2.1 传感器技术及应用
随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域中的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种传感器，不仅能代替人的感官功能，并且在检测人的感官所不能感受的参数方面创造了十分有利的条件。
从作用来看，传感器实质上就是代替人体的5种感觉（视、听、触、嗅、味）器官的装置。智能机器人的作用就是能同时替代、扩展人类的体力劳动和脑力劳动。图2-1所示为人类与智能机器人之间的某种对应关系，形象地表达了传感器的作用，即传感器能感知外界各种被测信号。
在微型计算机广为普及的今天，如果没有各种类型的传感器提供可靠、准确的信息，计算机控制就难以实现。
图2-1 人类与智能机器人之间的对应关系
传感器技术是利用各种功能材料实现现代信息检测的一门应用技术，它是检测（传感）原理、材料科学和工艺加工3个要素的最佳结合。传感技术的研究和开发，不仅要求原理正确，选材合理，而且要求有先进、高精度的加工装配技术。
2.1.1 传感器概述
1.传感器的定义
楼宇智能化技术中，有很多待测量都是非电量，如水位、温度、湿度等，而非电量不能被计算机接收和处理，所以必须先把待测的非电量转换成电量。
国家标准《传感器通用术语》（GB/T 7665—2005）对传感器（Transducer或者Sensor）下的定义：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，即把各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量），以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
简单地讲，传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置。这种发生能量变换的过程称为“传感”，传感器又叫换能器、变换器、探测器或一次仪表。
2.传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路3个部分组成，有时还需要加辅助电源，如图2-2所示。
图2-2 传感器的组成
（1）敏感元件。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换成电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再将其变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称为预变换器。例如，在传感器中各种类型的弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。
（2）转换元件。将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
需要指出的是，并不是所有传感器都包括敏感元件和转换元件，如热敏电阻、光电器件等。
（3）测量电路。将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路及其他特殊电路，如振荡电路等。
3.传感器的分类及命名
（1）传感器的分类。由于传感器的种类很多，所以分类方法也较多。按能量传递方式可分为有源传感器和无源传感器，按输出信号的性质可分为模拟量传感器和数字量传感器。
最常用的分类方法有两种：第一种是按工作原理分类，如应变式、光电式、电动式、电热式、压电式、压阻式、电感式、电容式、电化学式等；第二种是按被测量分类，如位移传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、压力传感器等。这两种分类方法的共同缺点是都只强调了一个方面，所以在许多场合是将上述两种分类方法综合使用，如应变式压力传感器、压阻式压力传感器等。
（2）传感器的命名
传感器的名称由4部分构成：主题词（传感器，代号C）、被测量（用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记）、转换原理（用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记）、特征描述（用阿拉伯数字或阿拉伯数字和字母标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等）。例如，“CWY-WL-10”表示序号为10的电涡流位移传感器，“CY-YZ-2A”表示序号为2A的压阻式压力传感器。
2.1.2 智能楼宇中的典型传感器
智能楼宇中的传感器通常需要将压力、振动、声音、光、位移等转换成相应的电信号，再经过放大、滤波、整形等处理，使其成为易于传输的数字或模拟信号。
目前，常用的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、超声波传感器、红外传感器和液位传感器等。
下面介绍几种典型的传感器及其应用。
1.温度传感器
温度传感器是检测温度的器件，用于测量水管或风管中介质的温度，以此来控制相应的水泵、风机、阀门和风门等执行元件的开度。
（1）定温式探测器。定温式探测器是温度达到或超过预定值时响应的火灾探测器，它有点型和线型两种结构。
① 点型定温式探测器利用双金属片、易熔合金、热电偶、热敏电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号。双金属片定温式探测器是由热膨胀系数不同的双金属片和固定触点组成的，其结构示意如图2-3所示。当环境温度升高时，双金属片由于热膨胀系数不同而向上弯曲，达到一定温度，触点便闭合，输出报警信号。其常用结构形式有圆筒状和圆盘状两种。
② 线型定温探测器是在两根导线之间用一种在常温下呈绝缘特性的材料填充隔离，一旦发生火灾，在失火范围的电缆温度升高到预定值时，该绝缘材料熔化，使两根导线短路而发出报警信号。
（2）差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温元件是空气膜盒、热敏电阻元件等。
空气膜盒差温式探测器结构示意如图2-4所示，感温外罩与底座形成密闭的气室，称感温室。孔径很小的泄漏孔和大气相通，当环境温度缓慢变化时，气室内外的空气通过泄漏孔的调节作用使内外压力保持平衡。如遇火灾，由于升温速率很快，气室内空气来不及外溢迅速受热膨胀，使气室压力增高将波纹片凸起，接通触点发出报警信号。
图2-3 双金属片定温式探测器结构示意
图2-4 空气膜盒差温式探测器结构示意
（3）差定温式探测器。顾名思义，这是一种兼有差温和定温两种功能的感温式火灾探测器，当其中某一种功能失效时，另一种功能仍能起作用，因而大大提高了可靠性。差定温式探测器一般多为空气膜盒式或热敏电阻等点型的组合式。
（4）感温元件
① 热敏电阻。热敏电阻是敏感元件的一类，其电阻值会随着热敏电阻本体温度的变化呈现出阶跃性的变化，具有半导体特性。
热敏电阻按照温度系数的不同分为正温度系数热敏电阻（简称PTC热敏电阻）和负温度系数热敏电阻（简称NTC热敏电阻）。正温度系数热敏电阻其电阻值随着PTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大。负温度系数热敏电阻其电阻值随着NTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的减小，温度越高，电阻值越小。负温度系数的热敏电阻常用于空调系统的温度测定。
② 热电偶。热电偶也是工业上最常用的温度检测元件之一，其工作原理是基于赛贝克（Seebeck）效应，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如果两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。热电偶的优点如下所述。
a.测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，所以其测量精度较高。
b.测量范围广。常用的热电偶从−50～+1 600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到−269℃（如镍铬-金铁），最高可达+2 800℃（如钨-铼）。
c.构造简单。
2.湿度传感器
湿度传感器主要用来检测现场的湿度，一般由湿敏元件（湿敏元件多种多样，如氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等）、控制电路和信号输出3部分组成。湿敏元件利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理而制成。在楼宇控制中，湿度传感器主要用于室内的湿度检测，从而控制加湿阀的启停。
湿度传感器依据所使用的材料不同，分为电解质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等。
（1）电解质型湿度传感器。以氯化锂为电解质的湿度传感器为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子电导，随湿度升高而电阻减小。
（2）陶瓷型湿度传感器。它一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。
（3）高分子型湿度传感器。高分子型湿度传感器先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类有很多，工作原理也各不相同。
（4）半导体型湿度传感器。半导体型湿度传感器所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成二极管湿敏元件和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）湿敏元件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。
半导体湿敏元件具有较好的热稳定性，较强的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测得准确的湿度数据，而且有响应快、使用温度范围宽（可在150℃以下使用）、可加热清洗等优点，在实际应用中占有很重要的地位。
3.压力传感器
能够检测压力值并提供远传信号的装置统称为压力传感器。压力传感器的结构形式多种多样，常见的有应变式、压阻式、电容式、压电式、振荡式等，此外，还有光电式、光纤式、超声式等。现介绍以下几种主要的压力传感器。
（1）应变式压力传感器。各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。应变元件的工作原理是基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻将发生变化。电阻值的相对变化与应变的关系为
式中：ε为材料的应变；K为材料的电阻应变系数，金属材料的K值为2～6，半导体材料的K值可达60～180。
应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种类型，常见的有圆膜片、弹性梁、应变筒等，精度都较高，测量范围可达几百兆帕。
（2）压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是基于半导体的压阻效应，它不同于应变式压力传感器所用的半导体型应变元件，而是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻。硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为
式中：πe为压阻系数；σ为应力。
压阻式压力传感器的灵敏度高，频率响应好，结构简单，可以小型化，可用于静态、动态压力测量；应用广泛，测量范围有0～0.0005MPa、0～0.002MPa和0～0.210MPa；其精确度为±0.02%～±0.2%。
（3）压电式压力传感器。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。
压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。在正压电效应中，单位面积产生的电荷数与应力成正比；在逆压电效应中，应变与电场强度成正比。
在智能楼宇中，可用压电式玻璃破碎传感器来进行报警，其电路图如图2-5所示。对某块玻璃实施冲撞，导致玻璃碎裂或在玻璃上留下一个孔洞（或裂缝），这种结果称为破碎。
把这种基于正压电效应技术与数字信号处理相结合的传感器通过一种黏合剂粘接在玻璃表面上，然后通过电缆和报警电路相连，它能对玻璃破碎时通过玻璃传送的冲击波做出响应。
图2-5 压电式玻璃破碎传感器电路
除易碎的玻璃以外，相类似的振动传感器还可以粘贴在待保护的门、墙、屋顶等物体表面，适当调节灵敏度，确保最佳探测性能和抗误报功能，对于屋外的风、雨或路过汽车等引起的干扰不会产生误报，而对敲击振荡却有极高的灵敏度，发出电信号报警。
为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱带通内衰减小，而带通外衰减要尽量大。由于物体振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使带通滤波器成为电路中的关键元件，当传感器输出信号高于设定的值时，比较电路才会输出报警信号，驱动报警执行机构。
另外，有时候也用玻璃破碎的声音和振荡时的次声波来报警。