樓宇智能化的關鍵技術傳感器技術及應用2.1智能樓宇中的典型執行機構2.2智能樓宇的檢測技術2.32.1傳感器技術及應用

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三個要素的最佳結合。1．傳感器的定義2.1.1傳感器概述

國家標準GB7665—87對傳感器（transducer或者sensor）下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，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，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為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。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三部分組成，有時還需要加輔助電源，如圖2-2所示。圖2-2傳感器組成

（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。

（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。（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。3．傳感器的分類及命名

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、流量傳感器、壓力傳感器等。

傳感器的命名由四部分構成：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（用一個阿拉伯數字標記，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，序號為10的電渦流位移傳感器CWY-WL-10；序號為2A的壓阻式壓力傳感器CY-YZ-2A。1．溫度傳感器2.1.2智能樓宇中的典型傳感器

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。

火災報警系統中所用到的傳感器有感溫式、感光式、感煙式、可燃氣體探測器等幾種，而溫感探測器是對監視范圍內某一點或某一段周圍的溫度參數敏感響應的一種火災探測器。

（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感溫式探測器，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。

（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。

（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感溫探測器。

熱敏電阻，它是敏感元件的一類，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．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、控制電路、信號輸出三部分組成。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，用以控制加濕閥啟停。

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濕度傳感器。（1）電解質型。以氯化鋰為例，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。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。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也很多，工作原理各不相同。

（4）半導體型。所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成二極管濕敏器件和MOSFET濕敏器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。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。

（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。

所謂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。圖2-5壓電式玻璃破碎傳感器電路圖

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。2.2智能樓宇中的典型執行機構2.2.1執行器概述

執行器由執行機構和調節機構組成，它接收來自調節器的調節信號，由執行機構轉換成角位移或線位移輸出，再驅動調節機構改變被調介質的物質量（或能量），以達到要求的狀態。執行器是自控調節系統中的重要環節。

執行機構使用的能源種類可分為氣動、電動、液動三種。智能樓宇的空調系統中常用電動和氣動兩種執行器。

執行機構與調節機構的連接有兩種方式（1）直接連接。執行機構一般安裝在調節機構（如閥門）的上部，直接驅動調節機構，這類執行機構有直行程電動執行機構、電磁閥的線圈控制機構、電動閥門的電動裝置、氣動薄膜執行機構和氣動活塞執行機構等。

（2）間接連接。執行機構與調節機構分開安裝，通過轉臂及連桿連接，轉臂作回轉運動。此類執行機構有角行程電動執行機構、氣動長行程執行機構。2.2.2電動執行器電動執行器的組成一般采用隨動系統的方案，如圖2-6所示。圖2-6電動執行器隨動系統框圖

電動執行機構根據配用的調節機構不同，輸出方式有直行程、角行程和多轉式三種類型。智能樓宇中，空調、通風控制系統常用的電動執行器有以下幾種。（1）電磁閥。電磁閥是常用的電動執行器之一，其結構簡單、價格低廉，結構原理如圖2-8所示。它是利用線圈通電后，產生電磁吸力提升活動鐵芯，帶動閥塞運動控制氣體或液體流通、通斷。

（2）電動調節閥。電動調節閥在空調控制中使用比較普遍，其基本結構如圖2-9所示，由電動執行機構和調節閥兩大部分組成，電動調節閥是以電動機為動力元件，將控制器輸出信號轉換為閥門開度。它是一種連續動作的執行器。圖2-8電磁閥結構原理圖

圖2-9電動調節閥結構原理圖

（3）風門。在智能樓宇的空調、通風系統中，使用得比較多的執行器還有風門。風門用來精確控制風的流量，其結構原理如圖2-11所示。圖2-11風門的結構原理圖風門實物如圖2-12所示。圖2-12風門實物圖

（4）電加熱器的執行設備。在采用電加熱器的空調溫度自動調節系統中，執行元件一般是電氣控制設備，如采用位式調節則為繼電器、接觸器或晶閘管（可控硅）交流開關等。2.2.3氣動執行器

氣動執行器就是驅動氣動調節閥。氣動調節閥具有結構簡單、動作可靠、性能穩定、安全價廉以及維修方便等特點。它可以經電/氣轉換器或電/氣轉換閥門定位器與電動調節器配套使用。但由于受氣源的限制，氣動調節閥在空調中不如電動調節閥應用普遍。

氣動調節閥也是由執行機構和調節閥兩部分組成的。執行機構一般分為氣動薄膜式和活塞式兩種?；钊捷敵隽Υ螅m用于高靜壓、高壓差、大口徑等場合。在空調中一般使用薄膜式調節閥。

與執行機構配套的調節閥有氣開式和氣關式兩種。氣開式即氣動信號壓力增大時，閥開啟；氣關式即在氣動信號壓力增大時，閥關閉。氣開式和氣關式是由執行機構的正、反作用及調節閥的正、反方式決定的。2.3智能樓宇的檢測技術2.3.1溫度檢測技術

溫度反映物體的冷熱程度。溫度檢測原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關的物理量，即可確定被測對象的溫度。

溫度檢測的方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。采用接觸式測溫時，溫度敏感元件與被測對象有良好的熱接觸，通過傳導或對流進行熱交換。但因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換，它往往會破壞被測對象的熱平衡，存在置入誤差，而且需要一定的時間才能達到熱平衡，同時受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量，如熱電阻傳感器等。

采用非接觸式測溫方法，溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，或者是溫度敏感元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能的大小推出被測對象的溫度，這種方法測溫響應快，對被測對象干擾小，可測量高溫、運動的被測對象和有強電磁干擾、強腐蝕的場合，但受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大，如紅外高溫傳感器、光纖高溫傳感器等。溫度檢測方法的分類如表2-1所示。表2-1 溫度檢測方法的分類測溫方式類

別原

理典型儀表測溫范圍/℃接觸式膨脹類利用液體、氣體的熱膨脹及物質的蒸汽壓變化玻璃液體溫度計?100～600壓力式溫度計?100～500利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計?80～600熱電類利用熱電效應熱電偶?200～1?800電阻類固體材料的電阻隨溫度而變化鉑熱電阻?260～850銅熱電阻?50～150熱敏電阻?50～300其他電學類半導體器件的溫度效應集成溫度傳感器?50～150晶體的固有頻率隨溫度而變化石英晶體溫度計?50～120非接觸式光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳光介質光纖溫度傳感器?50～400光纖輻射溫度計200～4?000輻射類利用普朗克定律光電高溫計800～3?200輻射傳感器400～2?000比色溫度計500～3?2002.3.2濕度檢測技術

樓宇智能中對濕度的檢測主要用于室內外的空氣濕度、風道的排風和回風的濕度檢測等。濕度是指大氣中所含的水蒸氣量。最常用的有兩種表示方法，即絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對含量，用g/m3表示。絕對濕度也可稱為水氣濃度或水氣密度。

相對濕度為某一被測氣壓與相同溫度下飽和蒸汽壓比值的百分數，常用%RH

表示。這是一個無量綱值。顯然，絕對濕度給出了水分在空間的具體含量，相對濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用廣泛。

濕度的檢測方法很多，傳統的方法是露點法、毛發膨脹法和干濕球溫度測量法。智能樓宇空調系統中常用到溫濕度檢測儀表。2.3.3壓力檢測技術

壓力定義為垂直均勻地作用于單位面積上的力，通常用p表示。主要的壓力檢測方法及分類有如下幾種。（1）重力平衡方法。（2）機械力平衡方法。（3）彈性力平衡方法。（4）物性測量方法。

壓力檢測儀的選用依據主要有以下幾個方面。

①控制系統對壓力檢測的要求。例如，測量精度、被測范圍以及對附加裝置的要求等。

②被測介質的性質。例如，介質溫度高低、黏稠度大小、有無腐蝕和易燃易爆情況等。

③現場環境條件。例如，高溫、腐蝕、潮濕、振動等。

在智能化樓宇中，壓力的檢測主要用于風道靜壓、供水管壓、差壓的檢測，有時也用來測量液位的高度，如水箱的水位等，大部分的應用屬于微小壓力的測量，量程在0～5000Pa。2.3.4流量檢測技術

流體的流量是指在短暫時間內流過某一流通截面的流體數量與通過時間之比，該時間足夠短，以致可認為在此期間的流動是穩定的。流體數量以體積表示稱為體積流量，以質量表示稱為質量流量。流量檢測方法可以歸為體積流量檢測和質量流量檢測兩種方式。測量流量的儀器稱為流量計，流量計種類繁多，適合于不同的工作場合。按照檢測原理分類的典型流量計如表2-2所示。表2-2 流量計的分類類別儀表名稱體積流量計容積式流量計橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮模式流量計等差壓式流量計節流式流量計、勻速管流量計、彎管流量計、靶式流量計、浮子流量計等速度式流量計渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計等質量流量計推導式質量流量計體積流量經密度補償或溫度、壓力補償求得質量流量等直接式質量流量計科里奧利流量計、熱式流量計、沖量流量計等

簡介幾種流量計的原理及應用。（1）容積式流量計。這種流量計是直接根據排出體積進行流量累計的儀表，它利用運動元件的往復次數或轉速與流體的連續排出量成比例，對被測流體進行連續的檢測。

（2）超聲波流量計。這種流量計利用超聲波在流體中的傳播特性實現流量測量。超聲波在流體中傳播，將受到流體速度的影響，檢測接收的超聲波信號可以測知流速，從而求得流體流量。超聲波流量計可夾裝在管道外表面，如圖2-20所示。圖2-20超聲波流量計

（3）差壓式流量計。如圖2-21所示，這種流量計是基于在流通管道上設置流動阻力件，流體通過阻力件時將產生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數值關系，通過測量差壓值可以求得流體流量。圖2-21差壓式流量計2.3.5液位檢測技術

液位指設備和容器中液體介質表面的高度。