降低誤報(bào)率—煙霧報(bào)警器如何通過漢堡包滋擾報(bào)警測試

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(hù)。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(bào)警器。煙霧報(bào)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(bào)的風(fēng)險(xiǎn)增加，市場上的許多煙霧報(bào)警器不足以用于廚房或浴室。不應(yīng)低估誤報(bào)，因?yàn)樗鼈儠T使用戶關(guān)閉煙霧報(bào)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(bào)警器是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)榛馂?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(xiǎn)，因?yàn)閺N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(xì)的煙霧報(bào)警器網(wǎng)絡(luò)對于準(zhǔn)確的火災(zāi)探測非常重要。

在全球范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)稱為漢堡包滋擾警報(bào)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(bào)率。在本文中，我們將解釋測試并討論必須如何設(shè)計(jì)新的探測器技術(shù)才能通過這項(xiàng)新測試。

揭示 UL 的漢堡包滋擾警報(bào)測試

這個(gè)漢堡包滋擾測試是為了復(fù)制真實(shí)的烹飪煙霧而創(chuàng)建的。漢堡包滋擾報(bào)警器測試背后的概念很簡單，但即使是現(xiàn)代煙霧報(bào)警器也面臨著挑戰(zhàn)——漢堡肉餅要烤特定的時(shí)間。在此過程中，檢查煙霧報(bào)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(biāo)準(zhǔn)化的，因此所有煙霧報(bào)警器都可以在相同的條件下進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(shí)間作為警報(bào)生成的附加組件發(fā)揮作用。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在一定時(shí)間限制或參考系統(tǒng)中達(dá)到遮蔽限制后觸發(fā)警報(bào)。因此，漢堡包滋擾警報(bào)規(guī)定，在漢堡肉餅烤制期間，警報(bào)不得響起，直到達(dá)到大于 1.5%/英尺的遮擋。

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

這是極具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)閮煞N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(gè)相同的煙霧報(bào)警器也必須通過此測試，以便排除隨機(jī)結(jié)果并保證探測器之間的廣泛質(zhì)量密度。

煙霧報(bào)警器如何通過此測試

大多數(shù)現(xiàn)代煙霧報(bào)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(bào)警器決定是否觸發(fā)報(bào)警。

為了通過漢堡包滋擾警報(bào)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(bào)警器制造商提供了能夠通過這一艱難考驗(yàn)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(gè)帶有兩個(gè)發(fā)射器 LED 的外殼組成——波長為 470 nm 的藍(lán)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(shí)隙集成和切換。這些時(shí)隙使用戶能夠調(diào)節(jié)整個(gè)前端的時(shí)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(diǎn)。由于只需要幾個(gè)外部元件，因此可以更輕松地校準(zhǔn)整個(gè)系統(tǒng)。雙色光波長檢測進(jìn)一步減少了誤報(bào)，因?yàn)槌藛为?dú)測量每個(gè)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(yùn)行時(shí)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(bào)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(qiáng)度方面通常具有很高的器件間變化，因此傳統(tǒng)上煙霧報(bào)警器校準(zhǔn)必須由煙霧報(bào)警器制造商執(zhí)行。校準(zhǔn)斜率和LED發(fā)光強(qiáng)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(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)。因此，減少了部件間差異的擴(kuò)散。由于煙霧報(bào)警器制造商可以使用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊，這簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

ADI公司使用的校準(zhǔn)方法直接針對斜率和LED偏移的校準(zhǔn)。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(gè)ADPD188BI的斜率和失調(diào)可以單獨(dú)確定，校準(zhǔn)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(bào)警閾值，減少誤報(bào)，最終可以通過UL測試。

圖 3 顯示了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(gè)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(lán)色和紫色曲線分別表示來自ADPD188BI的藍(lán)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(gè)區(qū)別是信號隨時(shí)間的變化，這表明聚氨酯在漢堡包煙霧的四分之一時(shí)間內(nèi)（220 秒后）達(dá)到警報(bào)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(biāo)記。

此外，ADPD188BI測量兩個(gè)波長，其比率代表另一個(gè)量，用于校準(zhǔn)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

新引入的漢堡包滋擾測試很難通過，因?yàn)闊沟臐h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(bào)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(jì)和算法開發(fā)。

審核編輯：郭婷