降低误报率—烟雾报警器如何通过汉堡包滋扰报警测试

今天的建筑物有许多不同的传感器，使日常生活更轻松并提供保护。除了环境传感器和智能家居应用（如电力和供暖调节）外，安全相关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，并且由法律规定，但由于烹饪蒸汽或蒸汽误报的风险增加，市场上的许多烟雾报警器不足以用于厨房或浴室。不应低估误报，因为它们会诱使用户关闭烟雾报警器，并且由于不必要的消防部门部署，它们可能会产生高昂的成本。

然而，浴室和厨房缺乏烟雾报警器是一个严重的问题，因为火灾的可能性很高，尤其是在厨房中。这在现代公寓中带来了更大的风险，因为厨房通常集成到客厅中。在具有大量合成建筑材料的现代环境中，火灾迅速蔓延，因此更精细的烟雾报警器网络对于准确的火灾探测非常重要。

在全球范围内，标准试图通过在新的测试中规定检测不同类型的烟雾来满足这些新要求。不同地区的规定略有不同：EN 适用于欧洲，UL 适用于北美，ISO 适用于国际。最新版本将于 2021 年 6 月发布 （UL 268： 7千版本和 UL 217：8千版），UL引入了一项称为汉堡包滋扰警报测试的附加测试。在该测试中，必须将指定浓度的汉堡肉饼烟雾与确定浓度的燃烧聚氨酯区分开来。该测试应有助于降低厨房的误报率。在本文中，我们将解释测试并讨论必须如何设计新的探测器技术才能通过这项新测试。

揭示 UL 的汉堡包滋扰警报测试

这个汉堡包滋扰测试是为了复制真实的烹饪烟雾而创建的。汉堡包滋扰报警器测试背后的概念很简单，但即使是现代烟雾报警器也面临着挑战——汉堡肉饼要烤特定的时间。在此过程中，检查烟雾报警器是否由上升的烟雾触发（从定义的限制开始）。该测试自然是标准化的，因此所有烟雾报警器都可以在相同的条件下进行测试。遮挡测量值用作参考。对于此测试，在大约 2 m 的距离处设置直径为 10 cm 至 15 cm 的光源。使用定义波长为589nm的蒸汽灯作为光源。位于灯和探测器之间的烟雾会遮挡光线。图1显示了参考测量设置和原理的示意图。

图1.根据 UL 说明参考系统的原理图。

将烟雾对光束的遮挡与无烟房间中的参考信号进行比较。根据遮蔽可以得出关于烟雾密度和烟雾浓度的结论。对于相同的颗粒，遮蔽量越高，浓度越高。当然，遮蔽不仅随浓度而变化，还随颗粒类型而变化。这是基于散射截面，并且因颗粒类型而异。

遮蔽时间作为警报生成的附加组件发挥作用。因此，根据标准，在一定时间限制或参考系统中达到遮蔽限制后触发警报。因此，汉堡包滋扰警报规定，在汉堡肉饼烤制期间，警报不得响起，直到达到大于 1.5%/英尺的遮挡。

聚氨酯可以模拟扶手椅等真实物体，在测试的第二部分着火。烟雾报警器必须识别差异，并在 5%/ft 的遮蔽处触发报警。

这是极具挑战性的，因为两种类型的烟雾，真正的火烟和烹饪烟，很难分辨。然而，该测试只是UL 217和UL 268中定义的众多测试之一。几个相同的烟雾报警器也必须通过此测试，以便排除随机结果并保证探测器之间的广泛质量密度。

烟雾报警器如何通过此测试

大多数现代烟雾报警器都具有光电工作原理。对于汉堡包滋扰测试，粒子会发射和反射光束。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报警。

为了通过汉堡包滋扰警报测试，探测器必须具有高信噪比，以便将汉堡包烟雾与其他类型的烟雾区分开来。ADI公司的ADPD188BI集成光学传感器模块为烟雾报警器制造商提供了能够通过这一艰难考验的技术。图2显示了ADPD188BI的工作原理。

图2.ADPD188BI的工作原理。

这种用于烟雾探测的新型集成模块由一个带有两个发射器 LED 的外壳组成——波长为 470 nm 的蓝色和波长为 850 nm 的红外线——位于其左侧的空腔中。光电二极管和模拟前端位于外壳的右侧。LED发光，烟雾颗粒将光偏转回光电二极管。LED 驱动器由内部时隙集成和切换。这些时隙使用户能够调节整个前端的时序，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。后者由用于恒定环境光的带通滤光片和用于可变环境光的积分器组成，例如，由荧光灯发射。然后，集成的模数转换器将电压转换为数字信号。

由于集成密度高，ADPD188BI烟雾传感器模块具有许多优点。由于只需要几个外部元件，因此可以更轻松地校准整个系统。双色光波长检测进一步减少了误报，因为除了单独测量每个波长外，还可以形成比率。此外，该模块体积小，功耗低于传统探测器。红外 LED 运行时的功耗为 ~5 μW/Hz。 将 LED 和光电二极管完全集成到模拟前端中，使烟雾报警器制造商能够提供单模块解决方案。

ADPD188BI模块的高度集成度导致汉堡包滋扰测试的“成败”。LED在固定电流下的发光强度方面通常具有很高的器件间变化，因此传统上烟雾报警器校准必须由烟雾报警器制造商执行。校准斜率和LED发光强度与电流的偏移可确保所有LED的行为方式相同。由于LED和完整的信号路径集成在ADPD188BI中，ADI公司对传感器模块进行预校准。因此，减少了部件间差异的扩散。由于烟雾报警器制造商可以使用预先校准的模块，这简化了系统设计。

ADI公司使用的校准方法直接针对斜率和LED偏移的校准。为此，ADPD188BI放置在反射器下方。反射回来的光由集成光电二极管测量。每个ADPD188BI的斜率和失调可以单独确定，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，可以将芯片变异性降至最低。这意味着可以在算法中更明确地设置报警阈值，减少误报，最终可以通过UL测试。

图 3 显示了标准化 UL 测试环境中的 ADPD188BI 样品，一次使用汉堡包烟雾（左），一次使用燃烧聚氨酯（右）。

图3.APDPD188BI UL 无室内环境中汉堡包烟雾和燃烧聚氨酯测试结果。

在每种情况下，图都随时间（x轴）显示，ADPD188BI信号位于左侧y轴上。这作为功率传输比给出，它描述了LED的工作功率与光电二极管的接收功率之间的关系。描述功率传输比的公式如下：

这个数量允许各种模块相互比较。相反，右侧 y 轴以 %/ft 为单位显示遮挡级别。绿色曲线表示UL参考光束，蓝色和紫色曲线分别表示来自ADPD188BI的蓝色和红外信号。

如图3所示，ADPD188BI的两条信号曲线在两种情况下非常不同，表明传感器可以清楚地区分烟雾类型。一个区别是信号随时间的变化，这表明聚氨酯在汉堡包烟雾的四分之一时间内（220 秒后）达到警报阈值（超过 1000 秒后）。对于聚氨酯，4分钟后已经检测到临界水平。

传感器的高信噪比还可以清楚地区分和记录颗粒浓度的变化，例如，在燃烧聚氨酯的情况下斜率突然增加。这在图 3 中以红色标记。

此外，ADPD188BI测量两个波长，其比率代表另一个量，用于校准用于检测汉堡包烟雾的鲁棒算法，从而通过汉堡包测试。

结论

为什么用于烟雾探测的新型集成光学模块是一个转折点

新引入的汉堡包滋扰测试很难通过，因为烧焦的汉堡肉饼产生的烟雾颗粒与普通烟雾没有太大区别。因此，烟雾传感器需要高信噪比，以区分汉堡肉饼烟雾和其他类型的烟雾。传感器部件间差异小，在这方面起着决定性的作用。测量和测试完成并通过更可靠;这样，在最终应用中产生的误报更少。ADI公司采用用于烟雾检测的新型集成光学模块ADPD188BI，提供高灵敏度、集成传感器模块，不仅具有高信噪比和双色检测功能，而且器件间差异最小，从而简化了设计和算法开发。

审核编辑：郭婷