第四章：信息轉(zhuǎn)換與傳輸

1、v信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換v信息傳輸信息傳輸v信息傳輸過程中的干擾噪聲信息傳輸過程中的干擾噪聲1. 人類認(rèn)識事物的信息過程人類認(rèn)識事物的信息過程 為了認(rèn)識世界，通過感官來取得外部世界的信息。然后，導(dǎo)入神為了認(rèn)識世界，通過感官來取得外部世界的信息。然后，導(dǎo)入神經(jīng)系統(tǒng)，把獲取的信息傳遞給大腦，并對這些信息進(jìn)行貯存、變換、經(jīng)系統(tǒng)，把獲取的信息傳遞給大腦，并對這些信息進(jìn)行貯存、變換、處理、分析、判斷，去除各種干擾，提取有用信息。處理、分析、判斷，去除各種干擾，提取有用信息。 在此基礎(chǔ)上形成初步的判斷，獲得相應(yīng)的認(rèn)識，并在大腦中形成在此基礎(chǔ)上形成初步的判斷，獲得相應(yīng)的認(rèn)識，并在大腦中形成決策信息，發(fā)出指令，再通

2、過導(dǎo)出神經(jīng)系統(tǒng)來指揮執(zhí)行器完成相應(yīng)的決策信息，發(fā)出指令，再通過導(dǎo)出神經(jīng)系統(tǒng)來指揮執(zhí)行器完成相應(yīng)的動作。或者說是借助于一定的物質(zhì)和能量形式，把決策信息反作用于動作?；蛘哒f是借助于一定的物質(zhì)和能量形式，把決策信息反作用于外部世界的事物，這就完成了由客觀到主觀，再由主觀到客觀的一次外部世界的事物，這就完成了由客觀到主觀，再由主觀到客觀的一次循環(huán)。循環(huán)。 為了檢驗(yàn)為了檢驗(yàn)“認(rèn)識認(rèn)識”和和“改造改造”的效果，感覺器官還要把指令信息的效果，感覺器官還要把指令信息作用于外部事物的效果，作為一種效果信息反饋給大腦，根據(jù)這個反作用于外部事物的效果，作為一種效果信息反饋給大腦，根據(jù)這個反饋信息，思維器官再作出補(bǔ)充

3、決策，調(diào)整原來的指令信息，修正執(zhí)行饋信息，思維器官再作出補(bǔ)充決策，調(diào)整原來的指令信息，修正執(zhí)行器官的行動策略和方式。器官的行動策略和方式。 這樣不斷循環(huán)、修正，直到完成改造外部世界事物為止。這樣不斷循環(huán)、修正，直到完成改造外部世界事物為止。2. 人類感官獲取信息的局限性人類感官獲取信息的局限性 人類獲取信息，是信息通過不同渠道刺激大腦，對于人類通過人類獲取信息，是信息通過不同渠道刺激大腦，對于人類通過感官直接取得信息的有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，大腦的吸收率分別為：感官直接取得信息的有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，大腦的吸收率分別為：視覺視覺83 聽覺聽覺11嗅覺嗅覺3.5 味覺味覺1觸覺觸覺1.5 人類通過感官獲取信息是有

4、局限性的，因?yàn)槿说母泄俸痛竽X人類通過感官獲取信息是有局限性的，因?yàn)槿说母泄俸痛竽X都具有過濾信息的本能，這是由于如下原因：都具有過濾信息的本能，這是由于如下原因：感官機(jī)能：感官機(jī)能：人類感官接收外界信號，受到感官生理機(jī)能的限制。如：人類感官接收外界信號，受到感官生理機(jī)能的限制。如：人眼只能接收波長為人眼只能接收波長為0.380.78m可見光；人耳只能感知可見光；人耳只能感知2020kHz的聲音信號等。的聲音信號等。智力功能：智力功能：同一信源發(fā)出的信息，可能由于人的智力、知識結(jié)構(gòu)、職同一信源發(fā)出的信息，可能由于人的智力、知識結(jié)構(gòu)、職業(yè)、愛好、年齡不同，而效果不同。業(yè)、愛好、年齡不同，而效果不同。

5、3. 人類感官的延伸人類感官的延伸傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng) 傳感器是人的感官的延伸，它的作用是擴(kuò)展人的信息功能。傳感器是人的感官的延伸，它的作用是擴(kuò)展人的信息功能。因此，從廣義講，傳感器是一個感知系統(tǒng)，是為了從外界感知信因此，從廣義講，傳感器是一個感知系統(tǒng)，是為了從外界感知信息而工作的系統(tǒng)。息而工作的系統(tǒng)。 傳感技術(shù)是信息科學(xué)中的一個重要組成部分，在現(xiàn)代被稱之傳感技術(shù)是信息科學(xué)中的一個重要組成部分，在現(xiàn)代被稱之為為信息探測工程學(xué)信息探測工程學(xué)，是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及生物效，是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及生物效應(yīng)，作為信息探測的實(shí)際應(yīng)用的一門科學(xué)。它對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的應(yīng)，作為信息探測的實(shí)際應(yīng)用

6、的一門科學(xué)。它對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的作用和意義，巳日益顯得重要而突出。作用和意義，巳日益顯得重要而突出。 傳感系統(tǒng)模型傳感系統(tǒng)模型一種簡單的感測系統(tǒng)模型一種簡單的感測系統(tǒng)模型一種復(fù)雜的感測系統(tǒng)模型一種復(fù)雜的感測系統(tǒng)模型4. 傳感技術(shù)的發(fā)展方向傳感技術(shù)的發(fā)展方向 信息科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了能量、物質(zhì)科學(xué)的進(jìn)步，而新材料信息科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了能量、物質(zhì)科學(xué)的進(jìn)步，而新材料的出現(xiàn)，反過來又促進(jìn)了傳感技術(shù)的發(fā)展，尤其是固體功能材料的出現(xiàn)，反過來又促進(jìn)了傳感技術(shù)的發(fā)展，尤其是固體功能材料與功能元件的發(fā)展，為新型傳感器的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，與功能元件的發(fā)展，為新型傳感器的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而微電子技術(shù)

7、，特別是大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為傳感器的智能而微電子技術(shù)，特別是大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為傳感器的智能化提供了技術(shù)條件，越來越多的敏感元件問世，使人類的感官功化提供了技術(shù)條件，越來越多的敏感元件問世，使人類的感官功能不斷擴(kuò)展與增強(qiáng)。能不斷擴(kuò)展與增強(qiáng)。 傳感技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為兩個基本的方向：傳感技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為兩個基本的方向：擴(kuò)展感測信息的領(lǐng)域；擴(kuò)展感測信息的領(lǐng)域；提高識別信息的智能。提高識別信息的智能。擴(kuò)展感測信息的領(lǐng)域擴(kuò)展感測信息的領(lǐng)域視覺與光傳感器：波長視覺與光傳感器：波長10-7m0.1m；速度；速度10-9s（人（人0.1s）聽覺與聲壓傳感器：頻率可達(dá)數(shù)兆聽覺與聲壓傳感器：頻率可達(dá)數(shù)兆Hz

8、；聲壓范圍遠(yuǎn)超人耳；聲壓范圍遠(yuǎn)超人耳觸覺與溫度、壓力傳感器觸覺與溫度、壓力傳感器嗅覺傳感器嗅覺傳感器味覺傳感器味覺傳感器提高識別信息的智能提高識別信息的智能 新型傳感器技術(shù)的開發(fā)，與微電于技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成具有校正、變換、新型傳感器技術(shù)的開發(fā)，與微電于技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成具有校正、變換、統(tǒng)計(jì)處理、反饋等多種功能的，具有思維、辨別能力的智能傳感器。這統(tǒng)計(jì)處理、反饋等多種功能的，具有思維、辨別能力的智能傳感器。這種傳感系統(tǒng)可以在復(fù)雜的環(huán)境中，準(zhǔn)確而有效地提取有用信息。種傳感系統(tǒng)可以在復(fù)雜的環(huán)境中，準(zhǔn)確而有效地提取有用信息。 在信息仿生學(xué)方面，傳感技術(shù)正向著信息化、智能化、綜合化方向在信息仿生學(xué)方面，傳感

9、技術(shù)正向著信息化、智能化、綜合化方向發(fā)展。發(fā)展。 在人在人機(jī)器、機(jī)器機(jī)器、機(jī)器-機(jī)器通訊方面，信息形式的多樣化，特別是容機(jī)器通訊方面，信息形式的多樣化，特別是容量最大的視覺信息，將被充分利用。固態(tài)圖像傳感器、圖像通訊技術(shù)將量最大的視覺信息，將被充分利用。固態(tài)圖像傳感器、圖像通訊技術(shù)將得到大力發(fā)展。得到大力發(fā)展。1. 核輻射檢測核輻射檢測 核輻射檢測是利用核輻射檢測是利用、x射線的輻射特性，根據(jù)被射線的輻射特性，根據(jù)被測物質(zhì)對射線的吸收、散射、或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)、測物質(zhì)對射線的吸收、散射、或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)、穿透作用而進(jìn)行工作的?？梢詫?shí)現(xiàn)對材料厚度、內(nèi)傷，物質(zhì)穿透作用而進(jìn)行工作的

10、?？梢詫?shí)現(xiàn)對材料厚度、內(nèi)傷，物質(zhì)密度、成分、物位等參數(shù)的測量。密度、成分、物位等參數(shù)的測量。比例計(jì)數(shù)管與蓋革計(jì)數(shù)管比例計(jì)數(shù)管與蓋革計(jì)數(shù)管射線使氣體電離，產(chǎn)生正射線使氣體電離，產(chǎn)生正離子和電子，電子被陽極加速離子和電子，電子被陽極加速形成電流，大小與施加于金屬形成電流，大小與施加于金屬絲上的電壓大小有關(guān)。隨電壓絲上的電壓大小有關(guān)。隨電壓的升高，被加速的電子在運(yùn)動的升高，被加速的電子在運(yùn)動途中又會不斷電離氣體而造成途中又會不斷電離氣體而造成“雪崩雪崩”現(xiàn)象。電子數(shù)量現(xiàn)象。電子數(shù)量( (電壓電壓脈沖大小脈沖大小) )與射線能量成正比與射線能量成正比(區(qū)區(qū), ,比例計(jì)數(shù)管比例計(jì)數(shù)管) )；電壓升到；電

11、壓升到10001700V10001700V時時(區(qū)區(qū)) )，輸出電，輸出電壓脈沖與入射射線的頻率成正壓脈沖與入射射線的頻率成正比，就成了比，就成了蓋革計(jì)數(shù)管蓋革計(jì)數(shù)管。v閃爍計(jì)數(shù)管閃爍計(jì)數(shù)管由閃爍晶體和光電由閃爍晶體和光電倍增管組成。閃爍晶體倍增管組成。閃爍晶體吸收射線光子，產(chǎn)生可吸收射線光子，產(chǎn)生可見熒光；光電倍增管把見熒光；光電倍增管把光轉(zhuǎn)換為可測量的電脈光轉(zhuǎn)換為可測量的電脈沖。當(dāng)晶體中吸收一個沖。當(dāng)晶體中吸收一個射線光子時，便會在其射線光子時，便會在其中產(chǎn)生一個閃光，這個中產(chǎn)生一個閃光，這個閃光射到光敏陰極上時，閃光射到光敏陰極上時，便會迸發(fā)出許多電子，便會迸發(fā)出許多電子，再經(jīng)光電倍增管

12、的多級再經(jīng)光電倍增管的多級倍增后，就可在最后聯(lián)倍增后，就可在最后聯(lián)極上得到大量電子，其極上得到大量電子，其總增益達(dá)總增益達(dá)107。即閃爍晶體吸收一個射線光子后，可以得到數(shù)目巨大的電子，幾乎在輸即閃爍晶體吸收一個射線光子后，可以得到數(shù)目巨大的電子，幾乎在輸出端能產(chǎn)生數(shù)伏的電壓脈沖，并且這一過程十分迅速，所需時間不到出端能產(chǎn)生數(shù)伏的電壓脈沖，并且這一過程十分迅速，所需時間不到1 1s。因此，閃爍晶體管可以在高達(dá)因此，閃爍晶體管可以在高達(dá)105脈沖數(shù)脈沖數(shù)/s/s的速率下工作而不會有計(jì)數(shù)損失。的速率下工作而不會有計(jì)數(shù)損失。這種測厚儀是非接觸測量，且不受溫度、壓力等因素的影響。這種測厚儀是非接觸測量，

13、且不受溫度、壓力等因素的影響。被用于熱軋機(jī)上控制軋制鋼板厚度，獲得較好的應(yīng)用效果。被用于熱軋機(jī)上控制軋制鋼板厚度，獲得較好的應(yīng)用效果。這種裝置被用于這種裝置被用于X X射線衍射儀射線衍射儀或或X X射線顯微分析儀中，射線顯微分析儀中，前者是利用前者是利用X X射線在晶體表面上的衍射現(xiàn)象，測定射線在晶體表面上的衍射現(xiàn)象，測定X X射線衍射光的強(qiáng)度，以確定殘射線衍射光的強(qiáng)度，以確定殘余應(yīng)力大小余應(yīng)力大??；后者則是利用電子束照射在固體表面上，激發(fā)出特征；后者則是利用電子束照射在固體表面上，激發(fā)出特征X X射線，通過測定射線，通過測定X X射線的波長及強(qiáng)度，進(jìn)行材料的成分分析。射線的波長及強(qiáng)度，進(jìn)行材

14、料的成分分析。2. 超聲波檢測超聲波檢測 超聲波和聲波一樣，是超聲波和聲波一樣，是彈性介質(zhì)的機(jī)械振動波，彈性介質(zhì)的機(jī)械振動波，其頻率在其頻率在20kHz以上，可以上，可達(dá)達(dá)109Hz，波長短，具有方，波長短，具有方向性，穿透能力強(qiáng)，在鋼向性，穿透能力強(qiáng)，在鋼材中甚至可穿透材中甚至可穿透10m以上。以上。 超聲波的產(chǎn)生和接收超聲波的產(chǎn)生和接收利用了壓電晶體的壓電效利用了壓電晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。3. 聲發(fā)射檢測聲發(fā)射檢測 聲發(fā)射（聲發(fā)射（AE）是材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈性）是材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能量的一種現(xiàn)象，它表征材料微觀結(jié)構(gòu)力

15、波的形式釋放出應(yīng)變能量的一種現(xiàn)象，它表征材料微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化。學(xué)性質(zhì)的變化。 AE技術(shù)可用于密閉容器以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)等的安全監(jiān)視，技術(shù)可用于密閉容器以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)等的安全監(jiān)視，是防止突發(fā)事件的有效手段。是防止突發(fā)事件的有效手段。 金屬材料變形產(chǎn)生金屬材料變形產(chǎn)生AE波的過程，類似于機(jī)械系統(tǒng)的瞬間不波的過程，類似于機(jī)械系統(tǒng)的瞬間不穩(wěn)定狀態(tài)。在外力作用下，金屬中的缺陷附近或微觀不均勻區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)。在外力作用下，金屬中的缺陷附近或微觀不均勻區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，處于高能量狀態(tài)而不穩(wěn)定，必定要過渡到穩(wěn)域發(fā)生應(yīng)力集中，處于高能量狀態(tài)而不穩(wěn)定，必定要過渡到穩(wěn)定的低能量狀態(tài)。如果這種過渡在瞬間完成，則將是

16、能量的瞬定的低能量狀態(tài)。如果這種過渡在瞬間完成，則將是能量的瞬間釋放過程，并以彈性波的形式放出，即間釋放過程，并以彈性波的形式放出，即AE波。波。 將彈性波轉(zhuǎn)換為可測的電信將彈性波轉(zhuǎn)換為可測的電信號的裝置稱為聲發(fā)射傳感器，號的裝置稱為聲發(fā)射傳感器，多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)。多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)。1. 基本問題基本問題標(biāo)定的目的：實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量分析。標(biāo)定的目的：實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量分析。0階系統(tǒng)：只需進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲得靜態(tài)特性參數(shù)。階系統(tǒng)：只需進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲得靜態(tài)特性參數(shù)。一階、二階系統(tǒng)：需要靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定。一階、二階系統(tǒng)：需要靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定。靜態(tài)標(biāo)定：以標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入，測定其輸出、輸入關(guān)系

17、，確定靜態(tài)標(biāo)定：以標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入，測定其輸出、輸入關(guān)系，確定定標(biāo)曲線，獲得直線度（線性度）、靈敏度、滯后量（回程誤定標(biāo)曲線，獲得直線度（線性度）、靈敏度、滯后量（回程誤差）、重復(fù)性及剛度、橫向靈敏度等參數(shù)。差）、重復(fù)性及剛度、橫向靈敏度等參數(shù)。動態(tài)標(biāo)定：測定傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)頻率響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，動態(tài)標(biāo)定：測定傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)頻率響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，確定傳感器的通頻帶、工作頻帶、諧振頻率、阻尼比和相位特確定傳感器的通頻帶、工作頻帶、諧振頻率、阻尼比和相位特性等。性等。工作頻帶：指靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍。在阻尼比為工作頻帶：指靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍。在阻尼比為0.707時，工作主頻帶

18、的上限頻率一般為諧振頻率的時，工作主頻帶的上限頻率一般為諧振頻率的0.58倍：倍：max=0.58n。 動態(tài)標(biāo)定的方法：正弦激勵、沖擊力激勵、白噪聲或偽隨機(jī)白動態(tài)標(biāo)定的方法：正弦激勵、沖擊力激勵、白噪聲或偽隨機(jī)白噪聲激勵等。噪聲激勵等。力譜力譜響應(yīng)譜響應(yīng)譜幅值譜幅值譜相頻譜相頻譜相干函數(shù)相干函數(shù)一階固有頻率一階固有頻率683.2Hz683.2Hz2. 多維傳感器的標(biāo)定問題多維傳感器的標(biāo)定問題 橫向靈敏度：在多維傳感器中又稱為交叉靈敏度或互干擾度。用來衡橫向靈敏度：在多維傳感器中又稱為交叉靈敏度或互干擾度。用來衡量垂直于某方向的輸入對該方向輸出的影響程度。為保證傳感器的測量垂直于某方向的輸入對該

19、方向輸出的影響程度。為保證傳感器的測試精度，在一些傳感器的性能指標(biāo)中都標(biāo)明了橫向靈敏度。一般用下試精度，在一些傳感器的性能指標(biāo)中都標(biāo)明了橫向靈敏度。一般用下式表示（用式表示（用%數(shù)表示）。數(shù)表示）。 axy=(Nx-axxFx)/Fy 式中：式中： axy為為y方向?qū)Ψ较驅(qū)方向的干擾度，或稱標(biāo)定系數(shù)；方向的干擾度，或稱標(biāo)定系數(shù)； axx為為x向標(biāo)定系數(shù)；向標(biāo)定系數(shù)； Fx、Fy分別為分別為x方向與方向與y方向施加的載荷；方向施加的載荷； Nx為在為在x方向傳感器的輸出。方向傳感器的輸出。 在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的受力情況是很復(fù)雜的，如固定在振動體上的在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的受力情況是很復(fù)雜的，如

20、固定在振動體上的加速度計(jì)，不可能處于理想的單一方向激勵下，必須考慮橫向靈敏度加速度計(jì)，不可能處于理想的單一方向激勵下，必須考慮橫向靈敏度對測量結(jié)果的影響。對測量結(jié)果的影響。 多維傳感器的系統(tǒng)模型：金屬切削過程中測力裝置，如銑削、鉆削或車削多維傳感器的系統(tǒng)模型：金屬切削過程中測力裝置，如銑削、鉆削或車削測力儀等，都是一些典型的多維測力傳感器。測力儀等，都是一些典型的多維測力傳感器。)()()()()()(;)()()()()()(;)()()()()()(666622611626622221121661221111thtxthtxthtxythtxthtxthtxythtxthtxthtxy根據(jù)

21、時域卷積定理：根據(jù)時域卷積定理：)()()()(HXthtxFT則有：則有：)()()()()()()()()()()()()()()(621666261262221161211621XXXHHHHHHHHHYYY或：或：)()()(jjiiXHY式中式中Hij()稱為頻率響應(yīng)矩陣或傳遞矩陣。稱為頻率響應(yīng)矩陣或傳遞矩陣。根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸特性，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸特性，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積：卷積： 多維傳感器的標(biāo)定及補(bǔ)償問題：對多維傳感器的標(biāo)定，就是多維傳感器的標(biāo)定及補(bǔ)償問題：對多維傳感器的標(biāo)定，就是 求出各求出各向傳輸通道的靜、動態(tài)特性參數(shù)，

22、為傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或誤差補(bǔ)償提向傳輸通道的靜、動態(tài)特性參數(shù)，為傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或誤差補(bǔ)償提供依據(jù)。其方法有：供依據(jù)。其方法有：多輸入多輸出方法：不易實(shí)現(xiàn)（難實(shí)現(xiàn)多個已知量同時激勵）多輸入多輸出方法：不易實(shí)現(xiàn)（難實(shí)現(xiàn)多個已知量同時激勵）單輸入多輸出方法：單向輸入，同時測定各向輸出。單輸入多輸出方法：單向輸入，同時測定各向輸出。 靜態(tài)標(biāo)定：分別在某一方向輸入已知量，同時測定各向輸出，其靜態(tài)標(biāo)定：分別在某一方向輸入已知量，同時測定各向輸出，其 輸出與輸入為即時關(guān)系，可用代數(shù)方程描述：輸出與輸入為即時關(guān)系，可用代數(shù)方程描述：621666261262221161211621xxxaaaaaaaaayyy或：

23、或：jjiiXAY 式中式中Aij是由標(biāo)定曲線求得的，描述了各向傳輸通道的靜特性，當(dāng)是由標(biāo)定曲線求得的，描述了各向傳輸通道的靜特性，當(dāng)i=j時，時，Aij表示輸出與輸入為同向時的靈敏度。表示輸出與輸入為同向時的靈敏度。ij時，時，Aij則是橫向則是橫向靈敏度，或稱干擾度。靈敏度，或稱干擾度。62166221162100 xxxaaayyy)()()()()()()()()()(666261262221161211HHHHHHHHHHji在理想情況下，無橫向干擾，其輸出輸入關(guān)系為：在理想情況下，無橫向干擾，其輸出輸入關(guān)系為：同樣，也可采用單向激勵（如正弦、沖擊等）多向輸出方同樣，也可采用單向激勵

24、（如正弦、沖擊等）多向輸出方法進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，可獲得頻率響應(yīng)矩陣：法進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，可獲得頻率響應(yīng)矩陣：當(dāng)當(dāng)i=j時，時，Hij()表示輸出與輸入為同向時的頻率響應(yīng)函數(shù)；表示輸出與輸入為同向時的頻率響應(yīng)函數(shù)；當(dāng)當(dāng)ij時，時， Hij() 表示非同向時的頻率響應(yīng)函數(shù)，也稱為動態(tài)橫表示非同向時的頻率響應(yīng)函數(shù)，也稱為動態(tài)橫向干擾系數(shù)。向干擾系數(shù)。)(00)()()(662211HHHHji0)()()(0)()()(0)(626126211612HHHHHHHji在理想條件下，無橫向干擾，其傳輸矩陣為：在理想條件下，無橫向干擾，其傳輸矩陣為：單靠傳感器設(shè)計(jì)來獲得這樣理想的傳輸通道是不容易的。單靠傳感器設(shè)

25、計(jì)來獲得這樣理想的傳輸通道是不容易的?？筛鶕?jù)標(biāo)定后得到的各向傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：可根據(jù)標(biāo)定后得到的各向傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：則則：（Hij()）= Hij() - Hij() 是一個無干擾的傳輸矩陣。是一個無干擾的傳輸矩陣。其他方法，如：串聯(lián)通道等。其他方法，如：串聯(lián)通道等。1. 靈敏度靈敏度 一般說來，一般說來，S越大越好，但越大越好，但S越大，外界干擾也越容易混入。選用傳越大，外界干擾也越容易混入。選用傳感器時，其靈敏度應(yīng)盡量大一些，這樣便于檢測微小信號，但同時感器時，其靈敏度應(yīng)盡量大一些，這樣便于檢測微小信號，但同時應(yīng)考慮傳感器的信噪比（應(yīng)大一些）。另外，靈敏度與測量范圍緊應(yīng)考

26、慮傳感器的信噪比（應(yīng)大一些）。另外，靈敏度與測量范圍緊密相關(guān)，要保證傳感器在線性區(qū)域工作（信號干擾不超過線性范密相關(guān)，要保證傳感器在線性區(qū)域工作（信號干擾不超過線性范圍），過高的靈敏度會縮小測量范圍。圍），過高的靈敏度會縮小測量范圍。2. 響應(yīng)特性響應(yīng)特性 在動態(tài)測量時，要考慮傳感器的響應(yīng)特性，要保證不失真測試。（要在動態(tài)測量時，要考慮傳感器的響應(yīng)特性，要保證不失真測試。（要使傳感器的工作頻率范圍與被測信號的占有頻帶相適用）使傳感器的工作頻率范圍與被測信號的占有頻帶相適用）3. 線性范圍線性范圍 任何傳感器均有一定的線性范圍。保證傳感器在線性區(qū)域工作，是保任何傳感器均有一定的線性范圍。保證傳感

27、器在線性區(qū)域工作，是保證測量精確度的基本條件。然而，任何傳感器均不能保證其絕對線證測量精確度的基本條件。然而，任何傳感器均不能保證其絕對線性。因此，這里所講的線性范圍，往往指的是線性誤差不超過允許性。因此，這里所講的線性范圍，往往指的是線性誤差不超過允許值的范圍。值的范圍。4. 可靠性可靠性 是指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)是指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。選擇傳感器時，應(yīng)考慮其對環(huán)境的適應(yīng)完成規(guī)定功能的能力。選擇傳感器時，應(yīng)考慮其對環(huán)境的適應(yīng)性、傳感器的壽命等因素。要保證傳感器在實(shí)際環(huán)境條件下的性、傳感器的壽命等因素。要保證傳感器在實(shí)際環(huán)境條

28、件下的測量誤差不超過允許范圍。測量誤差不超過允許范圍。5. 精確度精確度 是指傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。選擇精確是指傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。選擇精確度時，應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。精確度越高，傳感器的價(jià)格就越昂貴。度時，應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。精確度越高，傳感器的價(jià)格就越昂貴。在定性分析試驗(yàn)中，一般要求傳感器有一定的精密性，而進(jìn)行在定性分析試驗(yàn)中，一般要求傳感器有一定的精密性，而進(jìn)行定量分析時，則要求傳感器有足夠的精確度。定量分析時，則要求傳感器有足夠的精確度。6. 測量方式測量方式 傳感器在實(shí)際條件下的工作方式包括接觸與非接觸測量、在線傳感器在實(shí)際條件下的工作方式包括接觸與非接觸測量、在

29、線與非在線測量等。工作方式不同，對傳感器的要求也不同。如與非在線測量等。工作方式不同，對傳感器的要求也不同。如接觸測量中，應(yīng)考慮傳感器對被測對象的影響。接觸測量中，應(yīng)考慮傳感器對被測對象的影響。7. 其他其他 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，易維修，易更換等。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，易維修，易更換等。1. 廣義信道廣義信道 一般可理解為傳輸信息的媒介途徑。如：聲音或電磁波傳播的空一般可理解為傳輸信息的媒介途徑。如：聲音或電磁波傳播的空間、載有信息的電壓或電流信號通過的電纜等。間、載有信息的電壓或電流信號通過的電纜等。2. 傳輸信息的能量傳輸信息的能量 信息傳輸需要借助物質(zhì)和能量

30、。信息傳輸需要借助物質(zhì)和能量。 信息的傳輸量不僅取決于注入能量的絕對值，還取決于該能量與信息的傳輸量不僅取決于注入能量的絕對值，還取決于該能量與周圍環(huán)境干擾（背景噪聲）的關(guān)系，這種干擾將引起信息傳輸?shù)氖д嬷車h(huán)境干擾（背景噪聲）的關(guān)系，這種干擾將引起信息傳輸?shù)氖д婊蛐畔㈧氐膿p失。如在夜晚可以觀察到天上的星星而白天卻很難觀察或信息熵的損失。如在夜晚可以觀察到天上的星星而白天卻很難觀察到星星就是這個道理。到星星就是這個道理。 信號通過信道，將由于外界干擾和信道物理特性而引起信號的衰信號通過信道，將由于外界干擾和信道物理特性而引起信號的衰減、失真、信息量損失等。減、失真、信息量損失等。3. Shan

31、non信道容量關(guān)系式信道容量關(guān)系式 信道最大的信息傳輸率稱為信道容量，或稱信息傳輸速度，單信道最大的信息傳輸率稱為信道容量，或稱信息傳輸速度，單位為位為bit/s。Shannon信道容量關(guān)系式：信道容量關(guān)系式：Ct = F log( 1+Ps / Pn ) bit/s F 信道帶寬信道帶寬 Ps 輸入信號的平均功率輸入信號的平均功率 Pn 引入信道的干擾噪聲的平均功率引入信道的干擾噪聲的平均功率Ct 單位時間內(nèi)的信道容量單位時間內(nèi)的信道容量 上式還可以表示為：上式還可以表示為：/)1log(0sbitFNPFCst式中：式中：N0為噪聲功率譜密度，為噪聲功率譜密度，Pn=N0F。Shannon

32、信道容量關(guān)系式表明，一個信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⑿诺廊萘筷P(guān)系式表明，一個信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭捔客耆蓭扚、時間、時間T和信噪比和信噪比Ps/Pn所決定。所決定。上圖表示信道容量上圖表示信道容量Ct 與信道帶寬與信道帶寬F 的關(guān)系。當(dāng)?shù)年P(guān)系。當(dāng)F 較小時，較小時， Ct 隨隨F 增加增加較快，且當(dāng)較快，且當(dāng)F = Ps/N0 時，時，Ct =Ps / N0 ，即此時信道容量等于信號功率與噪，即此時信道容量等于信號功率與噪聲功率譜密度的比值；當(dāng)聲功率譜密度的比值；當(dāng)F 較大時，較大時，Ct 趨向于一極限值趨向于一極限值(Ps / N0 )loge。 從從Shannon公式可以看出，隨

33、信噪比的增加，信道容量也會公式可以看出，隨信噪比的增加，信道容量也會增加，從信息有效的傳輸來看，信噪比是影響信道容量的一個重增加，從信息有效的傳輸來看，信噪比是影響信道容量的一個重要指標(biāo)。要指標(biāo)。 運(yùn)用運(yùn)用Shannon公式可有效解釋和解決下列問題：公式可有效解釋和解決下列問題： 信道包含了多個環(huán)節(jié)，能量在傳輸過程中將會衰減，為保證信道包含了多個環(huán)節(jié)，能量在傳輸過程中將會衰減，為保證信息能流最有效地傳遞，必須考慮環(huán)節(jié)間的匹配問題，以獲得最信息能流最有效地傳遞，必須考慮環(huán)節(jié)間的匹配問題，以獲得最佳耦合條件；佳耦合條件；信道頻率特性與信息熵?fù)p失；信道頻率特性與信息熵?fù)p失；信道頻率特性與波形失真；信

34、道頻率特性與波形失真；信號信噪比最大系統(tǒng)；信號信噪比最大系統(tǒng)；信噪比最大、波形失真最小系統(tǒng)等。信噪比最大、波形失真最小系統(tǒng)等。 任何測試系統(tǒng)，都是由許多環(huán)節(jié)組成的。通過能流將信息從任何測試系統(tǒng)，都是由許多環(huán)節(jié)組成的。通過能流將信息從一個環(huán)節(jié)傳遞到下一個環(huán)節(jié)。一個環(huán)節(jié)傳遞到下一個環(huán)節(jié)。 每通過一個環(huán)節(jié)，能量會衰減，而噪聲卻不斷增強(qiáng)。每通過一個環(huán)節(jié)，能量會衰減，而噪聲卻不斷增強(qiáng)。 根據(jù)根據(jù)Shannon信道容量關(guān)系式，若保持信噪比最大，那么設(shè)信道容量關(guān)系式，若保持信噪比最大，那么設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)的一個原則應(yīng)該是環(huán)節(jié)數(shù)目盡可能少，另一個原則就計(jì)測試系統(tǒng)的一個原則應(yīng)該是環(huán)節(jié)數(shù)目盡可能少，另一個原則就是建立

35、傳輸環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系，以保證信息流有效地傳遞。是建立傳輸環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系，以保證信息流有效地傳遞。 從工程測試出發(fā)，信息經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以后，將進(jìn)入測量環(huán)節(jié)，從工程測試出發(fā)，信息經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以后，將進(jìn)入測量環(huán)節(jié)，由于傳感器的結(jié)構(gòu)形式及工作原理不同，其耦合關(guān)系也不同。由于傳感器的結(jié)構(gòu)形式及工作原理不同，其耦合關(guān)系也不同。下面以能量轉(zhuǎn)換型傳感器為例進(jìn)行分析。下面以能量轉(zhuǎn)換型傳感器為例進(jìn)行分析。設(shè)設(shè)E為信號源等效電為信號源等效電勢，傳感器輸出阻抗為勢，傳感器輸出阻抗為Zi = Ri + jXi，負(fù)載阻抗為，負(fù)載阻抗為ZL =RL + jXL，則負(fù)載獲得的，則負(fù)載獲得的功率為：功率為：22222)()

36、(|iLiLLiLLsXXRRREZZREP分析表明，當(dāng)復(fù)阻抗回路滿足條件分析表明，當(dāng)復(fù)阻抗回路滿足條件|Zi|= |ZL| ，并且相位并且相位角角 i 與與 L 相差相差180o時，信息傳遞功率時，信息傳遞功率Ps 最大。最大。gkEggkEiLLsPaaPRRREP222)1 ()(式中：式中：PkE=E2/Ri ，電勢，電勢E的短路功率；的短路功率；ag=RL/Ri ，負(fù)載電阻對信號源內(nèi)阻之比，又稱之為匹配比；，負(fù)載電阻對信號源內(nèi)阻之比，又稱之為匹配比；g=ag/(1+ag)2 ，稱為傳感器信息變換有效系數(shù)。，稱為傳感器信息變換有效系數(shù)。 由上式可知，傳感器傳送給下一環(huán)節(jié)的功率取決于兩個

37、因素：由上式可知，傳感器傳送給下一環(huán)節(jié)的功率取決于兩個因素：（1）傳感器短路功率傳感器短路功率PkE 。其值越大，負(fù)載上的有效功率。其值越大，負(fù)載上的有效功率PL也越大。也越大。 PkE值與傳感器形式及結(jié)構(gòu)有關(guān)，如：熱電式為值與傳感器形式及結(jié)構(gòu)有關(guān)，如：熱電式為10-41W，壓電式，壓電式為為10-410-6W；（2）信息變換有效系數(shù)信息變換有效系數(shù)g 。g隨匹配比隨匹配比ag而變。當(dāng)而變。當(dāng)ag =1時，時， g =1/4，為極大值。即在最好配合下，負(fù)載上也只能得到為極大值。即在最好配合下，負(fù)載上也只能得到PkE/4。比值。比值g=PL/PkE顯然說明傳感器輸出信息量的利用程度，故稱之為信顯

38、然說明傳感器輸出信息量的利用程度，故稱之為信息變換有效系數(shù)。息變換有效系數(shù)。對純電阻回路，負(fù)載上的有效功率為：對純電阻回路，負(fù)載上的有效功率為： 在通信工程中，往往用二進(jìn)制矩形波傳輸信息，在傳輸過程在通信工程中，往往用二進(jìn)制矩形波傳輸信息，在傳輸過程中，作為物理性的媒質(zhì)，不能急促地變化，因而會造成波形畸變。中，作為物理性的媒質(zhì)，不能急促地變化，因而會造成波形畸變。 從技術(shù)上，無論檢測手段有多精確，總會存在誤差。在動態(tài)測量從技術(shù)上，無論檢測手段有多精確，總會存在誤差。在動態(tài)測量中，造成誤差的原因，除了最基本的因素（靜態(tài)）外，噪聲干擾、中，造成誤差的原因，除了最基本的因素（靜態(tài)）外，噪聲干擾、信道

39、頻率特性等，則是非常重要的因素。信道頻率特性等，則是非常重要的因素。 信號通過系統(tǒng)產(chǎn)生的失真包括頻率失真、幅值失真和相位失信號通過系統(tǒng)產(chǎn)生的失真包括頻率失真、幅值失真和相位失真。對線性系統(tǒng)，只存在幅值失真和相位失真。真。對線性系統(tǒng)，只存在幅值失真和相位失真。 幅值失真：是由于信號通過系統(tǒng)時，系統(tǒng)對信號中各頻率分量的幅值失真：是由于信號通過系統(tǒng)時，系統(tǒng)對信號中各頻率分量的幅度產(chǎn)生不同程度的衰減而引起的。幅度產(chǎn)生不同程度的衰減而引起的。 相位失真：指信號通過系統(tǒng)時，信號中各頻率分量產(chǎn)生的相移不相位失真：指信號通過系統(tǒng)時，信號中各頻率分量產(chǎn)生的相移不與頻率成正比的關(guān)系，結(jié)果導(dǎo)致各頻率分量在時間軸上的

40、相對位與頻率成正比的關(guān)系，結(jié)果導(dǎo)致各頻率分量在時間軸上的相對位置產(chǎn)生變化。置產(chǎn)生變化。 幅值失真和相位失真會引起波形畸變。幅值失真和相位失真會引起波形畸變。)(| )(|)()()()(eHHXHYH()相當(dāng)于一個加權(quán)系數(shù)，對源信號相當(dāng)于一個加權(quán)系數(shù)，對源信號x(t)的頻譜的頻譜X()給予加權(quán)給予加權(quán)修正，在幅值上加權(quán)系數(shù)為修正，在幅值上加權(quán)系數(shù)為|H()|；而相位則為；而相位則為 ()。不失真測試條件不失真測試條件)()(00txAty時域：時域：系統(tǒng)傳遞特性：系統(tǒng)傳遞特性：) |()() |(| )(|00ccAH這是一種不可能實(shí)現(xiàn)的非物理系統(tǒng)。這是一種不可能實(shí)現(xiàn)的非物理系統(tǒng)。信號通過系統(tǒng)

41、后，其信息熵與信道頻率特性之間的關(guān)系為：信號通過系統(tǒng)后，其信息熵與信道頻率特性之間的關(guān)系為：dHXhYhaa02| )(|log21)()(由上式可知，只有當(dāng)由上式可知，只有當(dāng)|H()|=1時，系統(tǒng)輸出的信息熵與輸入的信息時，系統(tǒng)輸出的信息熵與輸入的信息熵相等，不存熵的損失。熵相等，不存熵的損失。設(shè)信噪比設(shè)信噪比(S/N)最大時所求信道的頻率特性為：最大時所求信道的頻率特性為：)(| )(|)(jeHH輸入信號的頻譜為：輸入信號的頻譜為：)(| )(|)(jeXX輸出信號：輸出信號：deXHXHFtytj)()(21)()()(1假定混入噪聲的頻譜是假定混入噪聲的頻譜是“白譜白譜”，即對所有頻

42、率的幅度一樣，即對所有頻率的幅度一樣，只是相位不規(guī)則。這種白噪聲通過信道時，噪聲輸出與信道特只是相位不規(guī)則。這種白噪聲通過信道時，噪聲輸出與信道特性成比例，故噪聲輸出功率為：性成比例，故噪聲輸出功率為：dHkN2| )(|這一系統(tǒng)在這一系統(tǒng)在t = t0 時刻的輸出信噪比為：時刻的輸出信噪比為：dHkdeXHNStj22| )(|)()(21|0使使S/N為最大的為最大的H()即為所求信道的特性。即為所求信道的特性。根據(jù)許瓦茲不等式可以證明信噪比最大的信道，其頻率特性為：根據(jù)許瓦茲不等式可以證明信噪比最大的信道，其頻率特性為：0)()(tjeXH還可以證明，波形失真最小，信噪比最大的信道的頻率

43、特性為：還可以證明，波形失真最小，信噪比最大的信道的頻率特性為：0222| )(| )(| )(|)(tjeNXXH上式表明，噪聲小時，上式表明，噪聲小時， H()以幾乎不變的平坦特性為最好；以幾乎不變的平坦特性為最好；噪聲大時，在噪聲頻譜大的地方，噪聲大時，在噪聲頻譜大的地方，|H()|必須減??；對于白噪聲必須減小；對于白噪聲和頻率為一定的功率譜，和頻率為一定的功率譜， |H()|大約與大約與|X()|相同最好。相同最好。1. 噪聲源噪聲源系統(tǒng)外干擾噪聲系統(tǒng)外干擾噪聲：來自于測試系統(tǒng)周圍空間的外部干擾。如：雷電、：來自于測試系統(tǒng)周圍空間的外部干擾。如：雷電、高壓電網(wǎng)、空間電磁波以及各種工業(yè)有

44、源干擾，或環(huán)境溫度、濕高壓電網(wǎng)、空間電磁波以及各種工業(yè)有源干擾，或環(huán)境溫度、濕度、光照、振動、腐蝕性氣體等。外部干擾產(chǎn)生的噪聲又可分為度、光照、振動、腐蝕性氣體等。外部干擾產(chǎn)生的噪聲又可分為放電噪聲、顫噪噪聲等。放電噪聲、顫噪噪聲等。系統(tǒng)內(nèi)干擾噪聲系統(tǒng)內(nèi)干擾噪聲：電子設(shè)備元器件內(nèi)部產(chǎn)生的干擾噪聲有熱噪聲、：電子設(shè)備元器件內(nèi)部產(chǎn)生的干擾噪聲有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲、量子噪聲等。散粒噪聲、閃爍噪聲、量子噪聲等。熱噪聲：熱噪聲：帶電粒子在器件內(nèi)部作隨機(jī)無規(guī)則運(yùn)動，導(dǎo)致溫度變化的同帶電粒子在器件內(nèi)部作隨機(jī)無規(guī)則運(yùn)動，導(dǎo)致溫度變化的同時，還使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個起伏電壓。任何有溫度變化的導(dǎo)體都有時，還使

45、導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個起伏電壓。任何有溫度變化的導(dǎo)體都有熱噪聲。熱噪聲。散粒噪聲：散粒噪聲：是由于物質(zhì)流動的離散性而產(chǎn)生的。如半導(dǎo)體中電子和空是由于物質(zhì)流動的離散性而產(chǎn)生的。如半導(dǎo)體中電子和空穴的流動等，產(chǎn)生平均電流的過程具有內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)變化，這種變化穴的流動等，產(chǎn)生平均電流的過程具有內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)變化，這種變化表現(xiàn)在平均值的上下波動。在一般情況下，這種平均值上下的均方表現(xiàn)在平均值的上下波動。在一般情況下，這種平均值上下的均方起伏性同平均值本身成正比，這是散粒噪聲的特征。起伏性同平均值本身成正比，這是散粒噪聲的特征。2. 噪聲耦合方式噪聲耦合方式 干擾噪聲在空間形成的電磁波，傳播不需要導(dǎo)線聯(lián)接，其耦合通干

46、擾噪聲在空間形成的電磁波，傳播不需要導(dǎo)線聯(lián)接，其耦合通道充滿整個空間。一般情況下，干擾噪聲進(jìn)入測量系統(tǒng)的途徑主道充滿整個空間。一般情況下，干擾噪聲進(jìn)入測量系統(tǒng)的途徑主要是電容耦合、電磁耦合、電阻耦合及共阻抗耦合等。要是電容耦合、電磁耦合、電阻耦合及共阻抗耦合等。 為了減小噪聲干擾，采用一些抗干擾技術(shù)是非常必要的，尤其是為了減小噪聲干擾，采用一些抗干擾技術(shù)是非常必要的，尤其是對于微弱信號的傳感器和具有寬帶的測量體系。針對上述干擾噪對于微弱信號的傳感器和具有寬帶的測量體系。針對上述干擾噪聲源，一般可采用靜電屏蔽、電磁屏蔽或接地、浮置等措施。聲源，一般可采用靜電屏蔽、電磁屏蔽或接地、浮置等措施。1.

47、 噪聲模型噪聲模型對噪聲理論的研究主要依靠大量的實(shí)驗(yàn)性研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建對噪聲理論的研究主要依靠大量的實(shí)驗(yàn)性研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪聲理論。立起物理模型，并由此建立起特定的噪聲理論。1928年，貝爾研究所的兩位科學(xué)家證明了阻值為年，貝爾研究所的兩位科學(xué)家證明了阻值為R的電阻兩端的熱的電阻兩端的熱噪聲電壓噪聲電壓Un(t)的均方值為：的均方值為：fkTRtUEn 4)(2式中：式中：k=1.3810-23J/K，T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度K，R為電阻為電阻，f為噪聲帶寬為噪聲帶寬Hz。其功率譜密度為：其功率譜密度為：kTRftUESnn22)()(2此式表明，熱噪聲具有平坦的功率譜。此式表明，熱噪聲具有平坦的功率譜。 通常把具有均勻功率譜的隨機(jī)過程當(dāng)作白噪聲來處理。通常把具有均勻功率譜的隨機(jī)過程當(dāng)