雙波長技術細分微粒大小　光電煙霧感測系統更聰明

光電煙霧警報器使用多個波長的光源，因而可以區分微粒大小。借助多個波長，煙霧警報器得以區分不同類型的煙霧和常見的干擾源，從而提高煙霧警報器排除干擾源和避免誤報的能力。

以亞德諾(ADI)基於光學雙波長技術的光電式煙霧偵測系統為例，相關模組整合高效率的光電式測量前端、藍光和紅外光(IR)發光二極體(LED)以及光電二極體(PD)。這些元件採用客製化封裝來防止光線未通過煙霧偵測室而從LED直接射入光電二極體。本文所描述的，即是按照煙霧探測器UL認證所要求的全部UL 217和UL 268測試以及EN 54炫目測試的說明，以及針對此系統所進行的相關測試內容。

UL測試

根據UL 217第8版煙霧探測器規範中列出的全套煙霧測試，進而對該煙霧偵測系統進行評估。任何在北美銷售的煙霧探測器都必須通過這些測試才能獲得UL認證。透過表徵系統對這些煙霧源的回應，這些測試向煙霧探測器製造商顯示採用該系統的最終煙霧探測器設計的預期性能，並為分類和臨界值設置演算法提供指導。

硬體

用於UL測試的測試硬體為EVAL-ADPD188BI-SK評估板，其透過EVAL-ADPDUCZ微控制器板控制。本文所提供的煙霧回應資料是利用評估板所收集的，並沒有任何外殼或煙霧腔，以便能良好地體現感測器的性能(圖1、圖2)。

已執行的UL測試

以整合式光學模組進行表1中所示的測試。所有測試均在美國伊利諾州迪爾菲爾德的UL實驗室進行。測試的操作和參考資料的收集均由UL人員完成。所有煙霧偵測系統硬體和軟體均由ADI公司人員維護和操作。

在UL試驗室內，每個煙霧警報器位置處的煙霧遮蔽水準由安裝在煙霧探測器測試位置附近的光電管光束元件監測，該元件與煙霧源相距預定距離(根據所進行的UL測試確定)。UL參考光束測量煙霧遮蔽水準與時間的關係，用每英尺遮蔽百分比表示。收集光束資料並加上時間標記，以與煙霧偵測感測器資料相關聯。

結果展示

煙霧偵測系統藍光和紅外光通道的煙霧回應用功率傳輸比(PTR)表示，單位為nW/mW，即返回到光電二極體的光功率(nW)除以LED發射的光功率(mW)。以這種方式表示煙霧回應可以為不同光學系統和系統內的不同設置提供一個獨立於類比前端(AFE)配置的通用計量單位。此外，它還支援對不同類型的煙霧進行有意義的比較。

從PTR到系統預期的實際代碼數的轉換是特定AFE設置(包括增益、脈衝數和LED電流)的函數。AFE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鍵系統參數，例如平均功耗、環境光抑制和訊號雜訊比(SNR)。對於任何給定的設定，可以計算出系統對每類煙霧的預期輸出。

測試結果

如表2所示，針對不同類型的煙霧，每個UL測試都有限值，達到該限值時就必須觸發警報。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準之前，有些測試(例如燃燒木材測試)要求告警發生在點火後的某一時間限值之前。

收集每個測試的資料，並將參考光束回應與煙霧偵測系統的藍光和紅外光回應時間對準來生成曲線。在所有測試中，其響應與參考資料相當符合，這證明該感測器能夠偵測UL 217全套測試中的所有煙霧。

圖3顯示了燃燒聚氨酯測試的例子。在此例中，(b)曲線是參考光束的回應，用右側y軸上每英尺的遮蔽百分比表示。(a)曲線是對藍光LED的回應。(c)曲線是對紅外光LED的回應。藍光和紅外光回應均表示為左側y軸上的PTR，單位為nW/mW。參考光束回應顯示了遮蔽水準如何隨時間變化。藍光和紅外光回應顯示了不同類型煙霧在不同遮蔽水準下的功率傳輸比率，讓使用者可以根據所偵測的煙霧類型確定所必須的LED功率水準設置，以在特定臨界值水準觸發警報。

燃燒聚氨酯測試的UL規範要求必須在每英尺5%遮蔽且進入測試配置小於4分鐘觸發警報。圖3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%的遮蔽臨界值。當為煙霧偵測系統的設置告警臨界值時，必須選擇在在每英尺5%遮蔽之前。根據圖3所示的資料，藍光的告警臨界值可以設置為大約2nW/mW，紅外光設置為大約0.8nW/mW。最終應用中必須酌情給這些臨界值水準添加一定的裕量以適合煙霧偵測演算法。

解釋測試結果

圖4和圖5顯示了在額定遮蔽和/或時間臨界值下UL 217煙霧測試的藍光和紅外光響應(表2)。圖中每個柱條的未填充部分代表測量水準。在柱條的填充部分中，減小臨界值以提供額外的20%偵測誤差裕量。對於漢堡包干擾測試，柱條的填充部分顯示臨界值增加，以提供額外的20%不偵測誤差裕量。

圖6顯示了各種煙霧測試的藍光回應與紅外光回應的比率。隨著微粒尺寸變小(在約1μm以下)，藍光/紅外光比率增大。偵測演算法可以使用該比率以及絕對功率水準和時間回應，以更好地區分煙霧和干擾源。

圖4和圖5中的資料表明，有效的煙霧警報器臨界值必須根據PTR最低的燃燒聚氨酯測試的靈敏度來設定，因而是所有測試過的煙霧源中響應最小的。漢堡干擾測試定義了防止誤報的靈敏度下限臨界值。相對於燃燒聚氨酯，每種其他類型的煙霧都有高得多的回應。如果適當設置臨界值以在聚氨酯燃燒時告警，則對於UL 217標準中定義的所有其他有效類型的煙霧，煙霧探測器都會觸發警報。對於回應更高的煙霧，如陰燃聚氨酯或燃燒的木材，警報靈敏度水準大大超過了UL 217要求。圖中所示的兩個煙盒測試的資料僅作為參考。這些測試不代表現實世界的煙霧探測場景，並且未包括在任何臨界值設置過程中。UL 217未規定這些測試的絕對偵測要求。

干擾源處理

新的UL 217標準包含防止干擾源引起誤報的規範。本測試為烹飪干擾煙霧測試，在規範的第54節中定義。在測試中，讓漢堡在烤箱中燒焦以產生煙霧。直至煙霧達到每英尺1.5%的遮蔽水準之後，才允許觸發煙霧警報。

如圖4和圖5，烹飪干擾煙霧測試所定義的不允許觸發警報的水準與燃燒聚氨酯煙霧測試所定義的必須觸發警報的水準有重疊，尤其是為PTR臨界值增加裕量之後。由於對這兩個測試的靈敏度的重疊，演算法中必須再增加一級智慧辨別功能，以區分燃燒聚氨酯煙霧測試和烹飪干擾煙霧測試。此外，圖6所示的藍光/紅外光比率資料表明，烹飪干擾煙霧測試的比率在其他有效類型煙霧的範圍內。因此，比率資訊也不能單獨用來區分烹飪干擾煙霧。

圖7顯示了燃燒聚氨酯和烹飪干擾測試的回應與時間的關係。此圖表明，燃燒聚氨酯測試達到告警臨界值的速度(約3.5分鐘)要比烹飪干擾測試達到告警所需遮蔽水準的速度(約16.5分鐘)快得多。煙霧告警演算法可以使用此時間資訊來區分燃燒聚氨酯產生的煙霧和烹飪煙霧，最終確定是否觸發警報。

當煙霧警報器必須區分蒸汽等干擾源與有效煙霧時，會出現類似的問題。從歷史上看，這對於放置在浴室外的煙霧警報器來說是個問題。淋浴蒸汽可能觸發誤報。使用該煙霧偵測系統兩個波長的比率資訊，圖6顯示蒸汽與大多數類型的煙霧相比是更大微粒。因此，比率資訊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法區分蒸汽和陰燃聚氨酯煙霧。

類似於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警報的遮蔽水準也是出現在相差很大的時間尺度上。陰燃聚氨酯的遮蔽告警臨界值為每英尺12%，需要大約30分鐘才能達到，而蒸汽達到類似遮蔽水準的速度要快5到10倍。

歐洲標準炫目測試：EN 14604

多家煙霧探測器製造商正在積極開發無腔煙霧探測器。這些無腔煙霧探測器無煙霧腔，光學元件暴露在外部環境中。無腔煙霧探測器能夠比有腔設計更快地觸發警報，並且還能簡化煙霧探測器的設計，降低成本。此類設計的最大挑戰之一，是光學元件抑制環境光源的能力。

炫目測試的目的是證明煙霧警報器的靈敏度不會受到鄰近人造光源的過度影響。此測試僅適用於光電煙霧警報器，因為一般認為電離腔煙霧警報器不太可能受到影響。

炫目測試將煙霧感測器放置在一個每邊長約38公分的盒子內。兩個側面是敞開的，以允許煙霧流動。圓形螢光燈安裝在盒子的其餘四個側面上。該測試將煙霧探測器暴露在來自四面八方的明亮螢光燈下。規範規定，在螢光燈存在的情況下，煙霧探測器不得觸發誤報，靈敏度改變不得超過60%。測試程式如下：

1. 測試氣霧劑遮蔽水準從每英尺0%逐漸升至每英尺4.2%。

2. 在關燈情況下測量回應度。

3. 清理腔室。

4. 燈先開10秒，再關10秒，迴圈10次。

5. 然後將燈打開至少1分鐘。

6. 如步驟1中那樣，再次讓測試氣霧劑遮蔽水準逐漸上升，並在開燈情況下測量回應度。

7. 關燈並清理腔室。

在這些測試條件下，相較於開燈與關燈時，該煙霧偵測系統藍光通道顯示出7%的靈敏度變化，而紅外光通道的靈敏度變化為3%。這完全在EN規範設定的60%測試限度內(圖8)。

結論

上述範例中是一種利用雙波長技術進行光學煙霧和氣霧偵測的光學模組。該元件已按照UL 217煙霧探測器認證標準進行了測試。本文所提供的資料和結果說明，該煙霧探測器具備UL 217標準所要求的性能，同時能支援實現成本更低的無腔煙霧探測器設計。

(本文作者皆任職於亞德諾)