降低煙霧報(bào)警器誤報(bào)率的光學(xué)傳感器解決方案

煙霧報(bào)警器是當(dāng)前建筑物的必要設(shè)備，可以提早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，降低生命與財(cái)產(chǎn)的損失，但是煙霧報(bào)警器的誤報(bào)現(xiàn)象，也常造成生活上的困擾，因此能夠判斷煙霧是來自于廚房烹調(diào)或是浴室霧氣的煙霧報(bào)警器，將能夠大幅降低煙霧報(bào)警器的誤報(bào)現(xiàn)象。本文將為您介紹煙霧報(bào)警器的測試要求，以及由ADI公司推出的光學(xué)傳感器模塊將如何應(yīng)用于煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)。

煙霧報(bào)警器的誤報(bào)

降低使用率與提高消防成本

如今的樓宇建筑配備了許多不同的傳感器，讓日常生活更加便捷，同時(shí)提供安全保護(hù)。除了環(huán)境傳感器和智能家居應(yīng)用（例如電力和供暖調(diào)節(jié)）之外，與安全相關(guān)的傳感器還承擔(dān)著重要的安全保護(hù)作用，其中包括煙霧報(bào)警器。煙霧報(bào)警器是不可或缺的設(shè)備，且法律規(guī)定必須配備，但市面上的許多煙霧報(bào)警器并不適合在廚房或浴室使用，因?yàn)榕腼儫煔饣蚱渌羝麜?huì)增加其誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。我們不能低估誤報(bào)現(xiàn)象，因?yàn)檫@會(huì)誘使用戶關(guān)閉煙霧報(bào)警器，并且因?yàn)檎`報(bào)造成不必要的消防部署而產(chǎn)生高成本。

但是，浴室和廚房缺少煙霧報(bào)警器卻是一個(gè)嚴(yán)重問題，因?yàn)檫@會(huì)增加火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是廚房?，F(xiàn)代公寓中的廚房通常與起居室融為一體，因此面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)代建筑采用大量合成建筑材料，一旦起火會(huì)迅速蔓延，所以為了準(zhǔn)確實(shí)施防火檢測，必須精準(zhǔn)部署煙霧報(bào)警器網(wǎng)絡(luò)。

全球許多標(biāo)準(zhǔn)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(qū)的標(biāo)準(zhǔn)略有不同，例如歐洲采用EN標(biāo)準(zhǔn)，北美采用UL標(biāo)準(zhǔn)，國際則采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。在2021年6月發(fā)布的最新版本（UL 268：第7版和UL 217：第8版）中，UL新增一項(xiàng)測試，即漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試。在該測試中，必須能夠區(qū)分漢堡包肉餅產(chǎn)生的煙霧濃度和易燃聚氨酯產(chǎn)生的煙霧度，這項(xiàng)測試有助于降低廚房的誤報(bào)率。

UL標(biāo)準(zhǔn)的漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試

這種漢堡包煙霧干擾測試旨在復(fù)制真正的烹飪煙霧。漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試的概念很簡單，但即使是現(xiàn)代煙霧報(bào)警器也面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)闈h堡肉餅需要煎烤一定的時(shí)間。在這個(gè)過程中，會(huì)檢查確認(rèn)煙霧報(bào)警器是否由上升的煙霧（在一定的時(shí)限內(nèi)開始上升）觸發(fā)。這也是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化測試，所以可以在相同的條件下對煙霧報(bào)警器進(jìn)行測試。以減光率測量值為參考基準(zhǔn)。在這項(xiàng)測試中，會(huì)在距離大約2米的地方放置一個(gè)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(huì)遮蔽光線。

將光束受煙霧遮蔽的程度與無煙環(huán)境中的參考信號(hào)進(jìn)行比較，可以根據(jù)減光率，得出煙霧密度和煙霧濃度。對于同樣的粒子，減光率越高，濃度越高。當(dāng)然，減光率不僅隨濃度變化，也隨粒子類型變化。根據(jù)散射截面，不同的粒子類型存在明顯差異。

減光時(shí)間也與報(bào)警觸發(fā)密切相關(guān)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，在參考系統(tǒng)中達(dá)到一定的時(shí)限，或者達(dá)到遮蔽限制后將觸發(fā)報(bào)警。因此，漢堡包干擾警報(bào)測試規(guī)定，煎烤漢堡肉餅期間，在減光率達(dá)到大于1.5%/ft之前，不得發(fā)出警報(bào)。在測試的第二階段，會(huì)點(diǎn)燃聚氨酯，用于模擬扶手椅之類的真實(shí)物體。煙霧報(bào)警器必須區(qū)分兩者之間的差異，在減光率達(dá)到5%/ft時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

由于真正的火災(zāi)煙霧和烹飪煙霧很難區(qū)分，因此這項(xiàng)測試非常具有挑戰(zhàn)性。然而，這項(xiàng)測試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測試之一。還必須使用多個(gè)完全相同的煙霧報(bào)警器來通過此項(xiàng)測試，以排除隨機(jī)結(jié)果，確保檢測器具備廣泛的高質(zhì)量密度。

煙霧報(bào)警器如何通過漢堡包煙霧干擾測試

大多數(shù)現(xiàn)代煙霧報(bào)警器都采用光電工作原理。在漢堡包煙霧干擾測試中，光束發(fā)射之后會(huì)被粒子反射。散射情況取決于粒子類型、粒子濃度和散射角度。煙霧報(bào)警器根據(jù)散射信號(hào)決定是否觸發(fā)報(bào)警器。為了通過漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試，檢測器必須具備較高的信噪比，以區(qū)分漢堡煙霧和其他類型的煙霧。

ADI公司的ADPD188BI集成光學(xué)傳感器模塊，有助于煙霧報(bào)警器制造商的產(chǎn)品通過這項(xiàng)嚴(yán)苛測試。這種新型煙霧檢測集成模塊殼體中包含兩個(gè)發(fā)射器LED，包括一個(gè)波長470 nm的藍(lán)色LED，一個(gè)波長850 nm的紅外LED，兩個(gè)發(fā)射器都位于左側(cè)的腔室內(nèi)，殼體右側(cè)是一個(gè)光電二極管和模擬前端。LED發(fā)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(qū)動(dòng)器，由內(nèi)部時(shí)隙切換。通過這些時(shí)隙，用戶能夠調(diào)節(jié)整個(gè)前端的時(shí)序，而不必不斷地重寫寄存器。

模擬前端包含一個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)環(huán)境光模擬濾波器。后者由檢測恒定環(huán)境光的帶通濾波器和檢測可變環(huán)境光（例如熒光燈發(fā)出的光線）的積分器組成。之后，集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

ADPD188BI煙霧傳感器模塊具備高集成密度，具有多項(xiàng)優(yōu)勢。由于只需要少量外部組件，所以整個(gè)系統(tǒng)更容易校準(zhǔn)。通過雙色光波長檢測，不僅支持單獨(dú)測量單個(gè)波長，還支持分析比率構(gòu)成，從而進(jìn)一步降低了誤報(bào)率。此外，此模塊比傳統(tǒng)檢測器體積小，功耗低。紅外LED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(bào)警器制造商就可以提供整體模塊解決方案。

ADPD188BI模塊的高度集成關(guān)系到漢堡包煙霧干擾測試的“成與敗”。在固定電流下，不同LED的發(fā)光強(qiáng)度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報(bào)警器制造商執(zhí)行煙霧報(bào)警器校準(zhǔn)。校準(zhǔn)LED發(fā)光強(qiáng)度與電流之間的斜率和偏移，可以確保LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。因?yàn)長ED和整個(gè)信號(hào)路徑都集成到ADPD188BI中，所以ADI公司會(huì)預(yù)先校準(zhǔn)傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。由于煙霧報(bào)警器制造商可以采用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊，因此簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

ADI公司使用的校準(zhǔn)方法是直接校準(zhǔn)LED的斜率和偏移。所以，將ADPD188BI放置在反射器下方，然后由集成的光電二極管測量反射光?？梢葬槍γ總€(gè)ADPD188BI分別確定斜率和偏移量，校準(zhǔn)系數(shù)則存儲(chǔ)在芯片的非易失性存儲(chǔ)器（即eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數(shù)，可以盡可能地減小芯片之間的差異。這意味著可以在算法中更精確地設(shè)置報(bào)警閾值，從而降低誤報(bào)率，最終通過UL測試。

適用于煙霧探測的集成光學(xué)模塊

ADI公司推出的ADPD188BI是一套利用光學(xué)雙波長技術(shù)進(jìn)行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)。該模塊集成了高效亮度學(xué)前端、兩個(gè)發(fā)光二極管（LED）和兩個(gè)光電二極管（PD）。這些器件密封在自定義封裝中，可防止LED發(fā)出的光線在進(jìn)入煙霧探測腔之前直接照射到光電二極管。

ADPD188BI應(yīng)用特定集成電路（ASIC）的前端包含一個(gè)控制塊、一個(gè)配備20位脈沖蓄能器的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和三個(gè)可獨(dú)立控制的靈活LED驅(qū)動(dòng)器?？刂齐娐钒`活的LED信號(hào)傳遞和同步檢測功能，模擬前端（AFE）具有抑制調(diào)制干擾導(dǎo)致信號(hào)失調(diào)和破壞（通常由環(huán)境光所致）的一流特性。數(shù)據(jù)輸出和功能配置通過1.8 V I2C接口或串行外設(shè)接口（SPI）端口進(jìn)行。

ADPD188BI支持UL-217版本8/UL-568版本7、EN-54、GB、ISO，使用具有更高SNR和動(dòng)態(tài)范圍的雙波長檢測器件減少干擾警報(bào)，具備3倍低功耗支持更小尺寸／更便宜的電池，集成光學(xué)模塊（3.8mm x 5mm x 0.9mm，帶1個(gè)藍(lán)色LED、1個(gè)紅外LED和2個(gè)光電二極管），可簡化EMC設(shè)計(jì)，支持更廣泛的工業(yè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)并提供少于75%的分立組件，最終測試時(shí)的環(huán)路校準(zhǔn)可減少與煙霧探測器產(chǎn)品相關(guān)的校準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

ADI公司也推出EVAL-ADPD188BIZ-S2評(píng)估板，可向用戶提供一種評(píng)估ADPD188BI光學(xué)模塊以及EVAL-CHAMBER煙室的簡單方法，適合煙霧和氣霧劑檢測應(yīng)用。該評(píng)估系統(tǒng)由EVAL-ADPD188BIZ-S2評(píng)估板、EVAL-ADPDUCZ微控制器板、可選EVAL-CHAMBER煙室和Wavetool評(píng)估軟件圖形用戶界面（GUI）組成。該軟件向用戶提供低級(jí)和高級(jí)可配置性、實(shí)時(shí)頻率和時(shí)域分析，以及用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）傳輸特性，這樣評(píng)估板可輕松與用戶開發(fā)系統(tǒng)連接。

結(jié)語

新推出的漢堡包煙霧干擾測試很難通過，因?yàn)榧蹇緷h堡肉餅時(shí)產(chǎn)生的煙霧顆粒與正常的煙霧顆粒差別不大。所以，煙霧傳感器需要具備高信噪比，以區(qū)分漢堡肉餅產(chǎn)生的煙霧和其他類型的煙霧。在這個(gè)過程中，傳感器之間的低差異具有決定性的作用。只有可靠地完成測量并通過測試，才能減少最終應(yīng)用中的煙霧傳感器誤報(bào)。ADI公司的新型集成光學(xué)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(shè)計(jì)和算法開發(fā)，將會(huì)是開發(fā)新型煙霧報(bào)警器的理想解決方案。