作者：Dan Weinberg和Kevin Buckley

簡(jiǎn)介

煙霧探測器傳統上是采用電離報警器構建。然而，現在開(kāi)始向光電煙霧報警器發(fā)展。相比光電煙霧報警器，電離報警器能夠更快速地檢測到快速燃燒的火災，通常要快30秒到90秒。檢測速度之所以存在這種差異，是因為煙霧擴散到煙霧腔中會(huì )有一個(gè)時(shí)間延遲。但是，光電煙霧報警器對陰燃火災的響應速度要快得多，通�？�10分鐘到50分鐘。光電煙霧報警器也不易發(fā)生滋擾報警，例如燒焦吐司或淋浴蒸汽等并不會(huì )引發(fā)報警。美國保險商實(shí)驗室(UL)將于2020年發(fā)布新版UL-217和UL-268標準，北美的所有煙霧報警器都必須符合這些標準。商業(yè)和住宅煙霧探測器正在重新設計，以滿(mǎn)足這些新標準。

光電煙霧報警器使用多個(gè)波長(cháng)的光源，因而可以區分微粒大小。借助多個(gè)波長(cháng)，煙霧報警器得以區分不同類(lèi)型的煙霧和常見(jiàn)的干擾源，從而提高煙霧報警器排除干擾源和避免誤報的能力。

ADPD188BI是一種采用光學(xué)雙波長(cháng)技術(shù)的完備的光電式煙霧檢測系統。該模塊集成高效率的光電式測量前端、藍光和紅外(IR)發(fā)光二極管(LEDs)以及光電二極管(PD)。這些器件采用定制化封裝，來(lái)防止光線(xiàn)未通過(guò)煙霧檢測室而從LED直接射入光電二極管。

本應用筆記描述了按照煙霧探測器UL認證所要求的全部UL-217和UL-268測試以及EN-54炫目測試的說(shuō)明，對ADPD188BI進(jìn)行的測試。

 圖1.ADPD188BI框圖 

UL測試

根據UL-217第8版煙霧探測器規范中列出的全套煙霧測試，對ADPD188BI進(jìn)行評估。任何在北美銷(xiāo)售的煙霧探測器都必須通過(guò)這些測試才能獲得UL認證。通過(guò)表征系統對這些煙霧源的響應，這些測試向煙霧探測器制造商顯示采用ADPD188BI的最終煙霧探測器設計的預期性能，并為分類(lèi)和閾值設置算法提供指導。

硬件

用于UL測試的測試硬件為EVAL-ADPD188BI-SK評估板，通過(guò)EVAL-ADPDUCZ微控制器板控制。圖2為EVAL-ADPD188BI-SK電路的原理示意圖，圖3為該板的照片。

本文檔提供的煙霧響應數據是利用評估板收集的，沒(méi)有任何外殼或煙霧腔，以便最好地體現傳感器的性能。

圖2.EVAL-ADPD188BI-SK原理示意圖

圖3.EVAL-ADPD188BI-SK評估板

已執行的UL測試

ADPD188BI光學(xué)模塊進(jìn)行了表1中所示的測試。

表1.對ADPD188BI執行的UL測試

所有測試均在美國伊利諾伊州迪爾菲爾德的保險商實(shí)驗室進(jìn)行。測試的操作和參考數據的收集均由UL人員完成。所有ADPD188BI硬件和軟件均由ADI公司人員維護和操作。

在UL試驗室內，每個(gè)煙霧警報器位置處的煙霧遮蔽水平由安裝在煙霧探測器測試位置附近的光電管光束組件監測，該組件與煙霧源相距預定距離（根據所進(jìn)行的UL測試確定）。UL參考光束測量煙霧遮蔽水平與時(shí)間的關(guān)系，用每英尺遮蔽百分比表示。收集光束數據并加上時(shí)間標記，以與ADPD188BI傳感器數據相關(guān)聯(lián)。

結果展示

ADPD188BI藍光和紅外通道的煙霧響應用功率傳輸比(PTR)表示，單位為nW/mW，即返回到光電二極管的光功率(nW)除以L(fǎng)ED發(fā)射的光功率(mW)。以這種方式表示煙霧響應可以為不同光學(xué)系統和系統內的不同設置提供一個(gè)獨立于模擬前端(AFE)配置的通用計量單位。它還支持對不同類(lèi)型的煙霧進(jìn)行有意義的比較。

從PTR到系統預期的實(shí)際代碼數的轉換是特定AFE設置（包括增益、脈沖數和LED電流）的函數。ADPD188BIAFE為系統設計人員提供了極大的靈活性，可以調整這些設置以權衡關(guān)鍵系統參數，例如平均功耗、環(huán)境光抑制和信噪比(SNR)。對于任何給定設置，可以計算出系統對每類(lèi)煙霧的預期輸出。

測試結果

針對不同類(lèi)型的煙霧，每個(gè)UL測試都有限值，達到該限值時(shí)就必須觸發(fā)警報。有些測試（例如陰燃聚氨酯測試）要求將警報設置在一定遮蔽水平之前，有些測試（例如燃燒木材測試）要求報警發(fā)生在點(diǎn)火后的某一時(shí)間限值之前。這些限值如表2所示。

表2.火災情況和要求

收集每個(gè)測試的數據，并將參考光束響應與ADPD188BI的藍光和紅外響應時(shí)間對準來(lái)生成曲線(xiàn)。在所有測試中，ADPD188BI響應與參考數據符合得很好，證明該傳感器能夠檢測UL217全套測試中的所有煙霧。

圖4顯示了燃燒聚氨酯測試的例子。在此例中，白色曲線(xiàn)是參考光束的響應，用右側y軸上每英尺的遮蔽百分比表示。藍色曲線(xiàn)是對藍光LED的響應。紅色曲線(xiàn)是對紅外LED的響應。藍光和紅外響應均表示為左側y軸上的PTR，單位為nW/mW。參考光束響應顯示了遮蔽水平如何隨時(shí)間變化。藍光和紅外響應顯示了不同類(lèi)型煙霧在不同遮蔽水平下的功率傳輸比率，讓用戶(hù)可以根據所檢測的煙霧類(lèi)型確定所必須的LED功率水平設置，以在特定閾值水平觸發(fā)警報。

燃燒聚氨酯測試的UL規范要求必須在每英尺5%遮蔽且進(jìn)入測試配置小于4分鐘觸發(fā)警報。圖4所示的結果表明，參考光束在4分鐘標記之前達到每英尺5%的遮蔽閾值。當為ADPD188BI的設置報警閾值時(shí)，必須選擇在在每英尺5%遮蔽之前。根據圖4所示的數據，藍光的報警閾值可以設置為大約2 nW/mW，紅外設置為大約0.8 nW/mW。最終應用中必須酌情給這些閾值水平添加一定的裕量以適合煙霧檢測算法。

圖4.燃燒聚氨酯測試的響應曲線(xiàn)

解釋測試結果

圖5和圖6顯示了在額定遮蔽和/或時(shí)間閾值下UL217煙霧測試的藍光和紅外響應（見(jiàn)表2）。在圖5和圖6中，每個(gè)柱條的未填充部分代表測量水平。在柱條的填充部分中，減小閾值以提供額外的20%檢測誤差裕量。對于漢堡包干擾測試，柱條的填充部分顯示閾值增加，以提供額外的20%不檢測誤差裕量。

圖7顯示了各種煙霧測試的藍光響應與紅外響應的比率。隨著(zhù)微粒尺寸變�。ㄔ诩s1μm以下），藍光/紅外比率增大。檢測算法可以使用該比率以及絕對功率水平和時(shí)間響應，以更好地區分煙霧和干擾源。

圖5和圖6中的數據表明，有效的煙霧報警器閾值必須根據PTR最低的燃燒聚氨酯測試的靈敏度來(lái)設置，因而是所有測試過(guò)的煙霧源中響應最小的。漢堡包干擾測試定義了防止誤報的靈敏度下限閾值。相對于燃燒聚氨酯，每種其他類(lèi)型的煙霧都有高得多的響應。如果適當設置閾值以在聚氨酯燃燒時(shí)報警，則對于UL217標準中定義的所有其他有效類(lèi)型的煙霧，煙霧探測器都會(huì )觸發(fā)警報。對于響應更高的煙霧，如陰燃聚氨酯或燃燒的木材，警報靈敏度水平大大超過(guò)了UL217要求。來(lái)自圖5和圖6所示的兩個(gè)煙盒測試的數據僅作為參考。這些測試不代表現實(shí)世界的煙霧探測場(chǎng)景，并且未包括在任何閾值設置過(guò)程中。UL217未規定這些測試的絕對檢測要求。

 圖5.UL217煙霧測試的藍光通道信號響應

圖6.UL217煙霧測試的紅外通道信號響應

圖7.藍光/紅外響應的比率

干擾源處理

新的UL217標準包含防止干擾源引起誤報的規范。本測試為烹飪干擾煙霧測試，在規范的第54節中定義。在測試中，讓漢堡包在烤箱中燒焦以產(chǎn)生煙霧。直至煙霧達到每英尺1.5%的遮蔽水平之后，才允許觸發(fā)煙霧警報。

如圖5和圖6所示，烹飪干擾煙霧測試所定義的不允許觸發(fā)警報的水平與燃燒聚氨酯煙霧測試所定義的必須觸發(fā)警報的水平有重疊，尤其是給PTR閾值增加裕量之后。由于對這兩個(gè)測試的靈敏度的重疊，算法中必須再增加一級智能辨別功能，以區分燃燒聚氨酯煙霧測試和烹飪干擾煙霧測試。此外，圖7所示的藍光/紅外比率數據表明，烹飪干擾煙霧測試的比率在其他有效類(lèi)型煙霧的范圍內。因此，比率信息也不能單獨用來(lái)區分烹飪干擾煙霧。

圖8顯示了燃燒聚氨酯和烹飪干擾測試的響應與時(shí)間的關(guān)系。此圖表明，燃燒聚氨酯測試達到報警閾值的速度（約3.5分鐘）要比烹飪干擾測試達到報警所需遮蔽水平的速度（約16.5分鐘）快得多。煙霧報警算法可以使用此時(shí)間信息來(lái)區分燃燒聚氨酯產(chǎn)生的煙霧和烹飪煙霧，最終確定是否觸發(fā)警報。

圖8.燃燒聚氨酯測試和烹飪干擾煙霧測試的時(shí)間響應

當煙霧報警器必須區分蒸汽等干擾源與有效煙霧時(shí)，會(huì )出現類(lèi)似的問(wèn)題。從歷史上看，這對于放置在浴室外的煙霧報警器來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。淋浴蒸汽可能觸發(fā)誤報。

使用ADPD188BI兩個(gè)波長(cháng)的比率信息，圖7顯示蒸汽與大多數類(lèi)型的煙霧相比是更大微粒。因此，比率信息可以用作區分蒸汽和這些煙霧的可靠依據。然而，蒸汽的比率相對接近陰燃聚氨酯測試的比率，因而光憑比率可能無(wú)法區分蒸汽和陰燃聚氨酯煙霧。

類(lèi)似于燃燒聚氨酯煙霧與烹飪干擾煙霧的比較，陰燃聚氨酯與蒸汽觸發(fā)警報的遮蔽水平也是出現在相差很大的時(shí)間尺度上。陰燃聚氨酯的遮蔽警報閾值為12%/ft，需要大約30分鐘才能達到，而蒸汽達到類(lèi)似遮蔽水平的速度要快5到10倍。

歐洲標準的炫目測試(EN14604)

多家煙霧探測器制造商正在積極開(kāi)發(fā)無(wú)腔煙霧探測器。這些無(wú)腔煙霧探測器無(wú)煙霧腔，光學(xué)元件暴露在外部環(huán)境中。無(wú)腔煙霧探測器能夠比有腔設計更快地觸發(fā)警報，并且還能簡(jiǎn)化煙霧探測器的設計，降低成本。此類(lèi)設計的最大挑戰之一是光學(xué)元件抑制環(huán)境光源的能力。

炫目測試的目的是證明煙霧報警器的靈敏度不會(huì )受到鄰近人造光源的過(guò)度影響。此測試僅適用于光電煙霧報警器，因為一般認為電離腔煙霧報警器不太可能受到影響。

炫目測試將煙霧傳感器放置在一個(gè)每邊長(cháng)約38厘米的盒子內。兩個(gè)側面是敞開(kāi)的，允許煙霧流動(dòng)。圓形熒光燈安裝在盒子的其余四個(gè)側面上。關(guān)于該裝置的完整機械描述，請參閱EN-14604附錄D。

該測試將煙霧探測器暴露在來(lái)自四面八方的明亮熒光燈下。規范規定，在熒光燈存在的情況下，煙霧探測器不得觸發(fā)誤報，靈敏度改變不得超過(guò)60%。測試程序如下：

1.            測試氣霧劑遮蔽水平從0%/ft逐漸升至4.2%/ft。

2.            在關(guān)燈情況下測量響應度。

3.            清理腔室。

4.            燈先開(kāi)10秒，再關(guān)10秒，循環(huán)10次。

5.            然后將燈打開(kāi)至少1分鐘。

6.            如步驟1中那樣，再次讓測試氣霧劑遮蔽水平逐漸上升，并在開(kāi)燈情況下測量響應度。

7.            關(guān)燈并清理腔室。

在這些測試條件下，開(kāi)燈與關(guān)燈相比，ADPD188BI藍光通道顯示出7%的靈敏度變化，而紅外通道的靈敏度變化為3%。這完全在EN規范設定的60%測試限度內。

圖9.炫目測試的測試結果

結論

ADPD188BI是一種利用雙波長(cháng)技術(shù)進(jìn)行光學(xué)煙霧和氣霧檢測的光學(xué)模塊。該器件已在美國保險商實(shí)驗室按照UL217煙霧探測器認證標準進(jìn)行了測試。本應用筆記中給出的數據和結果表明，采用ADPD188BI的煙霧探測器具有UL217標準所要求的性能。

ADPD188BI模塊中集成的ADPD1080模擬前端具有出色的光抑制性能，因此它能通過(guò)EN14604眩目測試，并支持實(shí)現成本更低的無(wú)腔煙霧探測器設計。