集成光学烟雾检测模块，满足探测新标准

    【CPS中安网 cps.com.cn】 亚里士多德有句名言：“人们来到城市是为了生活，人们居住在城市是为了生活得更好”。历经数千年的发展，我们的城市正变得更发达、更多彩。近年来，随着城市化进程的加快推进，城市变得日益“摩登”：高楼、广场、公寓……我们每天的生活、工作、学习都离不开这些楼宇，而互联网科技的快速发展让智能楼宇也成为了当下的热门话题。打造智能楼宇，首先需要解决的是人身安全问题，这就意味着全方位的安防系统成为了不可或缺的组成部分，其中烟雾探测面临着巨大的挑战——挽救生命。

　　当涉及人的生命安全这样的基本需求时，法规就显得至关重要。在烟雾探测方面，全球主要有五个标准，欧洲采用EN 14604和BS EN 54，后者是英国标准；北美采用UL 268和UL 217；国际则采用ISO 7240标准。2021年6月UL即将发布最新标准，该标准的最大变化包括更新聚氨酯燃烧、闷烧和烹饪滋扰，即汉堡包烟雾干扰报警测试。在该测试中，必须能够区分汉堡包肉饼产生的烟雾浓度和易燃聚氨酯产生的烟雾度。

　　可以看出，相关法规每次修订后都会变得更加严格，关注的焦点始终都是提高探测准确率，加快报警速度，确保人员安全。除此以外，法规还要求采用更小巧、更精准的烟雾探测系统使终端产品更美观并能够用于更广泛、更棘手的部署场景。为了满足这些要求，ADI公司研发并推出一系列更小尺寸和更低功耗的产品，它们使用双波长探测系统，从而减少干扰警报，并可符合新测试法规要求。

　　经典烟雾报警器vs完全集成烟雾探测器模块

　　典型烟雾报警器包括探测器、具有算法的微控制器，以及扬声器、LED指示灯或一氧化碳传感器等其他元件。烟雾报警器中的基准测量遵循所谓的减光原理，如图1的原理图所示。测量光源(L)和探测器(D)之间因存在颗粒而导致的暗光或消光，然后使用新的UL法规进行评估。

图1. 基准测量

　　经典烟雾报警器以离散方式设计，并通过向前散射发挥作用，其中特定波长的 LED 光（通常在红外范围内）被粒子散射到光电二极管上。如图2所示，LED和光电二极管之间的距离通常是几厘米。

　　图2. 具有红外LED的向前散射系统。

　　但是，不管是烟雾报警器的离散式设计，还是测量方法，都有缺陷。主要缺陷是单色 LED 会导致更高的误报率，因为它会使区分不同的粒子变得更困难。此外，离散实施范围很大，功耗高。大量校准工作也是必要的。

　　ADI创建了这样一种方案：完全集成烟雾探测器模块——ADPD188BI，该解决方案将模拟前端、LED 和光电二极管组合到一个小巧的封装中，极大地减小了烟雾探测器的占用空间。光电二极管和 AFE的集成还提供高的环境光抑制功能和宽动态范围，从而进一步减少误警。

　　图3.集成光学设计可极大简化光学设计并提供显著的系统增强功能。

　　ADI解决方案使用Mie散射方法，LED更接近光电二极管。从而减小电路板尺寸，使得烟雾探测器可以更小更适应住宅和商业用途建筑。此外，由于整个解决方案均由ADI公司制造、测试和验证，供应链更简单，这可大大降低客户的风险。

　　聚焦UL的汉堡包烟雾干扰报警测试，ADPD188BI如何应对

　　汉堡包烟雾干扰报警测试的概念很简单，但即使是现代烟雾报警器也面临着一个挑战：汉堡肉饼需要煎烤一定的时间。在这个过程中，会检查确认烟雾报警器是否由上升的烟雾（在一定的时限内开始上升）触发。这也是一项标准化测试，所以可以在完全相同的条件下对所有烟雾报警器进行测试。以减光率测量值为参考基准。在这项测试中，会在距离大约2米的地方放置一个光源，其光束直径在10到15厘米之间。使用波长为589 nm的蒸汽灯作为光源。蒸汽灯和检测器之间的烟雾会遮蔽光线。图4显示参考测量设置的原理和示意图。

　　图4. 基于 UL 标准的参考系统原理图。

　　将光束受烟雾遮蔽的程度与无烟环境中的参考信号进行比较。可以根据减光率，得出烟雾密度和烟雾浓度。对于同样的粒子，减光率越高，浓度越高。当然，减光率不仅随浓度变化，也随粒子类型变化。根据散射截面，不同的粒子类型存在明显差异。

　　减光时间也与报警触发密切相关。因此，根据该标准，在参考系统中达到一定的时限，或者达到遮蔽限制后将触发报警。因此，汉堡包干扰警报测试规定，煎烤汉堡肉饼期间，在减光率达到大于1.5%/ft之前，不得发出警报。

　　在测试的第二阶段，会点燃聚氨酯，用于模拟扶手椅之类的真实物体。烟雾报警器必须区分两者之间的差异，在减光率达到5%/ft时触发报警。由于真正的火灾烟雾和烹饪烟雾很难区分，因此这项测试非常具有挑战性。然而，这项测试只是UL 217和UL 268中定义的众多测试之一。还必须使用多个完全相同的烟雾报警器来通过此项测试，以排除随机结果，确保检测器具备广泛的高质量密度。

　　大多数现代烟雾报警器都采用光电工作原理。在汉堡包烟雾干扰测试中，光束发射之后会被粒子反射。散射情况取决于粒子类型、粒子浓度和散射角度。烟雾报警器根据散射信号决定是否触发报警器。为了通过汉堡包烟雾干扰报警测试，检测器必须具备较高的信噪比，以区分汉堡烟雾和其他类型的烟雾。

　　ADI的 ADPD188BI 集成光学传感器模块，有助于烟雾报警器制造商的产品通过这项严苛测试。图5显示ADPD188BI的工作原理。

　　图 5. ADPD188BI 的工作原理。

　　ADPD188BI 的高集成密度关系到汉堡包烟雾干扰测试的"成与败"。在固定电流下，不同LED的发光强度通常有很大的差异，因此过去都是由烟雾报警器制造商执行烟雾报警器校准。校准LED发光强度与电流之间的斜率和偏移，可以确保所有LED保持具有相同的性能表现。因为LED和整个信号路径都集成到ADPD188BI中，所以ADI会预先校准传感器模块，这样就可以减少器件之间的差异。由于烟雾报警器制造商可以采用预先校准的模块，因此简化了系统设计。

　　ADI使用的校准方法是直接校准LED的斜率和偏移。所以，将ADPD188BI放置在反射器下方，然后由集成的光电二极管测量反射光。可以针对每个ADPD188BI分别确定斜率和偏移量，校准系数则存储在芯片的非易失性存储器（即eFUSE寄存器）中。通过读取这些系数，可以尽可能地减小芯片之间的差异。这意味着可以在算法中更精确地设置报警阈值，从而降低误报率，最终通过UL测试。

　　总结

　　满足烟雾探测法规要求的过程非常严格和复杂，每个地区都有一套非常详细的测试，但是，通过目前最严格的两项标准UL 217和UL 268就意味着产品有很好的合规性。UL新推出的汉堡包烟雾干扰测试很难通过，因为煎烤汉堡肉饼时产生的烟雾颗粒与正常的烟雾颗粒差别不大。所以，烟雾传感器需要具备高信噪比，以区分汉堡肉饼产生的烟雾和其他类型的烟雾。在这个过程中，传感器之间的低差异具有决定性的作用。只有可靠地完成测量并通过测试，才能减少最终应用中的烟雾传感器误报。

　　ADI公司的新型集成光学烟雾检测模块ADPD188BI是一款高度灵敏的集成传感器模块，不仅具备高信噪比、支持双色检测，还可通过UL新的测量系统，满足未来对安全性、成本和可靠性的所有要求。此外，UL组件认可是指UL对完整产品或系统中使用的组件或材料进行评估，这些组件只能用于符合UL认证标准的终端产品中。据悉，ADPD188BI和烟室正申请列入UL认可组件中。