現代煙霧報警器——改進檢測性能並提高安全性

 

如今的樓宇建築配備了許多不同的傳感器，讓日常生活更加便捷，同時提供安全保護。除了環境傳感器和智能家居應用（例如電力和供暖調節）之(zhi)外(wai)
，與(yu)安(an)全(quan)相(xiang)關(guan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)承(cheng)擔(dan)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)安(an)全(quan)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)。其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)。煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)，且(qie)法(fa)律(lv)規(gui)定(ding)必(bi)須(xu)配(pei)備(bei)，但(dan)市(shi)麵(mian)上(shang)的(de)許(xu)多(duo)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)並(bing)不(bu)適(shi)合(he)在(zai)廚(chu)房(fang)或(huo)浴(yu)室(shi)使(shi)用(yong)
，因(yin)為(wei)烹(peng)飪(ren)煙(yan)汽(qi)或(huo)其(qi)他(ta)蒸(zheng)汽(qi)會(hui)增(zeng)加(jia)其(qi)誤(wu)報(bao)風(feng)險(xian)。我(wo)們(men)不(bu)能(neng)低(di)估(gu)誤(wu)報(bao)
，他(ta)們(men)會(hui)誘(you)使(shi)用(yong)戶(hu)關(guan)閉(bi)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)，並(bing)且(qie)因(yin)為(wei)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)消(xiao)防(fang)部(bu)署(shu)而(er)產(chan)生(sheng)高(gao)成(cheng)本(ben)。

 

danshi，yushihechufangqueshaoyanwubaojingqiqueshiyigeyanzhongwenti，yinweizhehuizengjiahuozaifengxian
，youqishichufang。xiandaigongyuzhongdechufangtongchangyuqijushirongweiyiti，yincimianlingengdadefengxian。xiandaijianzhucaiyongdalianghechengjianzhucailiao，yidanqihuohuixunsumanyan，suoyiweilezhunqueshishifanghuojiance
，bixujingzhunbushuyanwubaojingqiwangluo。

 

全球許多標準都要求通過新測試檢測不同類型的煙霧，以滿足這些新要求。不同地區的標準略有不同：歐洲采用EN標準，北美采用UL標準，國際則采用ISO標準。在2021年6月發布的最新版本（UL 268：第7版和UL 217：第8版）中，UL新xin增zeng一yi項xiang測ce試shi
，即ji漢han堡bao包bao煙yan霧wu幹gan擾rao報bao警jing測ce試shi。在zai該gai測ce試shi中zhong
，必bi須xu能neng夠gou區qu分fen漢han堡bao包bao肉rou餅bing產chan生sheng的de煙yan霧wu濃nong度du和he易yi燃ran聚ju氨an酯zhi產chan生sheng的de煙yan霧wu濃nong度du。這zhe項xiang測ce試shi有you助zhu於yu降jiang低di廚chu房fang的de誤wu報bao率lv。本ben文wen將jiang介jie紹shao這zhe項xiang測ce試shi，並bing討tao論lun如ru何he進jin行xing新xin檢jian測ce器qi設she計ji以yi通tong過guo這zhe項xiang新xin測ce試shi。

 

聚焦UL的漢堡包煙霧幹擾報警測試

 

這zhe種zhong漢han堡bao包bao煙yan霧wu幹gan擾rao測ce試shi旨zhi在zai複fu製zhi真zhen正zheng的de烹peng飪ren煙yan霧wu。漢han堡bao包bao煙yan霧wu幹gan擾rao報bao警jing測ce試shi的de概gai念nian很hen簡jian單dan
，但dan即ji使shi是shi現xian代dai煙yan霧wu報bao警jing器qi也ye麵mian臨lin著zhe一yi個ge挑tiao戰zhan：漢堡肉餅需要煎烤一定的時間。在這個過程中，會檢查確認煙霧報警器是否由上升的煙霧（在一定的時限內開始上升）chufa。zheyeshiyixiangbiaozhunhuaceshi

，suoyikeyizaiwanquanxiangtongdetiaojianxiaduisuoyouyanwubaojingqijinxingceshi。yijianguanglvceliangzhiweicankaojizhun。zaizhexiangceshizhong，huizaijulidayue2米的地方放置一個光源，其光束直徑在10到15厘米之間。使用波長為589 nm的蒸汽燈作為光源。蒸汽燈和檢測器之間的煙霧會遮蔽光線。圖1顯示參考測量設置的原理和示意圖。

 

圖1.基於UL標準的參考係統原理圖。

 

將(jiang)光(guang)束(shu)受(shou)煙(yan)霧(wu)遮(zhe)蔽(bi)的(de)程(cheng)度(du)與(yu)無(wu)煙(yan)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)參(can)考(kao)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)減(jian)光(guang)率(lv)
，得(de)出(chu)煙(yan)霧(wu)密(mi)度(du)和(he)煙(yan)霧(wu)濃(nong)度(du)。對(dui)於(yu)同(tong)樣(yang)的(de)粒(li)子(zi)，減(jian)光(guang)率(lv)越(yue)高(gao)


，濃(nong)度(du)越(yue)高(gao)。當(dang)然(ran)
，減(jian)光(guang)率(lv)不(bu)僅(jin)隨(sui)濃(nong)度(du)變(bian)化(hua)，也(ye)隨(sui)粒(li)子(zi)類(lei)型(xing)變(bian)化(hua)。根(gen)據(ju)散(san)射(she)截(jie)麵(mian)
，不(bu)同(tong)的(de)粒(li)子(zi)類(lei)型(xing)存(cun)在(zai)明(ming)顯(xian)差(cha)異(yi)。

 

減(jian)光(guang)時(shi)間(jian)也(ye)與(yu)報(bao)警(jing)觸(chu)發(fa)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)。因(yin)此(ci)
，根(gen)據(ju)該(gai)標(biao)準(zhun)
，在(zai)參(can)考(kao)係(xi)統(tong)中(zhong)達(da)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)限(xian)
，或(huo)者(zhe)達(da)到(dao)遮(zhe)蔽(bi)限(xian)製(zhi)後(hou)將(jiang)觸(chu)發(fa)報(bao)警(jing)。因(yin)此(ci)，漢(han)堡(bao)包(bao)幹(gan)擾(rao)警(jing)報(bao)測(ce)試(shi)規(gui)定(ding)，煎(jian)烤(kao)漢(han)堡(bao)肉(rou)餅(bing)期(qi)間(jian)，在(zai)減(jian)光(guang)率(lv)達(da)到(dao)大(da)於(yu)1.5%/ft之前，不得發出警報。

 

在測試的第二階段，會點燃聚氨酯，用於模擬扶手椅之類的真實物體。煙霧報警器必須區分兩者之間的差異，在減光率達到5%/ft時觸發報警。

 

由於真正的火災煙霧和烹飪煙霧很難區分，因此這項測試非常具有挑戰性。然而，這項測試隻是UL 217和UL 268中(zhong)定(ding)義(yi)的(de)眾(zhong)多(duo)測(ce)試(shi)之(zhi)一(yi)。還(hai)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)的(de)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)來(lai)通(tong)過(guo)此(ci)項(xiang)測(ce)試(shi)，以(yi)排(pai)除(chu)隨(sui)機(ji)結(jie)果(guo)，確(que)保(bao)檢(jian)測(ce)器(qi)具(ju)備(bei)廣(guang)泛(fan)的(de)高(gao)質(zhi)量(liang)密(mi)度(du)。

 

煙霧報警器如何通過這項測試

 

大多數現代煙霧報警器都采用光電工作原理。在漢堡包煙霧幹擾測試中，光束發射之後會被粒子反射。散射情況取決於粒子類型
、粒子濃度和散射角度。煙霧報警器根據散射信號決定是否觸發報警器。

 

為了通過漢堡包煙霧幹擾報警測試，檢測器必須具備較高的信噪比，以區分漢堡煙霧和其他類型的煙霧。

 

ADI公司的ADPD188BI集成光學傳感器模塊，有助於煙霧報警器製造商的產品通過這項嚴苛測試。圖2顯示ADPD188BI的工作原理。

 

圖2.ADPD188BI的工作原理。

 

這種新型煙霧檢測集成模塊殼體中包含兩個發射器LED——藍色LED波長470 nm，紅外LED波長850 nm，兩個發射器都位於左側的腔室內。殼體右側是一個光電二極管和模擬前端。LED發射光束，煙霧粒子將光束反射回光電二極管。此外還集成了LED驅動器
，由內部時隙切換。通過這些時隙，用戶能夠調節整個前端的時序
，而不必不斷地重寫寄存器。

 

模擬前端包含一個電流-電壓轉換器和一個環境光模擬濾波器。後者由檢測恒定環境光的帶通濾波器和檢測可變環境光（例如熒光燈發出的光線）的積分器組成。之後，集成的模數轉換器將電壓轉換為數字信號。

 

ADPD188BIyanwuchuanganqimokuaijubeigaojichengmidu，juyouduoxiangyoushi。youyuzhixuyaoshaoliangwaibuzujian
，suoyizhenggexitonggengrongyixiaozhun。tongguoshuangseguangbochangjiance，bujinzhichidanduceliangdangebochang，haizhichifenxibilvgoucheng
，congerjinyibujiangdilewubaolv。ciwai，cimokuaibichuantongjianceqitijixiao，gonghaodi。hongwaiLED的工作功耗為~5 μW/Hz。將LED和光電二極管完全集成到模擬前端
，煙霧報警器製造商就可以提供整體模塊解決方案。

 

ADPD188BI模塊的高度集成關係到漢堡包煙霧幹擾測試的“成與敗”。在固定電流下
，不同LED的發光強度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報警器製造商執行煙霧報警器校準。校準LED發光強度與電流之間的斜率和偏移，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現。因為LED和整個信號路徑都集成到ADPD188BI中，所以ADIgongsihuiyuxianxiaozhunchuanganqimokuai
，zheyangjiukeyijianshaoqijianzhijiandechayi。youyuyanwubaojingqizhizaoshangkeyicaiyongyuxianxiaozhundemokuai，yincijianhualexitongsheji。

 

ADI公司使用的校準方法是直接校準LED的斜率和偏移。所以，將ADPD188BI放置在反射器下方
，然後由集成的光電二極管測量反射光。可以針對每個ADPD188BI分別確定斜率和偏移量，校準係數則存儲在芯片的非易失性存儲器（即eFUSE寄存器）中(zhong)。通(tong)過(guo)讀(du)取(qu)這(zhe)些(xie)係(xi)數(shu)，可(ke)以(yi)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)減(jian)小(xiao)芯(xin)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)可(ke)以(yi)在(zai)算(suan)法(fa)中(zhong)更(geng)精(jing)確(que)地(di)設(she)置(zhi)報(bao)警(jing)閾(yu)值(zhi)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)誤(wu)報(bao)率(lv)
，最(zui)終(zhong)通(tong)過(guo)UL測試。

 

圖3顯示ADPD188BI在標準化UL測試環境中的測試結果——一次為漢堡煙霧（左），一次為易燃聚氨酯煙霧（右）。

 

圖3.APDPD188BI Ul測試結果：在無煙室中進行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測。

 

圖中顯示在兩種情況下隨時間（X軸）變化的測試結果，左側Y軸表示ADPD188BI信號。以功率傳輸比表示


，其描述LED的工作功率與光電二極管的接收功率之間的關係。功率傳輸比公式如下：

 

 

此參數允許不同的模塊相互比較。而右側的Y軸表示減光率（單位：%/ft）。綠色曲線為UL參考光束，藍色和紫色曲線分別為ADPD188BI發出的藍光和紅外信號。

 

如圖3所示
，ADPD188BIfachudeliangzhongxinhaoquxianzailiangzhongchangjingxiayouhendaqubie
，shuominggaichuanganqinenggouqingchuqufenzheliangzhongleixingdeyanwu。qizhongyigebutongzhichushixinhaosuishijiandebianhua，keyikanchu，juanzhizai220秒後達到報警閾值
，時間長度是漢堡煙霧達到報警閾值的1/4（超過1000秒後）。聚氨酯燃燒4分鍾後
，可檢測到臨界水平。

 

如圖所示
，利用傳感器的高信噪比還可清楚區分和記錄粒子濃度的變化

，例如，在易燃聚氨酯測試中，斜率突然增加。如圖3中的紅色標記。

 

此外
，ADPD188BI測量兩種波長，兩者的比率是另一個參數量，可用於校準檢測漢堡煙霧使用的可靠算法，從而判斷是否通過了漢堡包煙霧測試。

 

結論

 

為什麼說新型集成光學煙霧檢測模塊是一個重要轉折點

 

新(xin)推(tui)出(chu)的(de)漢(han)堡(bao)包(bao)煙(yan)霧(wu)幹(gan)擾(rao)測(ce)試(shi)很(hen)難(nan)通(tong)過(guo)
，因(yin)為(wei)煎(jian)烤(kao)漢(han)堡(bao)肉(rou)餅(bing)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)煙(yan)霧(wu)顆(ke)粒(li)與(yu)正(zheng)常(chang)的(de)煙(yan)霧(wu)顆(ke)粒(li)差(cha)別(bie)不(bu)大(da)。所(suo)以(yi)，煙(yan)霧(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)高(gao)信(xin)噪(zao)比(bi)，以(yi)區(qu)分(fen)漢(han)堡(bao)肉(rou)餅(bing)產(chan)生(sheng)的(de)煙(yan)霧(wu)和(he)其(qi)他(ta)類(lei)型(xing)的(de)煙(yan)霧(wu)。在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)低(di)差(cha)異(yi)具(ju)有(you)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)作(zuo)用(yong)。隻(zhi)有(you)可(ke)靠(kao)地(di)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)並(bing)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)；才能減少最終應用中的煙霧傳感器誤報。ADI公司的新型集成光學煙霧檢測模塊ADPD188BI是一款高度靈敏的集成傳感器模塊，不僅具備高信噪比
，支持雙色檢測，還能充分減少器件之間的差異，從而簡化了設計和算法開發。

 

作者簡介

 

自2015年2月至今，Christoph Kämmerer一直在德國ADI公司任職。他於2014年畢業於埃爾朗根-紐倫堡大學


，獲得物理學碩士學位。然後在利默裏克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束後，Christoph正式成為ADI公司的現場應用工程師
，專門針對新興應用領域。聯係方式：christoph.kaemmerer@analog.com。

 

 

推薦閱讀：