比例测量是一种技术，依赖于比例传感器在输入电压变化时保持输入电压与输出电压固定比例的能力。例如，若传感器激励电压设为5.0伏直流且输出为2.5伏直流，当激励电压为2.0伏直流时，预期输出为1.0伏直流。两种情况下，传感器均保持50%的输出比例。比例传感器的实例包括Vishay线性运动传感器、Allegro模拟霍尔传感器，以及如村田制作所的热敏电阻。
比例测量为微控制器与传感器接口提供了一种低成本方案。有效比例测量的关键在于为传感器和微控制器的模数转换器 (ADC) 使用共同的激励电压。 当该激励电压自然漂移时，会同时影响传感器和ADC。但这一影响被各器件的比例特性所抵消。举例说明，假设激励电压从4.9伏直流漂移至4.2伏直流，传感器与ADC的比例关系保持不变。因此，ADC的二进制结果不受影响。
本文通过图1所示的Arduino Nano Every演示比例测量方法。通过测量电位器角位移同时用第二个电位器调节激励电压，展示比例测量原理。
图 1 ：比例实验中使用的Arduino Nano Every与电位器实物图。左侧5千欧电位器用于调节激励电压，右侧电位器作为被测器件。
技术提示 ：比例法不适用于直接或绝对测量，因其缺乏精密电压基准。例如，比例法无法直接测量"真值"电压，这类测量需要优质的内置或外置电压基准。更多信息可参阅Arduino语言参考中的analogReference()函数说明。得捷电子技术论坛帖子探讨了如何实现外部电压基准。
比例测量相关术语
在探讨Arduino电路前，有必要明确定义比例测量涉及的各项术语。注意"电压基准"的含义随上下文变化。
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激励电压：该电压既作为微控制器ADC的基准，也作为传感器供电电压。
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电压基准(物理)：物理电压基准可以是外置器件，也可嵌入微控制器芯片。Arduino默认配置使用电源轨作为电压基准。比例测量的目的是放宽性能要求或省去相对昂贵的物理电压基准。
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电压基准（ADC输入）：大多数ADC的核心工作原理是基于电压比较。在正常工作模式下，电压基准是ADC的关键输入，因为它决定了电压测量的真实值。例如，假设我们使用一个外部1.024V精密电压基准来操作一个10位微控制器的ADC。ADC的每个计数相当于1毫伏。例如，0.5V直流信号将显示为ADC输出值500。现在，如果电压基准漂移到1.014V直流，同样的0.5V直流输入信号将显示为错误的ADC输出值495。
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比例式：比例式是一个涵盖传感器和测量设备（如微控制器）的术语。传感器和 ADC 共享一个共同的激励电压 。在理想情况下，两个设备会随着激励电压的变化而同等比例变化，从而降低了对高质量外部电压基准的需求。
Arduino 演示
基于Arduino的演示电路原理图如图2所示。激励电压由可变电阻R1设定。可变电阻R2作为我们的比例式传感器。为了使该系统正常工作，Arduino的ADC已通过analogReference(EXTERNAL)命令配置为使用外部传感器。通过这一代码更改，我们可以看到激励电压在Arduino的ADC和R2位置传感器的输入（顶部）之间共享。
图 2 ：用于比例式实验的基于Arduino的测试电路。电阻值并不关键，1kΩ至10kΩ之间的值均可接受。
比例式测试
为了测试电路，我们将R2设定到一个已知位置。然后通过R1调整激励电压。在理想情况下，改变激励电压（R1）不会影响对R2的测量。
测试使用了以下Arduino代码。请注意，R2的轴位置表示为完整的10位ADC计数的百分比。
void setup( ){
analogReference(EXTERNAL);
Serial.begin(9600);
}
void loop( ){
float rawVal = analogRead(A7);
float position = (rawVal / 1024) * 100;
Serial.println(position);
delay(500);
}
结果
结果并不显著。将R1从4.5调整到2.0对ADC结果没有影响，除非激励电压降至非常低的水平。实际上，持续调节R1对R2电位器的测量角度没有影响。这是个好消息，实验表明比率测量不受激励电压变化的影响。
技术提示 ：本实验使用可变电阻作为激励电压。实际操作中，使用Arduino默认电压轨作为激励电压更为便捷。通常这是不理想的，因为轨电压会随电脑USB电压、稳压器或电池状态波动。轨电压还会根据微控制器连接负载的类型和数量发生变化。比率测量的妙处在于这些自然电压变化不会显著影响测量结果。
技术提示 ：注意将比率传感器与微控制器的电压轨匹配。请注意微控制器有5.0V和3.3V两种电压轨规格。许多传统传感器与3.3V微控制器不兼容。
最后的思考
比率传感器与微控制器组合能以低成本提供被测系统的真实数值。相比现代更复杂的I^2CI2C或SPI设备，这可能是您项目的理想解决方案。
务必通过完成本笔记末尾的问题和批判性思维问题来检验你的知识。欢迎在下方评论区留下您的问题与建议。我们非常期待您的反馈，特别是采用比率传感器的项目案例。
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