現(xiàn)代煙霧報(bào)警器——改進(jìn)檢測(cè)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(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)警器不可或缺，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)榕腼儫熎蚱渌羝麜?huì)增加其誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。我們不能低估誤報(bào)，他們會(huì)誘使用戶(hù)關(guān)閉煙霧報(bào)警器，并且因?yàn)椴槐匾南啦渴鸲a(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(wèn)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(cè)，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(guò)新測(cè)試檢測(cè)不同類(lèi)型的煙霧，以滿(mǎn)足這些新要求。不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)略有不同：歐洲采用EN標(biāo)準(zhǔn)，北美采用UL標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)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(cè)試，即漢堡包煙霧干擾報(bào)警測(cè)試。在該測(cè)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)生的煙霧濃度。這項(xiàng)測(cè)試有助于降低廚房的誤報(bào)率。本文將介紹這項(xiàng)測(cè)試，并討論如何進(jìn)行新檢測(cè)器設(shè)計(jì)以通過(guò)這項(xiàng)新測(cè)試。

 

聚焦UL的漢堡包煙霧干擾報(bào)警測(cè)試

 

這種漢堡包煙霧干擾測(cè)試旨在復(fù)制真正的烹飪煙霧。漢堡包煙霧干擾報(bào)警測(cè)試的概念很簡(jiǎn)單，但即使是現(xiàn)代煙霧報(bào)警器也面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)：漢堡肉餅需要煎烤一定的時(shí)間。在這個(gè)過(guò)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(kāi)始上升）觸發(fā)。這也是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，所以可以在完全相同的條件下對(duì)所有煙霧報(bào)警器進(jìn)行測(cè)試。以減光率測(cè)量值為參考基準(zhǔn)。在這項(xiàng)測(cè)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(zhǎng)為589 nm的蒸汽燈作為光源。蒸汽燈和檢測(cè)器之間的煙霧會(huì)遮蔽光線。圖1顯示參考測(cè)量設(shè)置的原理和示意圖。

 

圖1.基于UL標(biāo)準(zhǔn)的參考系統(tǒng)原理圖。

 

將光束受煙霧遮蔽的程度與無(wú)煙環(huán)境中的參考信號(hào)進(jìn)行比較?？梢愿鶕?jù)減光率，得出煙霧密度和煙霧濃度。對(duì)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(lèi)型變化。根據(jù)散射截面，不同的粒子類(lèi)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)。因此，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(cè)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(cè)試的第二階段，會(huì)點(diǎn)燃聚氨酯，用于模擬扶手椅之類(lèi)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(cè)試非常具有挑戰(zhàn)性。然而，這項(xiàng)測(cè)試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測(cè)試之一。還必須使用多個(gè)完全相同的煙霧報(bào)警器來(lái)通過(guò)此項(xiàng)測(cè)試，以排除隨機(jī)結(jié)果，確保檢測(cè)器具備廣泛的高質(zhì)量密度。

 

煙霧報(bào)警器如何通過(guò)這項(xiàng)測(cè)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(cè)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(lèi)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(guò)漢堡包煙霧干擾報(bào)警測(cè)試，檢測(cè)器必須具備較高的信噪比，以區(qū)分漢堡煙霧和其他類(lèi)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(guò)這項(xiàng)嚴(yán)苛測(cè)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(cè)集成模塊殼體中包含兩個(gè)發(fā)射器LED——藍(lán)色LED波長(zhǎng)470 nm，紅外LED波長(zhǎng)850 nm，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(guò)這些時(shí)隙，用戶(hù)能夠調(diào)節(jié)整個(gè)前端的時(shí)序，而不必不斷地重寫(xiě)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(cè)恒定環(huán)境光的帶通濾波器和檢測(cè)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(shì)。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(guò)雙色光波長(zhǎng)檢測(cè)，不僅支持單獨(dú)測(cè)量單個(gè)波長(zhǎng)，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(cè)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(cè)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(guò)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，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。因?yàn)長(zhǎng)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(jiǎn)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(cè)量反射光?？梢葬槍?duì)每個(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(guò)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(guò)UL測(cè)試。

 

圖3顯示ADPD188BI在標(biāo)準(zhǔn)化UL測(cè)試環(huán)境中的測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果：在無(wú)煙室中進(jìn)行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測(cè)。

 

圖中顯示在兩種情況下隨時(shí)間（X軸）變化的測(cè)試結(jié)果，左側(cè)Y軸表示ADPD188BI信號(hào)。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(guān)系。功率傳輸比公式如下：

 

 

此參數(shù)允許不同的模塊相互比較。而右側(cè)的Y軸表示減光率（單位：%/ft）。綠色曲線為UL參考光束，藍(lán)色和紫色曲線分別為ADPD188BI發(fā)出的藍(lán)光和紅外信號(hào)。

 

如圖3所示，ADPD188BI發(fā)出的兩種信號(hào)曲線在兩種場(chǎng)景下有很大區(qū)別，說(shuō)明該傳感器能夠清楚區(qū)分這兩種類(lèi)型的煙霧。其中一個(gè)不同之處是信號(hào)隨時(shí)間的變化，可以看出，聚氨酯在220秒后達(dá)到報(bào)警閾值，時(shí)間長(zhǎng)度是漢堡煙霧達(dá)到報(bào)警閾值的1/4（超過(guò)1000秒后）。聚氨酯燃燒4分鐘后，可檢測(cè)到臨界水平。

 

如圖所示，利用傳感器的高信噪比還可清楚區(qū)分和記錄粒子濃度的變化，例如，在易燃聚氨酯測(cè)試中，斜率突然增加。如圖3中的紅色標(biāo)記。

 

此外，ADPD188BI測(cè)量?jī)煞N波長(zhǎng)，兩者的比率是另一個(gè)參數(shù)量，可用于校準(zhǔn)檢測(cè)漢堡煙霧使用的可靠算法，從而判斷是否通過(guò)了漢堡包煙霧測(cè)試。

 

結(jié)論

 

為什么說(shuō)新型集成光學(xué)煙霧檢測(cè)模塊是一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)

 

新推出的漢堡包煙霧干擾測(cè)試很難通過(guò)，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(lèi)型的煙霧。在這個(gè)過(guò)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(cè)量并通過(guò)測(cè)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(cè)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(cè)，還能充分減少器件之間的差異，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和算法開(kāi)發(fā)。

 

作者簡(jiǎn)介

 

自2015年2月至今，Christoph Kämmerer一直在德國(guó)ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。然后在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開(kāi)發(fā)實(shí)習(xí)生。2016年12月培訓(xùn)生項(xiàng)目結(jié)束后，Christoph正式成為ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，專(zhuān)門(mén)針對(duì)新興應(yīng)用領(lǐng)域。聯(lián)系方式：christoph.kaemmerer@analog.com。

 

 

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