現代煙霧報警器--改進檢測性能并提高安全性
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）之外，與安全相關的傳感器還承擔著重要的安全保護作用。其中包括煙霧報警器。煙霧報警器不可或缺，且法律規定必須配備，但市面上的許多煙霧報警器并不適合在廚房或浴室使用，因為烹飪煙汽或其他蒸汽會增加其誤報風險。我們不能低估誤報，他們會誘使用戶關閉煙霧報警器，并且因為不必要的消防部署而產生高成本。
但是，浴室和廚房缺少煙霧報警器卻是一個嚴重問題，因為這會增加火災風險，尤其是廚房。現代公寓中的廚房通常與起居室融為一體，因此面臨更大的風險。現代建筑采用大量合成建筑材料，一旦起火會迅速蔓延，所以為了準確實施防火檢測，必須精準部署煙霧報警器網絡。
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新增一項測試，即漢堡包煙霧干擾報警測試。在該測試中，必須能夠區分漢堡包肉餅產生的煙霧濃度和易燃聚氨酯產生的煙霧濃度。這項測試有助于降低廚房的誤報率。本文將介紹這項測試，并討論如何進行新檢測器設計以通過這項新測試。
聚焦UL的漢堡包煙霧干擾報警測試
這種漢堡包煙霧干擾測試旨在復制真正的烹飪煙霧。漢堡包煙霧干擾報警測試的概念很簡單，但即使是現代煙霧報警器也面臨著一個挑戰：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）觸發。這也是一項標準化測試，所以可以在完全相同的條件下對所有煙霧報警器進行測試。以減光率測量值為參考基準。在這項測試中，會在距離大約2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.基于UL標準的參考系統原理圖。
將光束受煙霧遮蔽的程度與無煙環境中的參考信號進行比較。可以根據減光率，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。當然，減光率不僅隨濃度變化，也隨粒子類型變化。根據散射截面，不同的粒子類型存在明顯差異。
減光時間也與報警觸發密切相關。因此，根據該標準，在參考系統中達到一定的時限，或者達到遮蔽限制后將觸發報警。因此，漢堡包干擾警報測試規定，煎烤漢堡肉餅期間，在減光率達到大于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，用于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。
由于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，這項測試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測試之一。還必須使用多個完全相同的煙霧報警器來通過此項測試，以排除隨機結果，確保檢測器具備廣泛的高質量密度。
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。在漢堡包煙霧干擾測試中，光束發射之后會被粒子反射。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干擾報警測試，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。
Analog Devices' ADPD188BI integrated optical sensor module equips smoke alarm manufacturers with the technology that can pass this difficult test. Figure 2 demonstrates the working principle of the ADPD188BI.
ADI公司的ADPD188BI 集成光學傳感器模塊，有助于煙霧報警器制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，兩個發射器都位于左側的腔室內。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。后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。之后，集成的模數轉換器將電壓轉換為數字信號。
ADPD188BI煙霧傳感器模塊具備高集成密度，具有多項優勢。由于只需要少量外部組件，所以整個系統更容易校準。通過雙色光波長檢測，不僅支持單獨測量單個波長，還支持分析比率構成，從而進一步降低了誤報率。此外，此模塊比傳統檢測器體積小，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的發光強度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報警器制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ADI公司會預先校準傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。由于煙霧報警器制造商可以采用預先校準的模塊，因此簡化了系統設計。
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，然后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，校準系數則存儲在芯片的非易失性存儲器（即eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數，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置報警閾值，從而降低誤報率，最終通過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系。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，ADPD188BI發出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區別，說明該傳感器能夠清楚區分這兩種類型的煙霧。其中一個不同之處是信號隨時間的變化，可以看出，聚氨酯在220秒后達到報警閾值，時間長度是漢堡煙霧達到報警閾值的1/4（超過1000秒后）。聚氨酯燃燒4分鐘后，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，可用于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
為什么說新型集成光學煙霧檢測模塊是一個重要轉折點
新推出的漢堡包煙霧干擾測試很難通過，因為煎烤漢堡肉餅時產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，以區分漢堡肉餅產生的煙霧和其他類型的煙霧。在這個過程中，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 K?mmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業于埃爾朗根-紐倫堡大學，獲得物理學碩士學位。然后在利默里克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束后，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。