光學傳感器模塊在煙霧報警器的應用方案

降低煙霧報警器誤報率的

光學傳感器解決方案

煙霧報警器是當前建筑物的必要設備，可以提早發(fā)現(xiàn)火災，降低生命與財產的損失，但是煙霧報警器的誤報現(xiàn)象，也常造成生活上的困擾，因此能夠判斷煙霧是來自于廚房烹調或是浴室霧氣的煙霧報警器，將能夠大幅降低煙霧報警器的誤報現(xiàn)象。本文將為您介紹煙霧報警器的測試要求，以及由ADI公司推出的光學傳感器模塊將如何應用于煙霧報警器的設計。

煙霧報警器的誤報

降低使用率與提高消防成本

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(huán)境傳感器和智能家居應用（例如電力和供暖調節(jié)）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。煙霧報警器是不可或缺的設備，且法律規(guī)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，因為烹飪煙氣或其他蒸汽會增加其誤報風險。我們不能低估誤報現(xiàn)象，因為這會誘使用戶關閉煙霧報警器，并且因為誤報造成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?，F(xiàn)代公寓中的廚房通常與起居室融為一體，因此面臨更大的風險。現(xiàn)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(qū)的標準略有不同，例如歐洲采用EN標準，北美采用UL標準，國際則采用ISO標準。在2021年6月發(fā)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(qū)分漢堡包肉餅產生的煙霧濃度和易燃聚氨酯產生的煙霧度，這項測試有助于降低廚房的誤報率。

UL標準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(xiàn)代煙霧報警器也面臨著一個挑戰(zhàn)，因為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(fā)。這也是一項標準化測試，所以可以在相同的條件下對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。

將光束受煙霧遮蔽的程度與無煙環(huán)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(fā)密切相關，根據該標準，在參考系統(tǒng)中達到一定的時限，或者達到遮蔽限制后將觸發(fā)報警。因此，漢堡包干擾警報測試規(guī)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(fā)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(qū)分兩者之間的差異，在減光率達到5%/ft時觸發(fā)報警。

由于真正的火災煙霧和烹飪煙霧很難區(qū)分，因此這項測試非常具有挑戰(zhàn)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漢堡包煙霧干擾測試

大多數現(xiàn)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(fā)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(fā)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(qū)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，有助于煙霧報警器制造商的產品通過這項嚴苛測試。這種新型煙霧檢測集成模塊殼體中包含兩個發(fā)射器LED，包括一個波長470 nm的藍色LED，一個波長850 nm的紅外LED，兩個發(fā)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(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驅動器，由內部時隙切換。通過這些時隙，用戶能夠調節(jié)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(huán)境光模擬濾波器。后者由檢測恒定環(huán)境光的帶通濾波器和檢測可變環(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(yōu)勢。由于只需要少量外部組件，所以整個系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(zhí)行煙霧報警器校準。校準LED發(fā)光強度與電流之間的斜率和偏移，可以確保LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。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(tǒng)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。

適用于煙霧探測的集成光學模塊

ADI公司推出的ADPD188BI是一套利用光學雙波長技術進行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)。該模塊集成了高效亮度學前端、兩個發(fā)光二極管（LED）和兩個光電二極管（PD）。這些器件密封在自定義封裝中，可防止LED發(fā)出的光線在進入煙霧探測腔之前直接照射到光電二極管。

ADPD188BI應用特定集成電路（ASIC）的前端包含一個控制塊、一個配備20位脈沖蓄能器的14位模數轉換器（ADC）和三個可獨立控制的靈活LED驅動器。控制電路包括靈活的LED信號傳遞和同步檢測功能，模擬前端（AFE）具有抑制調制干擾導致信號失調和破壞（通常由環(huán)境光所致）的一流特性。數據輸出和功能配置通過1.8 V I2C接口或串行外設接口（SPI）端口進行。

ADPD188BI支持UL-217版本8/UL-568版本7、EN-54、GB、ISO，使用具有更高SNR和動態(tài)范圍的雙波長檢測器件減少干擾警報，具備3倍低功耗支持更小尺寸／更便宜的電池，集成光學模塊（3.8mm x 5mm x 0.9mm，帶1個藍色LED、1個紅外LED和2個光電二極管），可簡化EMC設計，支持更廣泛的工業(yè)設計選項并提供少于75%的分立組件，最終測試時的環(huán)路校準可減少與煙霧探測器產品相關的校準挑戰(zhàn)。

ADI公司也推出EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板，可向用戶提供一種評估ADPD188BI光學模塊以及EVAL-CHAMBER煙室的簡單方法，適合煙霧和氣霧劑檢測應用。該評估系統(tǒng)由EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板、EVAL-ADPDUCZ微控制器板、可選EVAL-CHAMBER煙室和Wavetool評估軟件圖形用戶界面（GUI）組成。該軟件向用戶提供低級和高級可配置性、實時頻率和時域分析，以及用戶數據報協(xié)議（UDP）傳輸特性，這樣評估板可輕松與用戶開發(fā)系統(tǒng)連接。

結語

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(qū)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(fā)，將會是開發(fā)新型煙霧報警器的理想解決方案。

審核編輯：湯梓紅