今天的建筑物有許多不同的傳感器，使日常生活更輕松并提供保護。除了環(huán)境傳感器和智能家居應(yīng)用（如電力和供暖調(diào)節(jié)）外，安全相關(guān)傳感器也發(fā)揮著重要作用。其中包括煙霧報警器。煙霧報警器是必不可少的，并且由法律規(guī)定，但由于烹飪蒸汽或蒸汽誤報的風(fēng)險增加，市場上的許多煙霧報警器不足以用于廚房或浴室。不應(yīng)低估誤報，因為它們會誘使用戶關(guān)閉煙霧報警器，并且由于不必要的消防部門部署，它們可能會產(chǎn)生高昂的成本。

然而，浴室和廚房缺乏煙霧報警器是一個嚴重的問題，因為火災(zāi)的可能性很高，尤其是在廚房中。這在現(xiàn)代公寓中帶來了更大的風(fēng)險，因為廚房通常集成到客廳中。在具有大量合成建筑材料的現(xiàn)代環(huán)境中，火災(zāi)迅速蔓延，因此更精細的煙霧報警器網(wǎng)絡(luò)對于準確的火災(zāi)探測非常重要。

在全球范圍內(nèi)，標準試圖通過在新的測試中規(guī)定檢測不同類型的煙霧來滿足這些新要求。不同地區(qū)的規(guī)定略有不同：EN 適用于歐洲，UL 適用于北美，ISO 適用于國際。最新版本將于 2021 年 6 月發(fā)布 （UL 268： 7千版本和 UL 217：8千版），UL引入了一項稱為漢堡包滋擾警報測試的附加測試。在該測試中，必須將指定濃度的漢堡肉餅煙霧與確定濃度的燃燒聚氨酯區(qū)分開來。該測試應(yīng)有助于降低廚房的誤報率。在本文中，我們將解釋測試并討論必須如何設(shè)計新的探測器技術(shù)才能通過這項新測試。

揭示 UL 的漢堡包滋擾警報測試

這個漢堡包滋擾測試是為了復(fù)制真實的烹飪煙霧而創(chuàng)建的。漢堡包滋擾報警器測試背后的概念很簡單，但即使是現(xiàn)代煙霧報警器也面臨著挑戰(zhàn)——漢堡肉餅要烤特定的時間。在此過程中，檢查煙霧報警器是否由上升的煙霧觸發(fā)（從定義的限制開始）。該測試自然是標準化的，因此所有煙霧報警器都可以在相同的條件下進行測試。遮擋測量值用作參考。對于此測試，在大約 2 m 的距離處設(shè)置直徑為 10 cm 至 15 cm 的光源。使用定義波長為589nm的蒸汽燈作為光源。位于燈和探測器之間的煙霧會遮擋光線。圖1顯示了參考測量設(shè)置和原理的示意圖。

圖1.根據(jù) UL 說明參考系統(tǒng)的原理圖。

將煙霧對光束的遮擋與無煙房間中的參考信號進行比較。根據(jù)遮蔽可以得出關(guān)于煙霧密度和煙霧濃度的結(jié)論。對于相同的顆粒，遮蔽量越高，濃度越高。當然，遮蔽不僅隨濃度而變化，還隨顆粒類型而變化。這是基于散射截面，并且因顆粒類型而異。

遮蔽時間作為警報生成的附加組件發(fā)揮作用。因此，根據(jù)標準，在一定時間限制或參考系統(tǒng)中達到遮蔽限制后觸發(fā)警報。因此，漢堡包滋擾警報規(guī)定，在漢堡肉餅烤制期間，警報不得響起，直到達到大于 1.5%/英尺的遮擋。

聚氨酯可以模擬扶手椅等真實物體，在測試的第二部分著火。煙霧報警器必須識別差異，并在 5%/ft 的遮蔽處觸發(fā)報警。

這是極具挑戰(zhàn)性的，因為兩種類型的煙霧，真正的火煙和烹飪煙，很難分辨。然而，該測試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測試之一。幾個相同的煙霧報警器也必須通過此測試，以便排除隨機結(jié)果并保證探測器之間的廣泛質(zhì)量密度。

煙霧報警器如何通過此測試

大多數(shù)現(xiàn)代煙霧報警器都具有光電工作原理。對于漢堡包滋擾測試，粒子會發(fā)射和反射光束。散射取決于顆粒類型、顆粒濃度和散射角。根據(jù)散射信號，煙霧報警器決定是否觸發(fā)報警。

為了通過漢堡包滋擾警報測試，探測器必須具有高信噪比，以便將漢堡包煙霧與其他類型的煙霧區(qū)分開來。ADI公司的ADPD188BI集成光學(xué)傳感器模塊為煙霧報警器制造商提供了能夠通過這一艱難考驗的技術(shù)。圖2顯示了ADPD188BI的工作原理。

圖2.ADPD188BI的工作原理。

這種用于煙霧探測的新型集成模塊由一個帶有兩個發(fā)射器 LED 的外殼組成——波長為 470 nm 的藍色和波長為 850 nm 的紅外線——位于其左側(cè)的空腔中。光電二極管和模擬前端位于外殼的右側(cè)。LED發(fā)光，煙霧顆粒將光偏轉(zhuǎn)回光電二極管。LED 驅(qū)動器由內(nèi)部時隙集成和切換。這些時隙使用戶能夠調(diào)節(jié)整個前端的時序，而無需不斷重寫寄存器。

模擬前端由電流電壓轉(zhuǎn)換器和用于環(huán)境光的模擬濾波器組成。后者由用于恒定環(huán)境光的帶通濾光片和用于可變環(huán)境光的積分器組成，例如，由熒光燈發(fā)射。然后，集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

由于集成密度高，ADPD188BI煙霧傳感器模塊具有許多優(yōu)點。由于只需要幾個外部元件，因此可以更輕松地校準整個系統(tǒng)。雙色光波長檢測進一步減少了誤報，因為除了單獨測量每個波長外，還可以形成比率。此外，該模塊體積小，功耗低于傳統(tǒng)探測器。紅外 LED 運行時的功耗為 ~5 μW/Hz。 將 LED 和光電二極管完全集成到模擬前端中，使煙霧報警器制造商能夠提供單模塊解決方案。

ADPD188BI模塊的高度集成度導(dǎo)致漢堡包滋擾測試的“成敗”。LED在固定電流下的發(fā)光強度方面通常具有很高的器件間變化，因此傳統(tǒng)上煙霧報警器校準必須由煙霧報警器制造商執(zhí)行。校準斜率和LED發(fā)光強度與電流的偏移可確保所有LED的行為方式相同。由于LED和完整的信號路徑集成在ADPD188BI中，ADI公司對傳感器模塊進行預(yù)校準。因此，減少了部件間差異的擴散。由于煙霧報警器制造商可以使用預(yù)先校準的模塊，這簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

ADI公司使用的校準方法直接針對斜率和LED偏移的校準。為此，ADPD188BI放置在反射器下方。反射回來的光由集成光電二極管測量。每個ADPD188BI的斜率和失調(diào)可以單獨確定，校準系數(shù)存儲在芯片的非易失性存儲器（eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數(shù)，可以將芯片變異性降至最低。這意味著可以在算法中更明確地設(shè)置報警閾值，減少誤報，最終可以通過UL測試。

圖 3 顯示了標準化 UL 測試環(huán)境中的 ADPD188BI 樣品，一次使用漢堡包煙霧（左），一次使用燃燒聚氨酯（右）。

圖3.APDPD188BI UL 無室內(nèi)環(huán)境中漢堡包煙霧和燃燒聚氨酯測試結(jié)果。

在每種情況下，圖都隨時間（x軸）顯示，ADPD188BI信號位于左側(cè)y軸上。這作為功率傳輸比給出，它描述了LED的工作功率與光電二極管的接收功率之間的關(guān)系。描述功率傳輸比的公式如下：

這個數(shù)量允許各種模塊相互比較。相反，右側(cè) y 軸以 %/ft 為單位顯示遮擋級別。綠色曲線表示UL參考光束，藍色和紫色曲線分別表示來自ADPD188BI的藍色和紅外信號。

如圖3所示，ADPD188BI的兩條信號曲線在兩種情況下非常不同，表明傳感器可以清楚地區(qū)分煙霧類型。一個區(qū)別是信號隨時間的變化，這表明聚氨酯在漢堡包煙霧的四分之一時間內(nèi)（220 秒后）達到警報閾值（超過 1000 秒后）。對于聚氨酯，4分鐘后已經(jīng)檢測到臨界水平。

傳感器的高信噪比還可以清楚地區(qū)分和記錄顆粒濃度的變化，例如，在燃燒聚氨酯的情況下斜率突然增加。這在圖 3 中以紅色標記。

此外，ADPD188BI測量兩個波長，其比率代表另一個量，用于校準用于檢測漢堡包煙霧的魯棒算法，從而通過漢堡包測試。

結(jié)論

為什么用于煙霧探測的新型集成光學(xué)模塊是一個轉(zhuǎn)折點

新引入的漢堡包滋擾測試很難通過，因為燒焦的漢堡肉餅產(chǎn)生的煙霧顆粒與普通煙霧沒有太大區(qū)別。因此，煙霧傳感器需要高信噪比，以區(qū)分漢堡肉餅煙霧和其他類型的煙霧。傳感器部件間差異小，在這方面起著決定性的作用。測量和測試完成并通過更可靠;這樣，在最終應(yīng)用中產(chǎn)生的誤報更少。ADI公司采用用于煙霧檢測的新型集成光學(xué)模塊ADPD188BI，提供高靈敏度、集成傳感器模塊，不僅具有高信噪比和雙色檢測功能，而且器件間差異最小，從而簡化了設(shè)計和算法開發(fā)。

審核編輯：郭婷