干货收藏 | 家用消费级传感器设备原理

前 言

《福布斯》杂志：当前，甚至今后几十年内，影响和改变着世界经济格局和人们生活方式的10大科技产品，传感器列为10大科技产品之首，说明传感器的春天已经来临！

物联 是将各种信息传感设备和互联 结合起来形成的一个巨大 络。物联 的发展需要智能感知、识别和通讯等技术支撑，而感知的关键就是传感器及相关技术。智能家居控制系统是“心脏”，而传感器是整个控制系统的“脉络”，掌握着整个系统的“中枢神经”，传感器技术的发展对于智能家居飞速发展的作用非同小可。

从产业链来看，传感器上游主要为各种零部件等以支撑感知层；中游是以光传输、通信设备、 络设备等构成的传输层；下游是应用层，其中以物联 领域中的各项应用为主，其中智能家居就是极其重要的板块之一。

智能家居传感器是家居中的“眼鼻耳”，因为智能家居首先离不开对居住环境“人性化”的数据采集，也就是说把家居环境中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号装置与元件。

智能家居领域需要使用传感器来测量、分析与控制系统设置，家中使用的智能设备涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安防感应等传感器等技术。

为精准解读国内目前家庭范畴内的智能传感器应用现状，《智能家居》杂志、数智 、智能头条发起联合编制《2019家庭智能传感器白皮书》，旨在全面梳理家庭内传感器的产业生态。

点击图片，获取《2019家庭智能传感器白皮书》完整版

家用消费级传感器设备原理

温度传感器

温度传感器，利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为可用输出信号。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

虽然温度传感器的分类颇多，但是总的原理就是感应温度的变化，使敏感元件如：热敏电阻、热电偶等)的阻值发生变化，从而在电路中，使输出的电压发生变化。

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶利用这种原理进行温度测量，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端，也称为测量端，另一端叫做冷端，也称为补偿端；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

湿度传感器

在智能家居的控制中，对湿度的控制可以提升用户的生活质量，为用户提供良好的生活环境。在智能家居的湿度控制中，主要是通过湿度传感器来实现对湿度的控制。

湿度传感器可以显示空气湿度的具体变化，在集成系统内部，存在湿度传感器以及放大电路，可以将湿度信息转化成为电压信号传递给计算机系统，系统通过人为的湿度需求，将调整方案输送给烘干或者加湿器。

温湿传感器

在智能家居的控制中，温度计湿度的控制均为环境控制的重要指标，但是仅仅对单一指标进行控制，将会浪费较多的资源，且会延长计算时间，需要通过计算机的合成来进行分析。因而需要探究新型的传感器应用方式。

温湿传感器可以实现对温度和湿度的同时调节，符合智能家居的理念，且具有体积小和功耗低等特点。温湿传感器来控制室内的温度和湿度，传感芯片可以同时采集温度和湿度信息，在独立系统中对两种物理变量进行分开计算，并且转化成为电信号传输到相应的控制终端，实现智能家居的控制目的。

可见光传感器：通过可见光的强度变化转换成电流或电压变化的元件，光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

声音传感器

声音传感器的原理很简单，主要使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。电路把信号放大并把信号传送给电讯接口。声音传感器的作用相当于一个话筒。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。

实际上，信号通过2条不同的线送达数据采集器。声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。

气体传感器

气体传感器可用来测量气体的类型、浓度和成分，能把气体中的特定成分检测出来，并将成分参量转换成电信号的器件或装置。也称气敏传感器。主要包括半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器和电化学气体传感器等，其中用的最多的是半导体气体传感器。

气体传感器包含电化学气体传感器、催化燃烧气体传感器、半导体气体传感器、红外气体传感器、光电离气体传感器，可检测有毒气体(甲醛,CO2,CO等)、可燃气体(天然气CH4)、挥发性有机物(VOCs)。

具体原理为，声波器件表面的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气体传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。

气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。

空气质量传感器的原理

化学原理

空气中的污染气体附着在金属氧化物表面，金属氧化物的电阻变低，且电阻值的变化量与污染气体浓度有关，空气质量传感器的金属氧化物材料和工作温度不同，这个传感器的金属氧化物选择性差，对很多污染气体(甲醛，苯，氨气，香烟烟雾，香水)都有反应，并以此综合反应来表征空气质量。

红外原理

红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律），鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。当红外线波长与被测气体吸收谱线相吻合时，红外能量被吸收。红外光线穿过被测气体后的光强衰减满足朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律。

气体浓度越大，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对红外光线的衰减来测量气体浓度。为了保证读数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析器的测量气室较短，最短的为0.3mm；当浓度低时，测量气室较长，最长的为>200mm。经吸收后剩余的光能用红外检测器检测。

激光颗粒物传感器

通过光电转换器转化为电信号，从而测量颗粒物数量，相对于其他普通红外测量更加准确，可实时测量室内的PM2.5、PM1.0、PM10的数据。

水浸传感器

水浸传感器是基于液体导电原理，用电极探测是否有水存在，再用传感器转换成干接点输出。基于液体导电原理，用电极探测是否有水存在，再用传感器转换成干 接点输出，具有两种输出状态：常开和常闭。

浸传感器分为接触式水浸探测器和非接触式水浸探测器。

接触式水浸探测器，利用液体导电原理进行检测。正常时两极探头被空气绝缘；在浸水状态下探头导通，传感器输出干接点信号。当探头浸水高度约1毫米时，即产生告警信号。

非接触式水浸探测器，利用光在不同介质截面的折射与反射原理进行检测。塑料半球内放置有LED和光电接收器，当探测器置于空气中时，因全反射，绝大部分LED光子被光电接收器接收；当靠近半球表面时，由于光的折射，光电接收器接收到的LED光子将会减少，从而输出也发生改变。适合于部署在一般腐蚀导电液体泄露地点。

门磁传感器

无线门磁是由无线发射模块和磁块两部份组成，在无线发射模块有两个箭头处有一个“钢簧管”的元器件，当磁体与钢簧管的距离保持在1.5厘米内时，钢簧管处于断开状态，一旦磁体与钢簧管分离的距离超过1.5厘米时，钢簧管就会闭合，造成短路， 警指示灯亮的同时向主机发射 警信号。无线门磁的无线 警信号在开阔地能传输200米，在一般住宅中能传输20米，和周围的环境密切相关。

图像传感器

在智能家居中，图像传感器同样是重要的应用元件之一。主要是由于在现代建设中，需要通过监控设备来实现内部的监控以及住宅周边的监控，在传统的监控手段中，主要是通过摄像头来进行监控，而无法将信息传递给用户，一旦监控系统被破坏，将会导致用户承担较大的损失。

而在智能家居系统中，通过PC端的监控，可以将信息发送给用户的手机或者电脑，实现远程监控，在在智能监控中，利用图像传感器，可以进行光电转换，其主要是由CCD和CMOS传感器组成，通过其可以制作数字摄像机，实现对智能家居的全面控制。

红外传感器

红外线感应器是通过红外线反射原理，当人体的某一部分在红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路将信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令控制阀芯。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路三大部分。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏检测元件中最常见的就是热敏电阻，热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

烟雾传感器

通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾 警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种先进技术，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防 警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾 警器。

人体存在传感器

利用黑体辐射定律，即一切高于绝对零度的物体都在不停的向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力就越强。达到快速可靠的检测到进入有效区域内的人体，传感器全面支持主流的通讯协议，达到设备联动的效果，可广泛应用在智能楼宇酒店节能减排和智能家居的安防监控上面。

2019年9月11日，第七届国际物联 传感技术峰会——智能传感与智慧生活创新应用高峰论坛将于温州·乐清天豪君澜大酒店举办。