第2章 楼宇智能化的关键技术 传感器技术及应用 2.1 智能楼宇中的典型执行机构 2.2 智能楼宇的检测技术 2.3

2.1 传感器技术及应用 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三个要素的最佳结合。

2.1.1 传感器概述 1．传感器的定义 国家标准GB 7665—87对传感器（transducer或者sensor）下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，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，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为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。

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三部分组成，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。

（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。 （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。

3．传感器的分类及命名 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、流量传感器、压力传感器等。

传感器的命名由四部分构成：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（用一个阿拉伯数字标记，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，序号为10的电涡流位移传感器CWY-WL-10；序号为2A的压阻式压力传感器CY-YZ-2A。

2.1.2 智能楼宇中的典型传感器 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。

火灾报警系统中所用到的传感器有感温式、感光式、感烟式、可燃气体探测器等几种，而温感探测器是对监视范围内某一点或某一段周围的温度参数敏感响应的一种火灾探测器。

（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感温式探测器，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。

（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。

（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感温探测器。

热敏电阻，它是敏感元件的一类，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．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、控制电路、信号输出三部分组成。 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，用以控制加湿阀启停。

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湿度传感器。 （1）电解质型。以氯化锂为例，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。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。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也很多，工作原理各不相同。

（4）半导体型。所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成二极管湿敏器件和MOSFET湿敏器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

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。

（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。

所谓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。

图2-5 压电式玻璃破碎传感器电路图

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。

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。

2.2 智能楼宇中的典型执行机构 2.2.1 执行器概述 执行器由执行机构和调节机构组成，它接收来自调节器的调节信号，由执行机构转换成角位移或线位移输出，再驱动调节机构改变被调介质的物质量（或能量），以达到要求的状态。执行器是自控调节系统中的重要环节。

执行机构使用的能源种类可分为气动、电动、液动三种。智能楼宇的空调系统中常用电动和气动两种执行器。

执行机构与调节机构的连接有两种方式 （1）直接连接。执行机构一般安装在调节机构（如阀门）的上部，直接驱动调节机构，这类执行机构有直行程电动执行机构、电磁阀的线圈控制机构、电动阀门的电动装置、气动薄膜执行机构和气动活塞执行机构等。

（2）间接连接。执行机构与调节机构分开安装，通过转臂及连杆连接，转臂作回转运动。此类执行机构有角行程电动执行机构、气动长行程执行机构。

2.2.2 电动执行器 电动执行器的组成一般采用随动系统的方案，如图2-6所示。 图2-6 电动执行器随动系统框图

电动执行机构根据配用的调节机构不同，输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型。 智能楼宇中，空调、通风控制系统常用的电动执行器有以下几种。 （1）电磁阀。电磁阀是常用的电动执行器之一，其结构简单、价格低廉，结构原理如图2-8所示。它是利用线圈通电后，产生电磁吸力提升活动铁芯，带动阀塞运动控制气体或液体流通、通断。

（2）电动调节阀。电动调节阀在空调控制中使用比较普遍，其基本结构如图2-9所示，由电动执行机构和调节阀两大部分组成，电动调节阀是以电动机为动力元件，将控制器输出信号转换为阀门开度。它是一种连续动作的执行器。

图2-8 电磁阀结构原理图

 图2-9 电动调节阀结构原理图

（3）风门。在智能楼宇的空调、通风系统中，使用得比较多的执行器还有风门。风门用来精确控制风的流量，其结构原理如图2-11所示。

图2-11 风门的结构原理图

风门实物如图2-12所示。 图2-12 风门实物图

（4）电加热器的执行设备。在采用电加热器的空调温度自动调节系统中，执行元件一般是电气控制设备，如采用位式调节则为继电器、接触器或晶闸管（可控硅）交流开关等。

2.2.3 气动执行器 气动执行器就是驱动气动调节阀。气动调节阀具有结构简单、动作可靠、性能稳定、安全价廉以及维修方便等特点。它可以经电/气转换器或电/气转换阀门定位器与电动调节器配套使用。但由于受气源的限制，气动调节阀在空调中不如电动调节阀应用普遍。

气动调节阀也是由执行机构和调节阀两部分组成的。 执行机构一般分为气动薄膜式和活塞式两种。活塞式输出力大，适用于高静压、高压差、大口径等场合。在空调中一般使用薄膜式调节阀。

与执行机构配套的调节阀有气开式和气关式两种。气开式即气动信号压力增大时，阀开启；气关式即在气动信号压力增大时，阀关闭。气开式和气关式是由执行机构的正、反作用及调节阀的正、反方式决定的。

2.3.1 温度检测技术 2.3 智能楼宇的检测技术 温度反映物体的冷热程度。 2.3 智能楼宇的检测技术 2.3.1 温度检测技术 温度反映物体的冷热程度。 温度检测原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。

温度检测的方式有接触式测温和非接触式测温两大类。 采用接触式测温时，温度敏感元件与被测对象有良好的热接触，通过传导或对流进行热交换。但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差，而且需要一定的时间才能达到热平衡，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量，如热电阻传感器等。

采用非接触式测温方法，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度，这种方法测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合，但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大，如红外高温传感器、光纤高温传感器等。

温度检测方法的分类如表2-1所示。 表2-1 温度检测方法的分类 测温 方式 类 别 原 理 典型仪表 测温范围/℃ 接 触 式 膨胀类 表2-1 温度检测方法的分类 测温 方式 类 别 原 理 典型仪表 测温范围/℃ 接 触 式 膨胀类 利用液体、气体的热膨胀 及物质的蒸汽压变化 玻璃液体温度计 −100～600 压力式温度计 −100～500 利用两种金属的热膨胀差 双金属温度计 −80～600 热电类 利用热电效应 热电偶 −200～1 800 电阻类 固体材料的电阻 随温度而变化 铂热电阻 −260～850 铜热电阻 −50～150 热敏电阻 −50～300 其他 电学类 半导体器件的温度效应 集成温度传感器 晶体的固有频率随温度而变化 石英晶体温度计 −50～120 非 光纤类 利用光纤的温度特性 或作为传光介质 光纤温度传感器 −50～400 光纤辐射温度计 200～4 000 辐射类 利用普朗克定律 光电高温计 800～3 200 辐射传感器 400～2 000 比色温度计 500～3 200

2.3.2 湿度检测技术 楼宇智能中对湿度的检测主要用于室内外的空气湿度、风道的排风和回风的湿度检测等。 2.3.2 湿度检测技术 楼宇智能中对湿度的检测主要用于室内外的空气湿度、风道的排风和回风的湿度检测等。 湿度是指大气中所含的水蒸气量。最常用的有两种表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，用g/m3表示。绝对湿度也可称为水气浓度或水气密度。

相对湿度为某一被测气压与相同温度下饱和蒸汽压比值的百分数，常用%RH 表示。这是一个无量纲值。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用广泛。

湿度的检测方法很多，传统的方法是露点法、毛发膨胀法和干湿球温度测量法。 智能楼宇空调系统中常用到温湿度检测仪表。

2.3.3 压力检测技术 压力定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力，通常用p表示。主要的压力检测方法及分类有如下几种。 （1）重力平衡方法。 2.3.3 压力检测技术 压力定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力，通常用p表示。主要的压力检测方法及分类有如下几种。 （1）重力平衡方法。 （2）机械力平衡方法。 （3）弹性力平衡方法。 （4）物性测量方法。

压力检测仪的选用依据主要有以下几个方面。 ① 控制系统对压力检测的要求。例如，测量精度、被测范围以及对附加装置的要求等。 ② 被测介质的性质。例如，介质温度高低、黏稠度大小、有无腐蚀和易燃易爆情况等。 ③ 现场环境条件。例如，高温、腐蚀、潮湿、振动等。

在智能化楼宇中，压力的检测主要用于风道静压、供水管压、差压的检测，有时也用来测量液位的高度，如水箱的水位等，大部分的应用属于微小压力的测量，量程在0～5 000Pa。

2.3.4 流量检测技术 流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短，以致可认为在此期间的流动是稳定的。流体数量以体积表示称为体积流量，以质量表示称为质量流量。 流量检测方法可以归为体积流量检测和质量流量检测两种方式。 测量流量的仪器称为流量计，流量计种类繁多，适合于不同的工作场合。按照检测原理分类的典型流量计如表2-2所示。

表2-2 流量计的分类 类 别 仪 表 名 称 体积 流量计 容积式 椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮模式流量计等 差压式 表2-2 流量计的分类 类 别 仪 表 名 称 体积 流量计 容积式 椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮模式流量计等 差压式 节流式流量计、匀速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等 速度式 涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计等 质量 推导式 质量流量计 体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等 直接式 科里奥利流量计、热式流量计、冲量流量计等

简介几种流量计的原理及应用。 （1）容积式流量计。这种流量计是直接根据排出体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例，对被测流体进行连续的检测。

（2）超声波流量计。这种流量计利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。超声波在流体中传播，将受到流体速度的影响，检测接收的超声波信号可以测知流速，从而求得流体流量。超声波流量计可夹装在管道外表面，如图2-20所示。

图2-20 超声波流量计

（3）差压式流量计。如图2-21所示，这种流量计是基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。

图2-21 差压式流量计

2.3.5 液位检测技术 液位指设备和容器中液体介质表面的高度。 液位检测按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。 2.3.5 液位检测技术 液位指设备和容器中液体介质表面的高度。 液位检测按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。 连续测量方式能持续测量液位的变化；定点测量方式则只检测液位是否达到上限、下限或某个特定的位置，定点测量仪表一般称为液位开关。

按工作原理分类，液位检测仪有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。 （1）直读式液位检测。采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中液位的高度，方法可靠、准确，但是只能就地指示，主要用于液面不高和压力较低的场合。

（2）静压式液位检测。基于流体静力学原理，容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。 （3）浮力式液位检测。其工作原理基于阿基米德定律，即漂浮于液面上的浮子或浸入液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。

（4）电气式液位检测。将电气式液位敏感元件置于被测介质中，当液位变化时，其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知液位。 （5）其他液位检测方法。如声学式、射线式、光纤式等。

在实际的测量过程中，被测对象很少有静止不动的情况，因此会影响液位测量的准确性，影响液位测量的各种因素对于不同介质各有不同，影响因素包含在液位测量的特点中。

液位测量的特点如下。 ① 稳定的液面是一个规则的表面，但是当液体流进流出时，会有波浪使液面波动，在某些情况下还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。

② 大型容器中常会有各处液体的温度、密度和黏度等物理量不均匀的现象。 ③ 容器中的液面呈高温、高压、高黏度，或含有大量杂质、悬浮物等。