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）zhiwai
，yuanquanxiangguandechuanganqihaichengdanzhezhongyaodeanquanbaohuzuoyong。qizhongbaokuoyanwubaojingqi。yanwubaojingqibukehuoque，qiefalvguidingbixupeibei，danshimianshangdexuduoyanwubaojingqibingbushihezaichufanghuoyushishiyong
，yinweipengrenyanqihuoqitazhengqihuizengjiaqiwubaofengxian。womenbunengdiguwubao
，tamenhuiyoushiyonghuguanbiyanwubaojingqi
，bingqieyinweibubiyaodexiaofangbushuerchanshenggaochengben。

 

但(dan)是(shi)
，浴(yu)室(shi)和(he)廚(chu)房(fang)缺(que)少(shao)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)卻(que)是(shi)一(yi)個(ge)嚴(yan)重(zhong)問(wen)題(ti)
，因(yin)為(wei)這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)火(huo)災(zai)風(feng)險(xian)，尤(you)其(qi)是(shi)廚(chu)房(fang)。現(xian)代(dai)公(gong)寓(yu)中(zhong)的(de)廚(chu)房(fang)通(tong)常(chang)與(yu)起(qi)居(ju)室(shi)融(rong)為(wei)一(yi)體(ti)，因(yin)此(ci)麵(mian)臨(lin)更(geng)大(da)的(de)風(feng)險(xian)。現(xian)代(dai)建(jian)築(zhu)采(cai)用(yong)大(da)量(liang)合(he)成(cheng)建(jian)築(zhu)材(cai)料(liao)，一(yi)旦(dan)起(qi)火(huo)會(hui)迅(xun)速(su)蔓(man)延(yan)，所(suo)以(yi)為(wei)了(le)準(zhun)確(que)實(shi)施(shi)防(fang)火(huo)檢(jian)測(ce)，必(bi)須(xu)精(jing)準(zhun)部(bu)署(shu)煙(yan)霧(wu)報(bao)警(jing)器(qi)網(wang)絡(luo)。

 

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
，ULxinzengyixiangceshi，jihanbaobaoyanwuganraobaojingceshi。zaigaiceshizhong，bixunenggouqufenhanbaobaoroubingchanshengdeyanwunongduheyiranjuanzhichanshengdeyanwunongdu。zhexiangceshiyouzhuyujiangdichufangdewubaolv。benwenjiangjieshaozhexiangceshi，bingtaolunruhejinxingxinjianceqishejiyitongguozhexiangxinceshi。

 

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。

 

jiangguangshushouyanwuzhebidechengduyuwuyanhuanjingzhongdecankaoxinhaojinxingbijiao。keyigenjujianguanglv
，dechuyanwumiduheyanwunongdu。duiyutongyangdelizi，jianguanglvyuegao，nongduyuegao。dangran
，jianguanglvbujinsuinongdubianhua，yesuilizileixingbianhua。genjusanshejiemian，butongdelizileixingcunzaimingxianchayi。

 

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。

 

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(wai)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）zhong。tongguoduquzhexiexishu，keyijinkenengdijianxiaoxinpianzhijiandechayi。zheyiweizhekeyizaisuanfazhonggengjingquedishezhibaojingyuzhi
，congerjiangdiwubaolv，zuizhongtongguoUL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，ADPD188BI發fa出chu的de兩liang種zhong信xin號hao曲qu線xian在zai兩liang種zhong場chang景jing下xia有you很hen大da區qu別bie，說shuo明ming該gai傳chuan感gan器qi能neng夠gou清qing楚chu區qu分fen這zhe兩liang種zhong類lei型xing的de煙yan霧wu。其qi中zhong一yi個ge不bu同tong之zhi處chu是shi信xin號hao隨sui時shi間jian的de變bian化hua，可ke以yi看kan出chu
，聚ju氨an酯zhi在zai220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。

 

 

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