感應器技術在節能樓宇中的應用分析

文｜施耐德電氣（中國）有限公司 李 敏

隨著節能建筑與綠色建筑在國內的推廣，越來越多的節能應用方案應運而生，用于樓宇照明的節能化產品越來越多地出現在我們的周圍。人體移動感應器、亮度感應器等各種感應器不僅大量地被應用到新建的樓宇中，在大量的節能改造型樓宇中也扮演著重要的角色。本文將著重分析人體移動感應技術在照明控制領域的應用，希望能對人體感應器產品在節能樓宇中的應用起到一定的參考作用。

1 人體移動/存在感應器分類

（1）被動紅外感應器（PIR）

PIR是一種被動式的紅外線探測元件，配合透鏡的聚焦及折射處理，探測到紅外線（帶有熱源的移動物體）信號后輸出微弱變化的電子信號。后續電路對該信號進行處理，輸出控制信號，實現負載的自動開關；通常使用繼電器進行負載的開關操作。

（2）超聲波感應器

超聲波感應器的原理是利用超聲波的多普勒效應實現對移動物體的探測——探頭發射的超聲波會在物體表面反射回來，若物體是靜止的，反射波的頻率將是不變的，反之則反射波的頻率會發生變化；接收頭對接收信號與發射信號的頻率作比較，從而做出有無物體運動的正確判斷。

（3）微波（高頻電磁波）感應器

微波（高頻電磁波）感應器同樣利用了多普勒效應。電磁波也有反射的特性，當一定頻率的電磁波碰到阻擋物的時候，就會有一部分電磁波被反射回來；如果阻擋物是靜止的，反射波的波長就是恒定的；如果阻擋物向波源運動，反射波的波長就會比波源的波長短；如果阻擋物是向遠離波源的方向運動，反射波的波長就會比波源的波長長。波長的變化，就意味著頻率的變化。根據這一原理，制造一個無形的磁場。當有移動物體在磁場內移動時，磁場的頻率將改變；通過電路對磁場信號的放大及比較，即可控制負載的開關。

2 感應器的特性比較

上文所述三種感應器的特性對比如表1所示。

（1）被動紅外感應器

此類產品功能簡單，應用范圍最廣，安裝方便，性能較穩定；但是由于是探測紅外線信號，所以比較容易受到環境溫度的影響。在高溫氣候條件下，由于環境溫度與人體溫度接近，甚至比人體溫度更高，所以此類產品難以識別出人體移動，靈敏度將大幅降低。另外在室內安裝時，遮擋物如植物、辦公桌隔板、資料柜等都會影響其探測靈敏度。

（2）超聲波感應器

此類產品適用于環境較惡劣（如高溫、潮濕）的地區及有較多障礙物（如隔板、屏風）存在的空間。在這些環境中，紅外感應器會因靈敏度降低而產生不正常的動作，超聲波感應器相比較之下不受溫度、濕度及障礙物的影響，故可以取代紅外感應器應用在這些環境中。但是，超聲波感應器很容易受到氣流以及噪聲的影響而誤動作，紅外感應器則不易受這些因素的干擾。因此，目前出現了將超聲波與被動紅外技術集于一身的產品：雙鑒感應器。這種感應器兼備了紅外與超聲波感應器的優點，實現了兩種技術的缺陷互補，可以實現更精確的監測，大幅降低誤動作的幾率。

（3）微波感應器

此類產品具有覆蓋面積大、溫度范圍寬的特點；并且由于微波的穿透力強，此類產品僅受少數物質（如金屬）影響，所以可以安裝在燈具內，不易受環境因素如風、灰塵、噪音、濕氣等的影響。總體而言，此類產品抗干擾性強，很適合在惡劣的環境中使用；但由于微波穿透能力強，可穿透木板、玻璃、普通的磚墻等很多非金屬材料，所以在安裝使用時要特別注意潛在的誤動作隱患。

3 感應器的應用分析

由于特性不同，不同功能的感應器對環境的依賴度也不盡相同，所以其實際應用也應因地而異。下面就對各類感應器的實際應用探討一二。

（1）紅外感應器

紅外感應器是目前三類感應器中應用最多的，無論在商業建筑還是民用建筑中都可以看到。對于紅外感應器來說，一般有三個參數決定感應器的工作狀態：亮度值、探測范圍（靈敏度）以及延時時間。普通的紅外感應器一般通過旋鈕電位器調節這三個參數。其中，亮度值的設定直接決定了感應器工作的限定值。一般晴天在有玻璃窗的辦公室內，桌面最高照度可達到1400Lux～1600Lux；但通常情況下，實際探測值低于桌面亮度值（如圖1、圖2所示）。在實際應用中，感應器的安裝高度，辦公室窗戶尺寸、形狀的區別，都會使感應器探測的實際照度有所區別。

最理想的感應器亮度值設定方法是：當桌面實測照度達到標準值（如400Lux）時，探測感應器安裝位置的照度，根據此照度調節感應器的亮度值旋鈕。但是，實際工程中往往很難對整棟辦公樓各個位置進行精確的照度測量；而且即使測量到需要設定的亮度值，感應器的旋鈕電位器也不能很精確地定位到所需亮度值。

表1 感應器特性對比表

在這種復雜光亮度環境的要求下，目前市場上出現了配有紅外遙控器，可通過紅外遙控器記錄當前亮度值的感應器產品。在桌面實測照度值為350Lux時，遙控器通知感應器自動記錄此時的測量值，并將此值作為今后的觸發限值；如此感應器工作時，只要桌面照度低于350Lux，燈光就會自動打開。這樣既解決了感應器實際亮度測量的問題，又解決了旋鈕電位器定位不準的問題。

感應器延時時間的設定應以后期人流的情況為依據。走廊、過道人流量較高，探測反應度高，延時時間可略短（2～5分鐘）；辦公室、會議室的人流量較低，人體活動較少，為了保證區域的照明延續性，延時時間應略長（5～15分鐘）。

紅外感應器宜安裝在人體移動幅度較大的區域，例如走廊、過道、樓梯區域等。考慮到紅外感應器的感應原理，其安裝位置應盡量不與人體移動的軌跡處在同一條直線上，應安裝在門或入口的側面（如圖3所示），并避免靠近熱源（加熱器、機柜等）。

（2）超聲波感應器、雙鑒感應器

超聲波感應器由于探測靈敏度高，較易產生誤動作，所以一般很少獨立應用。將超聲波與被動紅外技術集于一身的雙鑒感應器集合了超聲波與紅外感應器的優點，同時實現了二者技術方面缺陷的互補。雙鑒感應器支持超聲波/紅外工作狀態選擇以及氣流補償功能選擇。

進行超聲波/紅外工作狀態選擇主要是為了在不同的應用空間選擇適合的感應觸發條件。可以選擇單紅外、單超聲波、“紅外+超聲波”以及紅外/超聲波工作狀態。靈敏度要求極高的場所可以選擇紅外/超聲波狀態，即無論紅外探頭還是超聲波探頭探測到人體移動信號，均會開啟負載——當然誤動作也相對較多。選擇“紅外+超聲波”狀態，就可以很好地降低誤動作率：只有當紅外與超聲波探頭同時探測到人體移動時才打開負載；而一旦打開負載后，只要紅外或者超聲波探測器之一探測到人體移動，延時時間將重新計算，從而確保在有人時，不會出現因探測精度不足導致頻繁開啟/關閉照明等負載的情況。

雙鑒感應器可以安裝在多種室內區域，例如辦公室、會議室、茶水間、衛生間等。雙鑒感應器的氣流補償的主要作用是避免環境氣流影響超聲波探測器，使之產生誤動作；但是使用該功能會降低感應器的探測靈敏度。為了避免氣流對感應器造成直接的影響，在室內安裝時，雙鑒感應器或者超聲波感應器的安裝位置應離開空調出風口和窗口2m以上的距離；在40m2的空間內不可有其他頻率的超聲波，以免相互干擾；兩個同樣的產品間隔要大于6m，避免發生超聲波干涉。

超聲波及紅外探測的探測范圍如下：

◆ 超聲波人體移動的感應區域為10×16m，360。的區域；

◆ 超聲波人體微小動作的感應區域為8×10m，360。的區域；

◆ 紅外主要感應區域為直徑8m，360。的區域；

◆ 紅外次要感應區域為直徑4m，360。的區域。

圖4、圖5為雙鑒感應器應用于教室、走廊的安裝示意圖。

（3）微波感應器

微波感應器同樣有三個決定工作狀態的參數：亮度值、探測范圍（靈敏度）以及延時時間。它在照明領域的應用相對較少，但是在ATM機、安防以及感應門等領域已有廣泛的應用。考慮到其穿透性，可以將其應用在環境惡劣且空間較大的區域，如倉庫、數據中心機房等，安裝時盡可能不要安裝在木板樓板以及墻面上；不宜安裝在室外，以免受雨雪影響產生誤動作。此外，由于金屬對微波有反射、折射作用，感應器安裝時應避免靠近金屬門或墻。基于微波信號穿透性的特性，目前還出現了微波感應器與燈具結合，實現單燈感應控制的做法。

圖4 雙鑒感應器在教室的安裝應用示意圖

4 結束語

通過以上的分析可以看到，不同的感應器因其不同的特性適用于不同的樓宇環境，不同的參數設置以及安裝位置對感應器的靈敏度及實際應用效果的優劣有著巨大的影響。感應器的現場設計對于后期的應用有著舉足輕重的影響，錯誤的參數設置與安裝設計往往會導致感應器的誤動作，甚至最終導致感應器的應用失敗。在更多的情況下，需要根據建筑及控制區域的特點，酌情選擇合適的感應器產品、合理的安裝位置、恰當的參數設置，這樣才能夠真正得到節能的效果。