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）觸chu發fa。這zhe也ye是shi一yi項xiang標biao準zhun化hua測ce試shi，所suo以yi可ke以yi在zai完wan全quan相xiang同tong的de條tiao件jian下xia對dui所suo有you煙yan霧wu報bao警jing器qi進jin行xing測ce試shi。以yi減jian光guang率lv測ce量liang值zhi為wei參can考kao基ji準zhun。在zai這zhe項xiang測ce試shi中zhong，會hui在zai距ju離li大da約yue2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yu1.5%/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。

 

ADPD188BI煙yan霧wu傳chuan感gan器qi模mo塊kuai具ju備bei高gao集ji成cheng密mi度du，具ju有you多duo項xiang優you勢shi。由you於yu隻zhi需xu要yao少shao量liang外wai部bu組zu件jian
，所suo以yi整zheng個ge係xi統tong更geng容rong易yi校xiao準zhun。通tong過guo雙shuang色se光guang波bo長chang檢jian測ce，不bu僅jin支zhi持chi單dan獨du測ce量liang單dan個ge波bo長chang，還hai支zhi持chi分fen析xi比bi率lv構gou成cheng，從cong而er進jin一yi步bu降jiang低di了le誤wu報bao率lv。此ci外wai，此ci模mo塊kuai比bi傳chuan統tong檢jian測ce器qi體ti積ji小xiao，功gong耗hao低di。紅hong外waiLED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ADI公gong司si會hui預yu先xian校xiao準zhun傳chuan感gan器qi模mo塊kuai，這zhe樣yang就jiu可ke以yi減jian少shao器qi件jian之zhi間jian的de差cha異yi。由you於yu煙yan霧wu報bao警jing器qi製zhi造zao商shang可ke以yi采cai用yong預yu先xian校xiao準zhun的de模mo塊kuai，因yin此ci簡jian化hua了le係xi統tong設she計ji。

 

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guoUL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：