝光LED探测光源的另外一个特点是对烟雾样品进行“三度空间”的探测，而非“点”的探测。

　　激光束只有在光焦点位置的光亮度是最强的，因此其烟雾探测方式事实上相当于粒子计数方式（Particle Counter），这种方法透过单位时间内悬浮颗粒通过光束焦点产生的散射光脉冲次数转换成为烟雾浓度，每次检测时是检测单一颗粒。

　　与上述方式不同的，如下图所示AVA蓝光LED发出的高亮度光束可以同时照射到一个三度空间内部的所有悬浮颗粒，因此空间内每个悬浮颗粒都可以对散射光产生贡献，这样虽然LED的亮度不如激光束焦点处的亮度高，单一颗粒产生的散射光不如雷射光，但由于悬浮颗粒数量众多，因此合计的散射光信号非常大，而且散射光强度与所有悬浮颗粒的总质量成正比，更能准确的代表空气当中实际的烟雾浓度大小。

　　探测器校正

　　综上所述，基于高功率蓝光LED光源对烟雾颗粒的灵敏度高于红外雷射光源的事实，而且不同颗粒尺寸大小的散射光强度也不相同，微小尺寸的烟雾颗粒可以产生更大的散射光强度。因此AVA产品的烟雾探测器在校正时是以较大尺寸颗粒为基准，使AVA产品在火灾燃烧产生较大颗粒尺寸的烟雾时，其灵敏度输出与红外雷射类型产品的灵敏度相当。这样当火灾燃烧产生微小颗粒尺寸的烟雾时（或是在火灾酝酿萌芽阶段时），其灵敏度输出会比红外雷射类型产品的灵敏度高很多。

　　图：校正后的AVA产品与红外雷射光源产品在不同颗粒尺寸时的烟雾浓度大小

　　实测数据对比

　　下图是AVA产品与市面上常见的使用红外雷射为光源的产品对各种物质燃烧产生的烟雾浓度大小的比值，比值大于1表示AVA更为灵敏，比值小于1表示AVA较不灵敏。从图上可以看到，对所有物质燃烧烟雾测试，使用蓝光LED的AVA灵敏度比使用红外雷射光的产品更为灵敏。

　　图：AVA产品与红外雷射光源产品在不同物质燃烧时的烟雾浓度输出比值

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