一种用于减少烟雾报警器误触发的光学传感器解决方案

减少烟雾报警器的误触发会降低使用率并增加消防成本

如今的建筑中配备了多种传感器，旨在提升日常生活的便利性并提供保护。除了环境传感器和如电力及暖气调节等智能家居应用，安全相关的传感器也发挥着重要作用。其中包括烟雾报警器。烟雾报警器是必不可少的设施，并且法律规定必须安装。然而，市场上的许多烟雾报警器由于烹饪蒸汽或水蒸气导致误报的风险较高，并不适合在厨房或浴室使用。不要低估误报警的影响，因为它可能导致用户关闭烟雾报警器，同时还可能因不必要的消防部门出勤而产生高昂费用。   然而，在厨房和浴室缺乏烟雾报警器是一个严重的问题，因为这些地方的火灾风险很高，尤其是在厨房。这在现代公寓中更是问题，因为厨房往往与客厅相连。在使用大量合成建筑材料的现代环境中，火势蔓延迅速，因此建立更加精细的烟雾报警网络对于准确的火灾检测尤为重要。   全球范围内的标准正在努力满足这些新需求，通过在新测试中要求检测不同类型的烟雾。不同地区的规定略有不同：欧洲采用EN标准，北美采用UL标准，国际上采用ISO标准。在最新版本中，预计于2021年6月发布（UL 268：第7版和UL 217：第8版），UL引入了一个额外的测试，称为“汉堡干扰报警测试”。在此测试中，设备必须能够将规定浓度的汉堡肉饼烟雾与规定浓度的燃烧聚氨酯烟雾区分开来。此测试旨在帮助减少厨房中的误报警率。

UL 的汉堡干扰警报测试

这个汉堡干扰测试是为了模拟真实的烹饪烟雾而设计的。汉堡干扰警报测试的概念很简单，但即使是现代烟雾报警器也面临挑战——将汉堡肉饼按特定时间进行烧烤。在此过程中，检查烟雾报警器是否会被升起的烟雾触发（从设定的限值开始）。这个测试是标准化的，以便所有的烟雾报警器都能在相同的条件下接受测试。遮光测量被用作参考。在这个测试中，使用一个直径为10至15厘米的光束光源，在约2米距离范围内设立。光源为波长589纳米的蒸汽灯。烟雾位于灯和检测器之间，会遮挡光线。   烟雾对光束的遮挡会与无烟室内的参考信号进行比较。可以根据遮挡情况得出关于烟雾密度和烟雾浓度的结论。对于同样的颗粒物，遮挡量越大，浓度越高。当然，遮挡量不仅随浓度而变化，也随颗粒物的类型变化。这是基于散射横截面，并且颗粒类型之间的变化非常显著。   作为警报生成的附加因素，遮光时间也起到了作用。因此，根据标准，警报会在达到时间限制后触发，或者当参考系统中的遮光程度达到极限值时触发。因此，汉堡干扰警报规定，在汉堡肉饼烧烤过程中，在达到大于1.5%/ft遮光之前，警报不得触发。在测试的第二部分中，会点燃聚氨酯泡沫，它可模拟如扶手椅一样的真实物体。烟雾报警器必须能够识别出区别，并在5%/ft遮光时触发警报。   这非常具有挑战性，因为两种烟雾，真实火灾烟雾和烹饪烟雾，很难区分开。然而，这项测试只是UL 217和UL 268中定义的众多测试之一。多个相同型号的烟雾报警器也必须通过此测试，以确保排除随机结果，并保证探测器之间的广泛质量密度。

如何让烟雾报警器通过汉堡干扰报警测试

大多数现代烟雾报警器采用光电工作原理。对于汉堡干扰测试，一束光被发出并被颗粒反射。这种散射取决于颗粒类型、颗粒浓度和散射角。根据散射信号，烟雾报警器决定是否触发警报。要通过汉堡干扰警报测试，探测器必须具备高信噪比，以区分汉堡烟雾与其他类型的烟雾。   Analog Devices 的 ADPD188BI 集成光学传感器模块为烟雾报警器制造商提供了可以通过这一困难测试的技术。这款用于烟雾检测的新型集成模块由一个包含两个发射 LED 的外壳组成，包括一个波长为 470 nm 的蓝光 LED 和一个波长为 850 nm 的红外 LED，这两个发射器位于左侧隔舱内。一个光电二极管和模拟前端位于外壳的右侧部分。LED 发出光并被烟雾颗粒反射回光电二极管。LED 驱动器被集成，并通过内部时间槽进行切换。这些时间槽使用户能够调节整个前端的时间安排，而无需不断重写寄存器。   模拟前端由电流-电压转换器和用于环境光的模拟滤波器组成。后者包括用于恒定环境光的带通滤波器，以及针对可变环境光（例如荧光灯发出的光）的积分器。集成的模数转换器随后将电压转换为数字信号。   由于高度的集成密度，ADPD188BI 烟雾传感器模块具有许多优点。由于只需少量的外部组件，整个系统可以更轻松地校准。通过双波长光的检测，可以进一步减少误报，因为除了每种波长的独立测量外，还可以进行比值形成。此外，该模块体积小，功耗低于传统探测器。运行红外 LED 时的功耗约为 ~5 μW/Hz。将 LED 和光电二极管完全集成到模拟前端中，使得烟雾报警器制造商能够提供一体化解决方案。   ADPD188BI 模块的高度集成在汉堡干扰测试中起到了“决定性”作用。在固定电流下，LED 通常在发光强度上存在较大的个体差异，这也是为什么传统上必须由烟雾报警器制造商对报警器进行校准。通过校准 LED 发光强度与电流之间的斜率和偏移值，确保所有 LED 表现一致。由于 LED 和完整的信号路径集成到了 ADPD188BI 中，Analog Devices 对传感器模块进行预校准，从而减少了个体差异的范围。烟雾报警器制造商可以使用预校准的模块，从而简化系统设计。   Analog Devices 使用的校准方法直接针对 LED 的斜率和偏移值的校准。为此，将 ADPD188BI 放置在反射器下，集成光电二极管测量反射回来的光线。可以单独为每个 ADPD188BI 确定斜率和偏移值，并将校准系数存储在芯片的非易失性存储器 eFUSE 寄存器中。通过读取这些系数，可以最大限度地减少芯片变异性。这意味着可以在算法中更精确地设置报警阈值，从而减少误报，最终通过 UL 测试。

用于烟雾检测的集成光学模块

ADI 的 ADPD188BI 是一个完整的光度测量系统，用于基于光学双波长技术的烟雾检测。该模块集成了高效的光度测量前端、两个发光二极管（LED）和两个光电二极管（PD）。这些组件封装在一个定制的外壳内，以防止光线在未进入烟雾检测室之前直接从 LED 到达光电二极管。   该应用专用集成电路（ASIC）的前端由控制块、一个带有 20 位突发累加器的 14 位模数转换器（ADC）和三个灵活、可独立配置的 LED 驱动器组成。控制电路包括灵活的 LED 信号调节和同步检测。模拟前端（AFE）具有一流的信号偏移和由于环境光引起的调制干扰的信号失真抑制能力。数据输出和功能配置通过 1.8 V 的 I2C 接口或串行外设接口（SPI）端口进行。   ADPD188BI 支持 UL-217 第 8 版/UL-568 第 7 版、EN-54、GB 和 ISO 标准。它利用信噪比（SNR）更高、动态范围更广的双波长检测技术减少误警，并支持 3 倍更低的功耗，从而可使用更小/更便宜的电池。集成光学模块（尺寸为 3.8mm x 5mm x 0.9mm，并配有 1 个蓝色 LED、1 个红外 LED 和 2 个光电二极管）简化了电磁兼容性（EMC）设计，提供更多样化的工业设计选择，并减少 75% 的独立器件。最终测试中的回路校准降低了与烟雾探测器产品相关的校准难度。   ADI 同时提供 EVAL-ADPD188BIZ-S2 评估板，用户可以通过该评估板简单地评测 ADPD188BI 光学模块，并结合 EVAL-CHAMBER 烟雾室应用于烟雾和气溶胶检测。评估系统包括 EVAL-ADPD188BIZ-S2 评估板、EVAL-ADPDUCZ 微控制器板、可选的 EVAL-CHAMBER 烟雾室，以及 Wavetool Evaluation Software 图形用户界面（GUI）。该软件为用户提供低级和高级的可配置性、实时频率和时域分析，以及用户数据报协议（UDP）传输功能，使评估板能够轻松连接到用户开发系统。

结论

新推出的汉堡骚扰测试很难通过，因为烧焦的汉堡肉饼产生的烟雾颗粒与普通烟雾并没有太大区别。因此，烟雾传感器需要具有较高的信噪比，才能区分汉堡肉饼烟雾和其他类型的烟雾。传感器件之间的低差异在此过程中起到了决定性的作用。测量和测试得以更可靠地完成和通过，从而最终应用中生成的误报较少。通过新的集成光学模块用于烟雾检测，型号为 ADPD188BI，Analog Devices 提供了一个高灵敏度的集成传感器模块，该模块不仅具有高信噪比和双色检测功能，还能最大程度地降低器件之间的差异，从而简化设计和算法开发。这将是开发新型烟雾警报器的理想解决方案。