簡(jiǎn)介

煙霧探測(cè)器傳統(tǒng)上是采用電離報(bào)警器構(gòu)建。然而，現(xiàn)在開(kāi)始向光電煙霧報(bào)警器發(fā)展。相比光電煙霧報(bào)警器，電離報(bào)警器能夠更快速地檢測(cè)到快速燃燒的火災(zāi)，通常要快30秒到90秒。檢測(cè)速度之所以存在這種差異，是因?yàn)闊熿F擴(kuò)散到煙霧腔中會(huì)有一個(gè)時(shí)間延遲。但是，光電煙霧報(bào)警器對(duì)陰燃火災(zāi)的響應(yīng)速度要快得多，通�？�10分鐘到50分鐘。光電煙霧報(bào)警器也不易發(fā)生滋擾報(bào)警，例如燒焦吐司或淋浴蒸汽等并不會(huì)引發(fā)報(bào)警。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)將于2020年發(fā)布新版UL-217和UL-268標(biāo)準(zhǔn)，北美的所有煙霧報(bào)警器都必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。商業(yè)和住宅煙霧探測(cè)器正在重新設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足這些新標(biāo)準(zhǔn)。

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

ADPD188BI是一種采用光學(xué)雙波長(zhǎng)技術(shù)的完備的光電式煙霧檢測(cè)系統(tǒng)。該模塊集成高效率的光電式測(cè)量前端、藍(lán)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(cè)室而從LED直接射入光電二極管。

本應(yīng)用筆記描述了按照煙霧探測(cè)器UL認(rèn)證所要求的全部UL-217和UL-268測(cè)試以及EN-54炫目測(cè)試的說(shuō)明，對(duì)ADPD188BI進(jìn)行的測(cè)試。

圖1.ADPD188BI框圖

UL測(cè)試

根據(jù)UL-217第8版煙霧探測(cè)器規(guī)范中列出的全套煙霧測(cè)試，對(duì)ADPD188BI進(jìn)行評(píng)估。任何在北美銷(xiāo)售的煙霧探測(cè)器都必須通過(guò)這些測(cè)試才能獲得UL認(rèn)證。通過(guò)表征系統(tǒng)對(duì)這些煙霧源的響應(yīng)，這些測(cè)試向煙霧探測(cè)器制造商顯示采用ADPD188BI的最終煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)的預(yù)期性能，并為分類(lèi)和閾值設(shè)置算法提供指導(dǎo)。

硬件

用于UL測(cè)試的測(cè)試硬件為EVAL-ADPD188BI-SK評(píng)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(yīng)數(shù)據(jù)是利用評(píng)估板收集的，沒(méi)有任何外殼或煙霧腔，以便最好地體現(xiàn)傳感器的性能。

圖2.EVAL-ADPD188BI-SK原理示意圖

圖3.EVAL-ADPD188BI-SK評(píng)估板

已執(zhí)行的UL測(cè)試

ADPD188BI光學(xué)模塊進(jìn)行了表1中所示的測(cè)試。

表1.對(duì)ADPD188BI執(zhí)行的UL測(cè)試

所有測(cè)試均在美國(guó)伊利諾伊州迪爾菲爾德的保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試的操作和參考數(shù)據(jù)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(hù)和操作。

在UL試驗(yàn)室內(nèi)，每個(gè)煙霧警報(bào)器位置處的煙霧遮蔽水平由安裝在煙霧探測(cè)器測(cè)試位置附近的光電管光束組件監(jiān)測(cè)，該組件與煙霧源相距預(yù)定距離(根據(jù)所進(jìn)行的UL測(cè)試確定)。UL參考光束測(cè)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(shù)據(jù)并加上時(shí)間標(biāo)記，以與ADPD188BI傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。

結(jié)果展示

ADPD188BI藍(lán)光和紅外通道的煙霧響應(yīng)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LED發(fā)射的光功率(mW)。以這種方式表示煙霧響應(yīng)可以為不同光學(xué)系統(tǒng)和系統(tǒng)內(nèi)的不同設(shè)置提供一個(gè)獨(dú)立于模擬前端(AFE)配置的通用計(jì)量單位。它還支持對(duì)不同類(lèi)型的煙霧進(jìn)行有意義的比較。

從PTR到系統(tǒng)預(yù)期的實(shí)際代碼數(shù)的轉(zhuǎn)換是特定AFE設(shè)置(包括增益、脈沖數(shù)和LED電流)的函數(shù)。ADPD188BIAFE為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了極大的靈活性，可以調(diào)整這些設(shè)置以權(quán)衡關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)，例如平均功耗、環(huán)境光抑制和信噪比(SNR)。對(duì)于任何給定設(shè)置，可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)每類(lèi)煙霧的預(yù)期輸出。

測(cè)試結(jié)果

針對(duì)不同類(lèi)型的煙霧，每個(gè)UL測(cè)試都有限值，達(dá)到該限值時(shí)就必須觸發(fā)警報(bào)。有些測(cè)試(例如陰燃聚氨酯測(cè)試)要求將警報(bào)設(shè)置在一定遮蔽水平之前，有些測(cè)試(例如燃燒木材測(cè)試)要求報(bào)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(zāi)情況和要求

收集每個(gè)測(cè)試的數(shù)據(jù)，并將參考光束響應(yīng)與ADPD188BI的藍(lán)光和紅外響應(yīng)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)來(lái)生成曲線(xiàn)。在所有測(cè)試中，ADPD188BI響應(yīng)與參考數(shù)據(jù)符合得很好，證明該傳感器能夠檢測(cè)UL217全套測(cè)試中的所有煙霧。

圖4顯示了燃燒聚氨酯測(cè)試的例子。在此例中，白色曲線(xiàn)是參考光束的響應(yīng)，用右側(cè)y軸上每英尺的遮蔽百分比表示。藍(lán)色曲線(xiàn)是對(duì)藍(lán)光LED的響應(yīng)。紅色曲線(xiàn)是對(duì)紅外LED的響應(yīng)。藍(lán)光和紅外響應(yīng)均表示為左側(cè)y軸上的PTR，單位為nW/mW。參考光束響應(yīng)顯示了遮蔽水平如何隨時(shí)間變化。藍(lán)光和紅外響應(yīng)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(jù)所檢測(cè)的煙霧類(lèi)型確定所必須的LED功率水平設(shè)置，以在特定閾值水平觸發(fā)警報(bào)。

燃燒聚氨酯測(cè)試的UL規(guī)范要求必須在每英尺5%遮蔽且進(jìn)入測(cè)試配置小于4分鐘觸發(fā)警報(bào)。圖4所示的結(jié)果表明，參考光束在4分鐘標(biāo)記之前達(dá)到每英尺5%的遮蔽閾值。當(dāng)為ADPD188BI的設(shè)置報(bào)警閾值時(shí)，必須選擇在在每英尺5%遮蔽之前。根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)，藍(lán)光的報(bào)警閾值可以設(shè)置為大約2 nW/mW，紅外設(shè)置為大約0.8 nW/mW。最終應(yīng)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(cè)算法。

圖4.燃燒聚氨酯測(cè)試的響應(yīng)曲線(xiàn)

解釋測(cè)試結(jié)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(cè)試的藍(lán)光和紅外響應(yīng)(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(cè)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(cè)誤差裕量。對(duì)于漢堡包干擾測(cè)試，柱條的填充部分顯示閾值增加，以提供額外的20%不檢測(cè)誤差裕量。

圖7顯示了各種煙霧測(cè)試的藍(lán)光響應(yīng)與紅外響應(yīng)的比率。隨著微粒尺寸變小(在約1μm以下)，藍(lán)光/紅外比率增大。檢測(cè)算法可以使用該比率以及絕對(duì)功率水平和時(shí)間響應(yīng)，以更好地區(qū)分煙霧和干擾源。

圖5和圖6中的數(shù)據(jù)表明，有效的煙霧報(bào)警器閾值必須根據(jù)PTR最低的燃燒聚氨酯測(cè)試的靈敏度來(lái)設(shè)置，因而是所有測(cè)試過(guò)的煙霧源中響應(yīng)最小的。漢堡包干擾測(cè)試定義了防止誤報(bào)的靈敏度下限閾值。相對(duì)于燃燒聚氨酯，每種其他類(lèi)型的煙霧都有高得多的響應(yīng)。如果適當(dāng)設(shè)置閾值以在聚氨酯燃燒時(shí)報(bào)警，則對(duì)于UL217標(biāo)準(zhǔn)中定義的所有其他有效類(lèi)型的煙霧，煙霧探測(cè)器都會(huì)觸發(fā)警報(bào)。對(duì)于響應(yīng)更高的煙霧，如陰燃聚氨酯或燃燒的木材，警報(bào)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(cè)試的數(shù)據(jù)僅作為參考。這些測(cè)試不代表現(xiàn)實(shí)世界的煙霧探測(cè)場(chǎng)景，并且未包括在任何閾值設(shè)置過(guò)程中。UL217未規(guī)定這些測(cè)試的絕對(duì)檢測(cè)要求。

圖5.UL217煙霧測(cè)試的藍(lán)光通道信號(hào)響應(yīng)

圖6.UL217煙霧測(cè)試的紅外通道信號(hào)響應(yīng)

圖7.藍(lán)光/紅外響應(yīng)的比率

干擾源處理

新的UL217標(biāo)準(zhǔn)包含防止干擾源引起誤報(bào)的規(guī)范。本測(cè)試為烹飪干擾煙霧測(cè)試，在規(guī)范的第54節(jié)中定義。在測(cè)試中，讓漢堡包在烤箱中燒焦以產(chǎn)生煙霧。直至煙霧達(dá)到每英尺1.5%的遮蔽水平之后，才允許觸發(fā)煙霧警報(bào)。

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

圖8顯示了燃燒聚氨酯和烹飪干擾測(cè)試的響應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系。此圖表明，燃燒聚氨酯測(cè)試達(dá)到報(bào)警閾值的速度(約3.5分鐘)要比烹飪干擾測(cè)試達(dá)到報(bào)警所需遮蔽水平的速度(約16.5分鐘)快得多。煙霧報(bào)警算法可以使用此時(shí)間信息來(lái)區(qū)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(bào)。

圖8.燃燒聚氨酯測(cè)試和烹飪干擾煙霧測(cè)試的時(shí)間響應(yīng)

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

使用ADPD188BI兩個(gè)波長(zhǎng)的比率信息，圖7顯示蒸汽與大多數(shù)類(lèi)型的煙霧相比是更大微粒。因此，比率信息可以用作區(qū)分蒸汽和這些煙霧的可靠依據(jù)。然而，蒸汽的比率相對(duì)接近陰燃聚氨酯測(cè)試的比率，因而光憑比率可能無(wú)法區(qū)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(bào)的遮蔽水平也是出現(xiàn)在相差很大的時(shí)間尺度上。陰燃聚氨酯的遮蔽警報(bào)閾值為12%/ft，需要大約30分鐘才能達(dá)到，而蒸汽達(dá)到類(lèi)似遮蔽水平的速度要快5到10倍。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)的炫目測(cè)試(EN14604)

多家煙霧探測(cè)器制造商正在積極開(kāi)發(fā)無(wú)腔煙霧探測(cè)器。這些無(wú)腔煙霧探測(cè)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(cè)器能夠比有腔設(shè)計(jì)更快地觸發(fā)警報(bào)，并且還能簡(jiǎn)化煙霧探測(cè)器的設(shè)計(jì)，降低成本。此類(lèi)設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一是光學(xué)元件抑制環(huán)境光源的能力。

炫目測(cè)試的目的是證明煙霧報(bào)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(cè)試僅適用于光電煙霧報(bào)警器，因?yàn)橐话阏J(rèn)為電離腔煙霧報(bào)警器不太可能受到影響。

炫目測(cè)試將煙霧傳感器放置在一個(gè)每邊長(zhǎng)約38厘米的盒子內(nèi)。兩個(gè)側(cè)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(cè)面上。關(guān)于該裝置的完整機(jī)械描述，請(qǐng)參閱EN-14604附錄D。

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

1. 測(cè)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(cè)量響應(yīng)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(cè)試氣霧劑遮蔽水平逐漸上升，并在開(kāi)燈情況下測(cè)量響應(yīng)度。

7. 關(guān)燈并清理腔室。

在這些測(cè)試條件下，開(kāi)燈與關(guān)燈相比，ADPD188BI藍(lán)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(guī)范設(shè)定的60%測(cè)試限度內(nèi)。

圖9.炫目測(cè)試的測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

ADPD188BI是一種利用雙波長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行光學(xué)煙霧和氣霧檢測(cè)的光學(xué)模塊。該器件已在美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室按照UL217煙霧探測(cè)器認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。本應(yīng)用筆記中給出的數(shù)據(jù)和結(jié)果表明，采用ADPD188BI的煙霧探測(cè)器具有UL217標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試，并支持實(shí)現(xiàn)成本更低的無(wú)腔煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)。