一、传感器基础

传感器（Sensor） 将物理量（如温度、压力、光强）转换为电信号的装置。 示例：热电偶（温度→电压）、光敏电阻（光强→电阻值）。

灵敏度（Sensitivity） 输出信号变化量与输入物理量变化的比值。 公式：S = ΔV/ΔP（如 10mV/°C）。

分辨率（Resolution） 传感器可检测的最小输入变化量，决定测量精度。

二、信号类型

模拟信号（Analog Signal） 连续变化的电信号（如电压、电流），需通过 ADC 转换为数字信号。

数字信号（Digital Signal） 离散的二进制信号（如 0/1、I2C、SPI 协议），抗干扰能力强。

三、核心电路元件

运算放大器（Op-Amp） 用于信号放大、滤波、阻抗匹配。 典型电路：差分放大（抑制共模噪声）。

模数转换器（ADC, Analog-to-Digital Converter） 将模拟信号转换为数字信号，关键参数：分辨率（如 12 位）、采样率（如 1kHz）。

参考电压（Reference Voltage, Vref） 为 ADC 或比较器提供稳定基准电压，影响测量精度。

四、噪声与抗干扰

信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio） 有用信号与噪声的功率比值，单位 dB（越高越好）。

低通滤波（LPF, Low-Pass Filter） 允许低频信号通过，抑制高频噪声。 实现方式：RC 电路、运放有源滤波。

电磁兼容（EMC, Electromagnetic Compatibility） 电路在电磁环境中抗干扰且不干扰其他设备的能力。

五、接口与通信

I2C（Inter-Integrated Circuit） 双线制串行总线（SCL 时钟线、SDA 数据线），支持多设备通信。

SPI（Serial Peripheral Interface） 四线制高速同步接口（SCK、MOSI、MISO、CS），全双工通信。

六、性能参数

线性度（Linearity） 传感器输出与输入物理量之间的直线关系偏差（常用%FS 表示）。

响应时间（Response Time） 传感器输出达到稳定值 90% 所需时间（如温度传感器需 5 秒）。

迟滞（Hysteresis） 输入量增大和减小时输出差异，反映传感器的回程误差。

七、电源管理

供电电压（Vcc/Vdd） 传感器工作电压范围（如 3.3V 或 5V±10%）。

功耗（Power Consumption） 静态电流（待机时）与动态电流（工作时）的消耗，影响电池寿命。

八、校准与补偿

零点漂移（Zero Drift） 无输入时输出信号的缓慢偏移，需定期校准。

温度补偿（Temperature Compensation） 通过电路或算法消除温度对传感器输出的影响（如热敏电阻网络）。

九、传感器类型扩展

MEMS 传感器（Micro-Electro-Mechanical Systems） 微机电系统传感器，集成机械结构与电子电路（如加速度计、陀螺仪）。 关键特点：微型化、低功耗、批量生产成本低。

压电传感器（Piezoelectric Sensor） 利用压电效应将机械应力转换为电荷（如压力传感器、超声波探头）。 需配合电荷放大器处理微弱信号。

霍尔传感器（Hall Effect Sensor） 检测磁场变化并输出电压（如电机转速检测、位置开关）。 典型输出：模拟线性信号或数字开关信号。

应变片（Strain Gauge） 电阻值随形变变化的传感器，用于测量应力或重量（需惠斯通电桥电路放大信号）。

十、信号处理进阶

跨阻放大器（Transimpedance Amplifier） 将电流信号转换为电压信号，用于光电二极管等电流型传感器。 公式：Vout = I_in × R_feedback（如 I/V 转换）。

锁相放大器（Lock-In Amplifier） 通过参考信号同步检测微弱信号，抑制噪声（如光学传感中的低频信号提取）。

PWM（Pulse Width Modulation） 通过调节脉冲宽度传递模拟信息（如温度控制中的占空比调节）。 优势：数字信号抗干扰，可直接驱动执行器。

十一、误差与补偿技术

非线性补偿（Nonlinearity Compensation） 通过多项式拟合或查表法修正传感器非线性误差（如热敏电阻的温度 - 电阻曲线）。

共模抑制比（CMRR, Common-Mode Rejection Ratio） 差分放大器抑制共模干扰的能力（单位 dB，越高越好）。 公式：CMRR = 20log10(Ad/Ac)，Ad 为差模增益，Ac 为共模增益。

自校准（Self-Calibration） 传感器内置校准电路（如自动零点校正），减少人工干预。

十二、接口协议扩展

RS-485 工业级差分串行通信协议，支持长距离（1200 米）和多设备组网（如工业传感器网络）。

CAN 总线（Controller Area Network） 汽车电子常用抗干扰总线，支持优先级仲裁（如车载传感器数据整合）。

4-20mA 电流环（Current Loop） 工业传感器标准输出，抗噪声能力强，可长距离传输（0mA 表示故障，提高可靠性）。

十三、电源与保护电路

LDO（Low Dropout Regulator） 低压差线性稳压器，为传感器提供稳定电压（如 3.3V，压差低至 0.2V）。 对比：开关电源效率高但噪声大。

TVS 二极管（Transient Voltage Suppressor） 瞬态电压抑制器，保护传感器端口免受静电（ESD）或浪涌损坏。

电源去耦（Power Decoupling） 通过并联电容（如 0.1μF 陶瓷电容 +10μF 电解电容）滤除高频噪声。

十四、环境因素与可靠性

IP 防护等级（Ingress Protection） 传感器外壳防尘防水等级（如 IP67：完全防尘，可短时浸水）。

MTBF（Mean Time Between Failures） 平均无故障时间，衡量传感器寿命（工业级传感器可达 10 万小时）。

热噪声（Johnson-Nyquist Noise） 电阻器件因温度产生的随机噪声（公式：V_rms = √(4kTRB)，k 为玻尔兹曼常数）。

十五、新兴技术

无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network） 基于 ZigBee、LoRa 或 NB-IoT 的无线传输方案（如物联网环境监测系统）。

AI 边缘处理（Edge AI） 在传感器端集成 AI 芯片，实现本地数据处理（如振动传感器的故障预测）。

柔性传感器（Flexible Sensor） 使用聚合物或纳米材料制成，可弯曲贴合表面（如可穿戴健康监测设备）。

十六、实用设计技巧

• 接地策略：
  • 模拟地与数字地单点连接，避免地环路噪声。
  • 敏感信号采用屏蔽线（如热电偶信号线）。
• PCB 布局：
  • 传感器信号走线远离高频或大电流路径。
  • 使用铺铜降低阻抗，避免天线效应。
• 故障诊断：
  • 示波器观察信号波形（如检查 ADC 采样是否混叠）。
  • 万用表测量参考电压是否漂移（排查零点误差）。