引言：从物理世界到数字世界
在现代自动化、物联网和智能系统中，计算机和微控制器（MCU）是“大脑”，但它们只能处理数字信号，我们想要监测和控制的大多数物理世界信息（如温度、压力、光强、位移等）都是模拟量。传感器和信号调理技术就是连接这两个世界的桥梁。
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- 传感器：负责将物理量（如温度、压力、光、声、力等）转换为可测量的电信号（通常是电压、电流或电阻变化）。
- 信号调理：负责将传感器输出的微弱、 noisy（有噪声的）或不适合直接处理的电信号，进行转换、放大、滤波等处理，使其变得标准、清晰，并可以被后续的ADC（模数转换器）或控制系统准确读取。
第一部分：传感器技术
1 什么是传感器？
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，它是一种“五官”的延伸和扩展。
核心构成： 通常由敏感元件和转换元件组成。
- 敏感元件：直接感受被测量，并按照一定规律将其转换为与被测量有确定关系的其他量的元件。
- 转换元件：将敏感元件输出的量转换为电信号的元件。
在热电偶温度传感器中,两种不同金属的连接点（敏感元件）感受温度，并产生一个微小的电压（转换元件的输出）。
2 传感器的分类
传感器种类繁多,可以根据不同的标准进行分类：
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按被测量（输入量）分类：
- 物理量传感器：温度、压力、位移、速度、加速度、光、声、磁、湿度等。
- 化学量传感器：气体成分、PH值、离子浓度等。
- 生物量传感器：心率、血压、酶、抗体等。
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按工作原理（输出信号类型）分类：
- 电阻式传感器：如热电阻、应变片、光敏电阻，其输出是电阻值的变化。
- 电压式传感器：如热电偶、光电二极管，其输出是电压。
- 电流式传感器：如4-20mA电流环传感器，其输出是电流。
- 电容式传感器：如电容式位移传感器、湿度传感器，其输出是电容值的变化。
- 电感式传感器：如电感式接近开关，其输出是电感值的变化。
3 常用传感器简介
| 传感器类型 | 测量物理量 | 输出信号 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 热电偶 | 高温 | mV级微电压 | 测温范围宽，坚固耐用，但线性度差，需要冷端补偿。 |
| 热电阻 | 温度 | 电阻值 | 精度高，线性度好，但测温范围相对较窄。 |
| 应变片 | 力、压力、位移、应变 | 电阻值变化 | 灵敏度高，常用于称重和结构应力分析。 |
| 光电传感器 | 光强、有无物体、颜色 | 电流/电压 | 响应速度快，非接触式测量，应用广泛。 |
| 加速度计 | 加速度 | 电压/电容 | 用于振动监测、姿态控制。 |
| 压力传感器 | 压力 | 电压/电流/频率 | 种类多，适用于各种工业和汽车应用。 |
第二部分：信号调理技术
传感器输出的信号往往不能直接被ADC或微控制器使用,原因如下：
- 信号太微弱：热电偶的输出可能只有几毫伏，容易被噪声淹没。
- 信号不适合ADC范围：ADC有一个参考电压（如5V或3.3V），如果传感器信号超出了这个范围，就无法准确转换。
- 信号包含噪声：工业环境中，传感器信号很容易受到电磁干扰、电源噪声等影响。
- 信号形式不标准：如电阻、电容变化量，需要先转换为电压或电流。
- 非线性：很多传感器的输入和输出关系不是线性的，需要进行线性化校正。
信号调理的目的就是解决上述问题，将原始信号“修整”成“标准信号”。
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1 信号调理的主要环节
一个典型的信号调理链路包括以下几个核心环节：
传感器输出 → [放大] → [滤波] → [线性化/补偿] → [隔离] → [标准转换] → ADC输入
2 核心调理技术详解
放大
- 目的：将微弱的传感器信号放大到ADC可接受的最佳范围，以提高信噪比和测量精度。
- 核心器件：运算放大器。
- 关键指标：
- 增益：放大倍数，可以通过反馈电阻精确设置。
- 输入偏置电压：理想运放输入为0时输出为0，但实际存在微小误差，需要校准。
- 共模抑制比：抑制两个输入端共有的噪声信号的能力，对于差分信号放大至关重要。
- 常见放大电路：
- 同相放大器：高输入阻抗，信号与输出同相。
- 反相放大器：输入阻抗低，信号与输出反相。
- 仪表放大器：专门用于放大叠加在较大共模电压上的微小差分信号（如应变桥输出），具有极高的共模抑制比和输入阻抗，是精密测量的首选。
滤波
- 目的：去除信号中的噪声，保留有用的频率成分。
- 核心器件：运放、电阻、电容。
- 常见类型：
- 低通滤波器：允许低频信号通过，滤除高频噪声（如电源工频50/60Hz干扰），这是最常用的滤波器。
- 高通滤波器：允许高频信号通过，滤除低频漂移（如直流偏置）。
- 带通滤波器：只允许特定频率范围内的信号通过。
- 带阻滤波器：阻止特定频率范围内的信号通过。
- 应用：一个缓慢变化的温度信号，可以使用低通滤波器滤除由电路或环境引起的高频抖动。
线性化与补偿
- 目的：修正传感器的非线性输出，并进行环境补偿（如温度补偿）。
- 方法：
- 硬件法：使用对数、反对数二极管或函数发生器电路来构建非线性响应，这种方法不灵活，适用于特定传感器。
- 软件法（现代主流）：在ADC采集数据后，在微控制器或DSP中进行处理。
- 查表法：预先标定传感器输入-输出关系表，MCU通过查表或插值得到真实值。
- 多项式拟合：用数学多项式（如 y = ax³ + bx² + c*x + d）来拟合传感器的非线性曲线。
- 冷端补偿：对于热电偶，必须补偿其参考端（冷端）温度变化带来的测量误差，这通常通过一个额外的温度传感器（如RTD或热敏电阻）和软件算法实现。
隔离
- 目的：保护昂贵的后端电路（如MCU、计算机）免受高电压、浪涌和地线环路电流的损害，同时消除地线噪声。
- 实现方式：
- 光隔离器：利用光在两个隔离电路间传递信号。
- 磁隔离器（隔离放大器）：利用变压器或耦合线圈在两个隔离电路间传递信号。
- 应用场景：工业现场，传感器可能安装在电机、变频器等强干扰设备附近，隔离是必须的。
阻抗匹配与电桥激励
- 目的：为需要外部激励的传感器（如应变片、RTD）提供稳定的电源，并实现高精度测量。
- 技术：
- 惠斯通电桥：用于测量电阻的微小变化（如应变片），电桥将电阻变化转换为电压差。
- 恒流源/恒压源：为电桥或RTD提供高稳定度的激励电流或电压，以确保测量的准确性，RTD的阻值变化很小，如果用恒压源激励，其自身发热会引入误差，因此通常使用恒流源。
