2.1 傳感器技術及應用

隨著現代測量、控制和自動化技術的發展，傳感器技術越來越受到人們的重視。特別是近年來，由于科學技術、經濟發展及生態平衡的需要，傳感器在各個領域中的作用也日益顯著。在工業生產自動化、能源、交通、災害預測、安全防衛、環境保護、醫療衛生等方面所開發的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測人的感官所不能感受的參數方面創造了十分有利的條件。

從作用來看，傳感器實質上就是代替人體的5種感覺（視、聽、觸、嗅、味）器官的裝置。智能機器人的作用就是能同時替代、擴展人類的體力勞動和腦力勞動。圖2-1所示為人類與智能機器人之間的某種對應關系，形象地表達了傳感器的作用，即傳感器能感知外界各種被測信號。

在微型計算機廣為普及的今天，如果沒有各種類型的傳感器提供可靠、準確的信息，計算機控制就難以實現。

傳感器技術是利用各種功能材料實現現代信息檢測的一門應用技術，它是檢測（傳感）原理、材料科學和工藝加工3個要素的最佳結合。傳感技術的研究和開發，不僅要求原理正確，選材合理，而且要求有先進、高精度的加工裝配技術。

2.1.1 傳感器概述

1.傳感器的定義

樓宇智能化技術中，有很多待測量都是非電量，如水位、溫度、濕度等，而非電量不能被計算機接收和處理，所以必須先把待測的非電量轉換成電量。

國家標準《傳感器通用術語》（GB/T 7665—2005）對傳感器（Transducer或者Sensor）下的定義：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測和感受到的信息，按一定規律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，即把各種非電量（包括物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量（一般為電量），以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

簡單地講，傳感器就是將外界被測信號轉換為電信號的電子裝置。這種發生能量變換的過程稱為“傳感”，傳感器又叫換能器、變換器、探測器或一次儀表。

2.傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和測量電路3個部分組成，有時還需要加輔助電源，如圖2-2所示。

（1）敏感元件。在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用現有手段直接變換成電量，往往是將被測非電量預先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再將其變換為電量。能夠完成預變換的器件稱為敏感元件，又稱為預變換器。例如，在傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件，并統稱為彈性敏感元件。

（2）轉換元件。將感受到的非電量直接轉換為電量的器件稱為轉換元件，如壓電晶體、熱電偶等。

需要指出的是，并不是所有傳感器都包括敏感元件和轉換元件，如熱敏電阻、光電器件等。

（3）測量電路。將轉換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號的電路稱為測量電路。測量電路的類型視轉換元件的分類而定，經常采用的有電橋電路及其他特殊電路，如振蕩電路等。

3.傳感器的分類及命名

（1）傳感器的分類。由于傳感器的種類很多，所以分類方法也較多。按能量傳遞方式可分為有源傳感器和無源傳感器，按輸出信號的性質可分為模擬量傳感器和數字量傳感器。

最常用的分類方法有兩種：第一種是按工作原理分類，如應變式、光電式、電動式、電熱式、壓電式、壓阻式、電感式、電容式、電化學式等；第二種是按被測量分類，如位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等。這兩種分類方法的共同缺點是都只強調了一個方面，所以在許多場合是將上述兩種分類方法綜合使用，如應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。

（2）傳感器的命名

傳感器的名稱由4部分構成：主題詞（傳感器，代號C）、被測量（用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記）、轉換原理（用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記）、特征描述（用阿拉伯數字或阿拉伯數字和字母標記，廠家自定，用來表征產品設計特性、性能參數、產品系列等）。例如，“CWY-WL-10”表示序號為10的電渦流位移傳感器，“CY-YZ-2A”表示序號為2A的壓阻式壓力傳感器。

2.1.2 智能樓宇中的典型傳感器

智能樓宇中的傳感器通常需要將壓力、振動、聲音、光、位移等轉換成相應的電信號，再經過放大、濾波、整形等處理，使其成為易于傳輸的數字或模擬信號。

目前，常用的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器和液位傳感器等。

下面介紹幾種典型的傳感器及其應用。

1.溫度傳感器

溫度傳感器是檢測溫度的器件，用于測量水管或風管中介質的溫度，以此來控制相應的水泵、風機、閥門和風門等執行元件的開度。

（1）定溫式探測器。定溫式探測器是溫度達到或超過預定值時響應的火災探測器，它有點型和線型兩種結構。

① 點型定溫式探測器利用雙金屬片、易熔合金、熱電偶、熱敏電阻等元件，在規定的溫度值上產生火災報警信號。雙金屬片定溫式探測器是由熱膨脹系數不同的雙金屬片和固定觸點組成的，其結構示意如圖2-3所示。當環境溫度升高時，雙金屬片由于熱膨脹系數不同而向上彎曲，達到一定溫度，觸點便閉合，輸出報警信號。其常用結構形式有圓筒狀和圓盤狀兩種。

② 線型定溫探測器是在兩根導線之間用一種在常溫下呈絕緣特性的材料填充隔離，一旦發生火災，在失火范圍的電纜溫度升高到預定值時，該絕緣材料熔化，使兩根導線短路而發出報警信號。

（2）差溫式探測器。差溫式探測器是在規定時間內，火災引起的溫度上升速率超過某個規定值時啟動報警的火災探測器。它也有線型和點型兩種結構。線型差溫式探測器是根據廣泛的熱效應而動作的，點型差溫式探測器是根據局部的熱效應而動作的，主要感溫元件是空氣膜盒、熱敏電阻元件等。

空氣膜盒差溫式探測器結構示意如圖2-4所示，感溫外罩與底座形成密閉的氣室，稱感溫室。孔徑很小的泄漏孔和大氣相通，當環境溫度緩慢變化時，氣室內外的空氣通過泄漏孔的調節作用使內外壓力保持平衡。如遇火災，由于升溫速率很快，氣室內空氣來不及外溢迅速受熱膨脹，使氣室壓力增高將波紋片凸起，接通觸點發出報警信號。

（3）差定溫式探測器。顧名思義，這是一種兼有差溫和定溫兩種功能的感溫式火災探測器，當其中某一種功能失效時，另一種功能仍能起作用，因而大大提高了可靠性。差定溫式探測器一般多為空氣膜盒式或熱敏電阻等點型的組合式。

（4）感溫元件

① 熱敏電阻。熱敏電阻是敏感元件的一類，其電阻值會隨著熱敏電阻本體溫度的變化呈現出階躍性的變化，具有半導體特性。

熱敏電阻按照溫度系數的不同分為正溫度系數熱敏電阻（簡稱PTC熱敏電阻）和負溫度系數熱敏電阻（簡稱NTC熱敏電阻）。正溫度系數熱敏電阻其電阻值隨著PTC熱敏電阻本體溫度的升高呈現出階躍性的增加，溫度越高，電阻值越大。負溫度系數熱敏電阻其電阻值隨著NTC熱敏電阻本體溫度的升高呈現出階躍性的減小，溫度越高，電阻值越小。負溫度系數的熱敏電阻常用于空調系統的溫度測定。

② 熱電偶。熱電偶也是工業上最常用的溫度檢測元件之一，其工作原理是基于賽貝克（Seebeck）效應，即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如果兩連接端溫度不同，則在回路內產生熱電流的物理現象。熱電偶的優點如下所述。

a.測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響，所以其測量精度較高。

b.測量范圍廣。常用的熱電偶從?50～+1 600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到?269℃（如鎳鉻-金鐵），最高可達+2 800℃（如鎢-錸）。

c.構造簡單。

2.濕度傳感器

濕度傳感器主要用來檢測現場的濕度，一般由濕敏元件（濕敏元件多種多樣，如氯化鋰濕敏元件、半導體陶瓷濕敏元件、熱敏電阻濕敏元件、高分子膜濕敏元件等）、控制電路和信號輸出3部分組成。濕敏元件利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發生變化的原理而制成。在樓宇控制中，濕度傳感器主要用于室內的濕度檢測，從而控制加濕閥的啟停。

濕度傳感器依據所使用的材料不同，分為電解質型、陶瓷型、高分子型和半導體型等。

（1）電解質型濕度傳感器。以氯化鋰為電解質的濕度傳感器為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產生離子電導，隨濕度升高而電阻減小。

（2）陶瓷型濕度傳感器。它一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。

（3）高分子型濕度傳感器。高分子型濕度傳感器先在玻璃等絕緣基板上蒸發梳狀電極，通過浸漬或涂覆，使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類有很多，工作原理也各不相同。

（4）半導體型濕度傳感器。半導體型濕度傳感器所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成二極管濕敏元件和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）濕敏元件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。

半導體濕敏元件具有較好的熱穩定性，較強的抗沾污能力，能在惡劣、易污染的環境中測得準確的濕度數據，而且有響應快、使用溫度范圍寬（可在150℃以下使用）、可加熱清洗等優點，在實際應用中占有很重要的地位。

3.壓力傳感器

能夠檢測壓力值并提供遠傳信號的裝置統稱為壓力傳感器。壓力傳感器的結構形式多種多樣，常見的有應變式、壓阻式、電容式、壓電式、振蕩式等，此外，還有光電式、光纖式、超聲式等。現介紹以下幾種主要的壓力傳感器。

（1）應變式壓力傳感器。各種應變元件與彈性元件配用，組成應變式壓力傳感器。應變元件的工作原理是基于導體和半導體的“應變效應”，即當導體和半導體材料發生機械變形時，其電阻將發生變化。電阻值的相對變化與應變的關系為

式中：ε為材料的應變；K為材料的電阻應變系數，金屬材料的K值為2～6，半導體材料的K值可達60～180。

應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據被測介質和測量范圍的不同而采用各種類型，常見的有圓膜片、彈性梁、應變筒等，精度都較高，測量范圍可達幾百兆帕。

（2）壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器是基于半導體的壓阻效應，它不同于應變式壓力傳感器所用的半導體型應變元件，而是用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻。硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發生變化。其相對電阻變化可表示為

式中：πe為壓阻系數；σ為應力。

壓阻式壓力傳感器的靈敏度高，頻率響應好，結構簡單，可以小型化，可用于靜態、動態壓力測量；應用廣泛，測量范圍有0～0.0005MPa、0～0.002MPa和0～0.210MPa；其精確度為±0.02%～±0.2%。

（3）壓電式壓力傳感器。壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應將被測壓力轉換為電信號的。它是動態壓力檢測中常用的傳感器，不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。

壓電效應是指某些介質在力的作用下，產生形變，引起介質表面帶電，這是正壓電效應；反之，施加激勵電場，介質將產生機械變形，稱逆壓電效應。在正壓電效應中，單位面積產生的電荷數與應力成正比；在逆壓電效應中，應變與電場強度成正比。

在智能樓宇中，可用壓電式玻璃破碎傳感器來進行報警，其電路圖如圖2-5所示。對某塊玻璃實施沖撞，導致玻璃碎裂或在玻璃上留下一個孔洞（或裂縫），這種結果稱為破碎。

把這種基于正壓電效應技術與數字信號處理相結合的傳感器通過一種黏合劑粘接在玻璃表面上，然后通過電纜和報警電路相連，它能對玻璃破碎時通過玻璃傳送的沖擊波做出響應。

除易碎的玻璃以外，相類似的振動傳感器還可以粘貼在待保護的門、墻、屋頂等物體表面，適當調節靈敏度，確保最佳探測性能和抗誤報功能，對于屋外的風、雨或路過汽車等引起的干擾不會產生誤報，而對敲擊振蕩卻有極高的靈敏度，發出電信號報警。

為了提高報警器的靈敏度，信號經放大后，需經帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜帶通內衰減小，而帶通外衰減要盡量大。由于物體振動的波長在音頻和超聲波的范圍內，這就使帶通濾波器成為電路中的關鍵元件，當傳感器輸出信號高于設定的值時，比較電路才會輸出報警信號，驅動報警執行機構。

另外，有時候也用玻璃破碎的聲音和振蕩時的次聲波來報警。