第一節(jié)信息轉(zhuǎn)換一、信息探測(cè)工程與智能傳感器1、人類認(rèn)識(shí)事物的信息過(guò)程★

人們認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的過(guò)程，基本上就是信息獲取、傳遞、處理、產(chǎn)生新信息，并以新的信息來(lái)控制對(duì)象的過(guò)程，即基本上是一個(gè)信息流通過(guò)程（又稱信息過(guò)程）?！?/p>

人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的一切活動(dòng)中，無(wú)不牽涉到信息的交換和利用。信息是人類認(rèn)識(shí)世界的出發(fā)點(diǎn)（事物是以什么方式在運(yùn)動(dòng)？其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？），信息又是人類改造世界的歸宿（希望事物以什么方式運(yùn)動(dòng)？希望它處于怎樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？）★

正如Wiener所說(shuō)：“信息這個(gè)名稱的內(nèi)容，就是我們對(duì)外界進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使我們的調(diào)節(jié)為外界所了解時(shí)，而與外界交換來(lái)的東西?！?、人類感官獲取信息的局限性★

人類通過(guò)感覺(jué)器官直接獲取信息的實(shí)驗(yàn)表明,大腦的吸收率分別為：視覺(jué)—83%；聽(tīng)覺(jué)—11%；嗅覺(jué)—3.5%；觸覺(jué)—1.5%；味覺(jué)—1%。★

人類感官獲取信息的局限性源于人的感官和大腦具有過(guò)濾信息的本能。

（1）感官機(jī)能視覺(jué)器官只接收0.38～0.78μm的光信號(hào)，聽(tīng)覺(jué)器官只接收20～20kHz聲信號(hào)。

（2）智力（或知識(shí)）結(jié)構(gòu)同一信源發(fā)出的信息，所產(chǎn)生的效果因人而異。與人的智力、知識(shí)結(jié)構(gòu)、職業(yè)、愛(ài)好、年齡等因素相關(guān)。

（3）理性作用人的一生，每時(shí)每刻都在接受信息。然而，接受信息的方式因人而異，一種是非自覺(jué)的，只單憑自身實(shí)踐；而另一種則是主動(dòng)積極地思維。例如，一個(gè)懶漢與一個(gè)立志成才的人的差異。3、傳感系統(tǒng)的一般模型★傳感技術(shù)（現(xiàn)代被稱為信息探測(cè)工程學(xué)）——是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)以及生物效應(yīng)，作為信息探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用的一門科學(xué)。★傳感技術(shù)的多樣性信息的形式豐富多彩，要求有多種多樣的感測(cè)手段★傳感器應(yīng)具有敏感性和選擇性敏感性是從信息化出發(fā)，探測(cè)微弱有用信息的要求；選擇性是從智能化出發(fā)，能從大量的噪聲背景中提取有用信息。(a)簡(jiǎn)單感測(cè)系統(tǒng)模型(b)復(fù)雜傳感系統(tǒng)模型★傳感系統(tǒng)的一般模型（1）簡(jiǎn)單感測(cè)系統(tǒng)如溫度計(jì)、風(fēng)向標(biāo)（2）復(fù)雜傳感系統(tǒng)如雷達(dá)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)等。為了識(shí)別信息4、傳感技術(shù)的發(fā)展★新型固體功能材料與功能元件的發(fā)展是新型傳感器研發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)；微電子技術(shù)為傳感器的智能化提供了技術(shù)基礎(chǔ)?！飩鞲屑夹g(shù)發(fā)展的兩個(gè)方向：擴(kuò)展感測(cè)信息的譜域和提高識(shí)別信息的智能（1）擴(kuò)展譜域（a）視覺(jué)與光傳感器

常見(jiàn)的聲傳感器是鼓膜式微聲器，例如電容式拾音器；最近代的是光纖聲壓傳感器，它利用光纖中傳輸光的特性（例如位相）變化來(lái)獲得傳感功能。

可測(cè)頻率范圍——人耳只能感知20～20kHz聲信號(hào)?，F(xiàn)代超聲檢測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這一范圍。例如，檢測(cè)固體材料斷裂時(shí)發(fā)出的聲波的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)(AE)及研究生物（如魚(yú)類、鳥(niǎo)類）語(yǔ)言的聲檢測(cè)裝置等，可測(cè)頻率達(dá)數(shù)兆赫茲。性能人眼光傳感器響應(yīng)譜域0.38～0.78μm10-7μm～0.1m響應(yīng)速度0.1s10-9s對(duì)物體大小的分辨力0.1～0.2mm可放大30萬(wàn)倍，例如激光測(cè)長(zhǎng)儀的分辨力可達(dá)10-7mm遠(yuǎn)視距離數(shù)千米可探知宇宙空間人眼對(duì)顏色的識(shí)別能力，對(duì)圖像的立體感覺(jué)能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的所有光傳感器（b）聽(tīng)覺(jué)與聲壓傳感器

聽(tīng)閾壓力——在1000Hz條件下，人耳的聽(tīng)閾壓力為2×10-5Pa，而高靈敏微音技術(shù)可拾取微弱的聲音信息。（c）觸覺(jué)與與溫度、壓力傳感器測(cè)溫范圍極大——現(xiàn)今，溫度傳感器的測(cè)溫范圍從接近絕對(duì)零度到核融等離子體溫度（約一千萬(wàn)攝氏度）?！半娮颖恰笔抢冒雽?dǎo)體材料（SnO，ZnO，F(xiàn)e2O3等）的化學(xué)效應(yīng)特性（當(dāng)吸收了可燃性氣體，如氫、烷、醚、醇、苯、沼氣等，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)），來(lái)辨別氣體。此外，味覺(jué)傳感器用于辨別酸、甜、苦、辣，例如，甜度儀。（d）嗅覺(jué)傳感器

基于微電子技術(shù)研發(fā)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。感溫靈敏度極高——如測(cè)量極低溫的約塞夫遜效應(yīng)型熱噪聲溫度計(jì)及核四重共振吸收量子效應(yīng)型溫度計(jì)，在-2630C～1800C，分辨力可達(dá)到0.0010C。（2）智能化

在信息仿生學(xué)方面，傳感技術(shù)向著信息化、智能化、綜合化方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)人工信息系統(tǒng)、仿生系統(tǒng)

與微機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)集信息轉(zhuǎn)換、運(yùn)算及記憶和傳輸功能于一塊硅片上的多功能智能傳感器。此外，從工程應(yīng)用的角度考察，還應(yīng)注意傳感技術(shù)的下列發(fā)展動(dòng)向：（a）動(dòng)態(tài)測(cè)量如火箭發(fā)射、地質(zhì)勘探、振動(dòng)與噪聲分析等瞬太變化物理量的測(cè)量。

（c）特殊環(huán)境下測(cè)量例如光纖傳感器具有不受電磁干擾、以及絕緣、耐水性等優(yōu)良特性；核輻射傳感器不易受到油污、水汽、高溫等的影響；激光的高方向性、單色性測(cè)量距離、速度、加速度等不易受到環(huán)境噪聲的干擾。（d）微觀分析掃描電鏡、X射線衍射儀等打開(kāi)了人類對(duì)微觀世界的探測(cè)。（b）遠(yuǎn)距離、非接觸測(cè)量如自動(dòng)軋鋼過(guò)程中檢測(cè)鋼板厚度的非接觸式γ射線測(cè)厚儀，以及飛機(jī)上安裝的聲發(fā)射傳感器，在駕駛室內(nèi)可監(jiān)視飛機(jī)構(gòu)件的工作狀況等。二、工程中的新型傳感器“新”體現(xiàn)的是20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨電子技術(shù)、新材料的發(fā)展，而發(fā)展起來(lái)的傳感、檢測(cè)技術(shù)。例如，激光（60年代）、聲發(fā)射（60年代末）光纖（70年代）等。1、核輻射檢測(cè)α、β、γ、X射線原理：被測(cè)物質(zhì)★被測(cè)物質(zhì)對(duì)射線的吸收、散射★射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)、穿透作用

α射線——帶2個(gè)正電荷的高速α粒子流。α粒子的質(zhì)量為4.002775原子質(zhì)量單位，從原子核中以2×104km/s的速度射出，其初始能量達(dá)(5～9)×106eV。α射線主要用于氣體分析，測(cè)量氣體壓力、流量等。核輻射檢測(cè)裝置:

β射線——放射性物質(zhì)發(fā)生β衰變（β衰變是原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子而放出一個(gè)電子的結(jié)果），所釋放出的高能量電子，其質(zhì)量為0.000549原子質(zhì)量單位，速度達(dá)2×105km/s，能量約(0.1～3)×106eV。β粒子用于測(cè)量材料厚度、密度等。

γ射線——是一種電磁輻射。處于受激態(tài)的原子核常在極短的時(shí)間內(nèi)(10-14s)將自己多余能量以電磁輻射(光子)形式放射出來(lái)，而使其回到基態(tài)。γ射線的波長(zhǎng)較短(約為10-8~10-10

cm)，不帶電，能量約為幾十萬(wàn)電子伏特。γ射線在物質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚的固體物質(zhì)，在氣體中射程達(dá)數(shù)百米。γ射線廣泛應(yīng)用于金屬探傷、測(cè)大厚度等。

X射線——從原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)放出的電磁波，波長(zhǎng)10-2～10-6μm一般由射線源、探測(cè)器、電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、顯示/記錄裝置四部分組成。探測(cè)器工作原理——基于粒子輻射對(duì)物質(zhì)的電離作用，或利用射線能使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光的性質(zhì)，再通過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。一般常用的有：比例計(jì)數(shù)管、蓋革計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)管、半導(dǎo)體探測(cè)器等。1)比例計(jì)數(shù)器（原理與蓋革計(jì)數(shù)器類似）輸出的電壓脈沖大小∝入射射線電離產(chǎn)生的電子數(shù)目∝入射射線的能量2)蓋革計(jì)數(shù)器原理：根據(jù)射線能使氣體電離的性能制成。兩端用絕緣物質(zhì)封閉的金屬管內(nèi)貯有低壓氣體，沿管的軸線裝了金屬絲，在金屬絲和管壁之間用電池組產(chǎn)生一定的電壓(比管內(nèi)氣體的擊穿電壓稍低)，管內(nèi)沒(méi)有射線穿過(guò)時(shí)，氣體不放電。當(dāng)某種射線的一個(gè)高速粒子進(jìn)入管內(nèi)時(shí)，能夠使管內(nèi)氣體原子電離，釋放出幾個(gè)自由電子，并在電壓的作用下飛向金屬絲。這些電子沿途又電離氣體的其它原子，釋放出更多的電子。越來(lái)越多的電子再接連電離越來(lái)越多的氣體原子，終于使管內(nèi)氣體成為導(dǎo)電體，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象。從而有一個(gè)脈沖電流輸入放大器，并由接于放大器輸出端的計(jì)數(shù)器接收。計(jì)數(shù)器自動(dòng)地記錄下每個(gè)粒子飛入管內(nèi)時(shí)的放電，由此可檢測(cè)出粒子的數(shù)目。3)閃爍計(jì)數(shù)管（由閃爍晶體和光電倍增管組成）

蓋革計(jì)數(shù)管的特性曲線：圖中U為加在計(jì)數(shù)管上的電壓，I為入射的核輻射強(qiáng)度，N為計(jì)數(shù)率(輸出脈沖數(shù))?？梢钥闯觯?dāng)加在計(jì)數(shù)管上的電壓一定時(shí)，輻射強(qiáng)度越大，輸出脈沖數(shù)也愈大；相應(yīng)的輸出脈沖數(shù)N1也比N2大。蓋革計(jì)數(shù)管常用于探測(cè)β粒子和γ射線。射線光子閃爍晶體可見(jiàn)熒光光電倍增管電脈沖(大量的電子)常用加入少許鉈(Tl)作為活化劑的碘化鈉(NaI)晶體總增益可達(dá)10-7,過(guò)程所需時(shí)間不到1μs閃爍計(jì)數(shù)管可以在高達(dá)105脈沖數(shù)/s的速率工作，而不會(huì)有計(jì)數(shù)損失?！竟こ虒?shí)例1】軋鋼過(guò)程中檢測(cè)鋼板厚度特點(diǎn)：非接觸測(cè)量，不受溫度、壓力等影響。【工程實(shí)例2】X射線檢測(cè)裝置輸出電壓與被測(cè)厚度成線性關(guān)系HHF-212熱軋機(jī)鋼板厚度檢測(cè)儀框圖經(jīng)準(zhǔn)直定向的窄束γ射線X射線檢測(cè)裝置框圖

該裝置用于X射線衍射儀（通過(guò)測(cè)定X射線在晶體表面上產(chǎn)生衍射光的強(qiáng)度，確定殘余應(yīng)力大?。┗騒射線顯微分析儀（利用電子束照射在固體表面上，激發(fā)出特征X射線，通過(guò)測(cè)定X射線的波長(zhǎng)及強(qiáng)度，分析材料的成分）。2、超聲波檢測(cè)（1）超聲波(和聲波一樣，都是彈性介質(zhì)的機(jī)械震動(dòng)波）★聲波20～20kHz；超聲波>20kHz；次聲波<20Hz★超聲波頻率高（達(dá)109Hz）、波長(zhǎng)短，能量遠(yuǎn)大于振幅相同的聲波能量，穿透力極強(qiáng)，甚至可穿透10m鋼材★超聲波在介質(zhì)中傳播和在介質(zhì)表面的行為，服從幾何光學(xué)定律?！锍暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播過(guò)程中的衰減取決于：擴(kuò)散、散射（或漫射）和吸收。擴(kuò)散——隨傳播距離增加，單位面積內(nèi)聲能的減弱；散射——由介質(zhì)不均勻產(chǎn)生的能量損失；吸收——由介質(zhì)導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后性造成?！锍暡ㄔ诮缑嫔系姆瓷淠芰颗c透射能量的變化，取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗特性。聲阻抗Zc——介質(zhì)密度ρ與聲速c的乘積?！锍暡捎糜跓o(wú)損檢測(cè)，液位、流量、溫度、粘度、厚度、距離等測(cè)量.（2）超聲波探頭(又稱超聲波發(fā)生器或接收器）超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)可分為直探頭、斜探頭、雙探頭、液浸探頭和聚焦探頭等。超聲波探頭按其工作原理又可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。最常用的是壓電式探頭?！锢脡弘娦?yīng)的可逆性，換能器可身兼“發(fā)射”和“接收”二職?！锍暡ㄌ筋^示意圖★原理：電能超聲振動(dòng)能壓電效應(yīng)壓電片厚度與超聲頻率成反比防磨損，軟性膜可用薄塑料膜，硬性膜可用不銹鋼片或陶瓷片。壓電片與保護(hù)膜粘合后，諧振頻率將降低由環(huán)氧樹(shù)脂與鎢粉混合而成的填充物。作用是：吸收聲能量，降低壓電片的機(jī)械品質(zhì)因素Qm。如果沒(méi)有吸收塊，當(dāng)電振蕩脈沖停止時(shí)，壓電片因慣性作用，仍繼續(xù)振動(dòng)，加長(zhǎng)了超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。（3）超聲波檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例【實(shí)例1】超聲波測(cè)厚儀發(fā)出脈沖信號(hào)經(jīng)放大后，加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板激勵(lì)探頭，發(fā)出超聲波返回波，經(jīng)放大后加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板發(fā)出掃描電壓（如鋸齒波），加到水平偏轉(zhuǎn)板發(fā)出定時(shí)脈沖信號(hào)，加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板測(cè)出時(shí)差，求厚度【實(shí)例2】超聲波探傷儀

在高頻脈沖發(fā)射的同時(shí)，掃描發(fā)生器在示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上施加與時(shí)間成線性關(guān)系的鋸齒波電壓，形成時(shí)間基線。

由裂縫返回的波F在始波T和底波B之間。示波器原理：鋸齒波電壓與光點(diǎn)位移交流電壓與光點(diǎn)位移熒光屏上的合成圖形：垂直偏轉(zhuǎn)板加正弦信號(hào)，水平偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波掃描信號(hào)水平方向垂直方向3、聲發(fā)射（AcousticEmission,AE）檢測(cè)（1）聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展★產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代發(fā)展期來(lái)，聲發(fā)射——是材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，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)力學(xué)性質(zhì)的變化。聲發(fā)射檢測(cè)——不同于X射線、超聲波檢測(cè)，其特點(diǎn)是從外部施加載荷，使固體材料發(fā)聲，利用接收到的聲信號(hào)研究材料的內(nèi)部缺陷，評(píng)價(jià)材料的完整性和特性?！?/p>

最早應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的是地震學(xué)?！?/p>

50年代聲發(fā)射技術(shù)被用于研究金屬受力變形時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象?！?/p>

60年代，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，擴(kuò)大了可測(cè)頻率范圍。研究表明：1）金屬變形時(shí)發(fā)出的應(yīng)力波可以從次聲、聲頻直到超聲（50MHz）；2）應(yīng)力波源于塑性變形中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及微裂紋擴(kuò)展。●

60年代后期，聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。1964年，美國(guó)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)；1968～1973，對(duì)原子鍋爐進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，探知焊縫裂紋、應(yīng)力腐蝕、疲勞裂紋等現(xiàn)象。運(yùn)用AE技術(shù)診斷的突出特點(diǎn)：在工作過(guò)程中監(jiān)視，在破壞之前可預(yù)知?！?/p>

70年代以來(lái)，AE技術(shù)廣泛用于宇航、原子能、化工、冶金、建筑、機(jī)械等部門。1）美國(guó)對(duì)300架F-111型飛機(jī)整機(jī)進(jìn)行AE實(shí)驗(yàn)，表明AE監(jiān)視系統(tǒng)可提供足夠的數(shù)據(jù)來(lái)判斷有無(wú)裂紋或有無(wú)已損壞的螺栓、鉚釘、托架、轉(zhuǎn)軸，以及潤(rùn)滑情況、起落架工作情況等。2）用于監(jiān)測(cè)燃汽輪機(jī)、電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)、海洋采油設(shè)備、橋梁、飛機(jī)跑道、地下管道等是否存在異常。近年來(lái)，AE技術(shù)被用于監(jiān)測(cè)刀具折損、磨損、破損等情況。（2）聲發(fā)射波及其檢測(cè)傳感器★AE是如何產(chǎn)生的？這一問(wèn)題比較復(fù)雜尚不十分清楚。對(duì)金屬微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的研究表明，金屬材料變形產(chǎn)生AE波的過(guò)程，類似于機(jī)械系統(tǒng)的瞬間不穩(wěn)定狀態(tài)，即在外部力作用下，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，而處于高能量狀態(tài)，這是不穩(wěn)定的，必然要過(guò)渡到穩(wěn)定的低能狀態(tài)。如果這種過(guò)渡是在瞬間內(nèi)進(jìn)行，則將是能量的瞬間釋放過(guò)程，是以彈性波的形式放出，此即AE波?！顰E波產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型彈簧剛度k1=k2，質(zhì)點(diǎn)處于平衡狀態(tài)；k1>k2，質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移；k1>>k2，質(zhì)點(diǎn)突變，彈簧斷開(kāi)，質(zhì)點(diǎn)振蕩，直至平衡為止。影響質(zhì)點(diǎn)不穩(wěn)定的因素是金屬塑性形變中晶格的位錯(cuò)、晶界滑移、或者由于內(nèi)部裂紋的發(fā)生和發(fā)展等。★聲發(fā)射波在到達(dá)傳感器之前，將有界面的反射、波模式變換、衰減等現(xiàn)象，其中一部分到達(dá)傳感器，一部分到達(dá)固體表面，經(jīng)表面吸收和反射，有部分能量轉(zhuǎn)換為表面波。所以，聲發(fā)射波到達(dá)傳感器時(shí)，應(yīng)是幾種模式的波（縱波、橫波、表面波）的疊加?！顰E波的傳輸模型理想模型實(shí)際模型理想模型：內(nèi)部的點(diǎn)狀聲發(fā)射源以球面波等速向各個(gè)方向發(fā)射；位于表面的聲發(fā)射源則除了球面波的形式外還有表面波向各方向逸散。實(shí)際模型：聲發(fā)射源不是點(diǎn)源，有不同的形狀；傳遞介質(zhì)又是各向異性體；波傳播的方向、速度不斷變化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。

聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波，其傳播速度比電磁波慢十萬(wàn)倍，在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理。聲表面波器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個(gè)聲一電換能器―叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實(shí)現(xiàn)聲一電換能。聲表面波器件的工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過(guò)逆壓電效應(yīng)將愉入的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)，此聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。整個(gè)聲表面波器件的功能是通過(guò)對(duì)在壓電基片上傳播的聲信號(hào)進(jìn)行各種處理，并利用聲一電換能器的特性來(lái)完成的?！锫暟l(fā)射傳感器（多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)）光軸z—沿該軸方向無(wú)壓電效應(yīng)電軸x—過(guò)六角棱柱的棱而垂直于光軸的軸。在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng).

機(jī)械軸y—垂直于棱面，在電場(chǎng)作用下，沿該軸的機(jī)械變形最明顯。zxyFxFx+-zxyFyFy

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-+壓電諧振式聲發(fā)射傳感器——在聲發(fā)射波的激發(fā)下，壓電晶片沿縱向極化。聲發(fā)射傳感器的工作頻帶是在諧頻區(qū)，一般為60～2000kHz，諧振頻率大小取決于傳感器殼體及壓電晶片結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)。

★一般聲發(fā)射信號(hào)分為連續(xù)型與突發(fā)型。連續(xù)型與隨機(jī)噪聲相似；突發(fā)型是一連串的脈沖衰減波，其脈沖寬度約為數(shù)微秒至數(shù)毫秒。（3）聲發(fā)射信號(hào)的特征

★描述AE信號(hào)的特征參數(shù)可概括為：振鈴計(jì)數(shù)與計(jì)數(shù)率、事件計(jì)數(shù)與計(jì)數(shù)率、振幅與振幅分布、有效值、頻譜分析等?！镎疋徲?jì)數(shù)與事件計(jì)數(shù)振鈴計(jì)數(shù)事件計(jì)數(shù)

振鈴計(jì)數(shù)——當(dāng)脈沖衰減波的幅值超過(guò)閾值電平時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)矩形脈沖，此脈沖即為振鈴計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)即為振鈴計(jì)數(shù)率。

事件計(jì)數(shù)——當(dāng)脈沖衰減波的包絡(luò)超過(guò)閾值電平時(shí)，將產(chǎn)生一矩形脈沖，將此脈沖作為事件計(jì)數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)的事件數(shù)即為事件計(jì)數(shù)率。優(yōu)點(diǎn)：低于閾值電平的信號(hào)不予計(jì)數(shù)，在一定程度上抑制干擾噪聲，故稱為幅值剔噪法。★金屬材料變形時(shí)的AE信號(hào)特征：一個(gè)共同的特征：在塑性變形區(qū)的AE信號(hào)表現(xiàn)出一個(gè)駝峰。這是AE信號(hào)被作為監(jiān)測(cè)機(jī)械構(gòu)件工作狀態(tài)的重要依據(jù)。所謂AE信號(hào)的預(yù)知性，就是在構(gòu)件破壞之前的峰值特征。黃銅銅、鋁、鎂碳鋼（4）聲發(fā)射檢測(cè)儀原理AE波高通濾波，濾除干擾噪聲幅度鑒別，設(shè)置閾值電平，作幅值剔噪，并將信號(hào)整形為矩形脈沖4、光纖傳感器光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖為人類21世紀(jì)的信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體(符號(hào)、數(shù)字、語(yǔ)音、圖形和動(dòng)態(tài)圖像)通信提供了實(shí)現(xiàn)的必需條件。把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。光纖傳感器始于1977年。光纖由纖芯、包層和護(hù)層組成。纖芯：主體材料是二氧化硅或塑料，制成很細(xì)的圓柱體，直徑在5～75μm內(nèi)。有時(shí)在主體材料中摻人極微量的其他材料，如二氧化鍺或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包層：可以是單層，也可以是多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)取決于光纖的應(yīng)用場(chǎng)所，但總直徑控制在100～200μm范圍內(nèi)。包層材料一般為SiO2，也有的摻入極微量的三氧化二硼或四氧化硅。與纖芯摻雜的目的不同，包層摻雜的目的是為了降低其對(duì)光的折射率。保護(hù)層：包層外面涂一些涂料，以保護(hù)光纖，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖最外層是一層塑料保護(hù)管，其顏色用以區(qū)分光纜中各種不同的光纖。光纜是內(nèi)多根光纖組成，并在光纖間填入阻水油膏以此保證光纜傳光性能?！锕饫w傳感器特點(diǎn)：信息容量大、抗干擾性強(qiáng)、體積小、可彎曲、靈敏度高以及耐高壓、耐腐蝕、動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量等。（1）物性型（原理——基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)）

利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。

由于這種傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性進(jìn)行檢測(cè)，又稱為敏感元件型或功能型光纖（FunctionalFiber)傳感器。外界應(yīng)變、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、放射性和化學(xué)作用等調(diào)制光纖內(nèi)通過(guò)的光?！纠?】敏感元件型光纖壓力傳感器（a）均衡壓力→折射率、光纖形狀、尺寸變化→傳輸光的相位變化和偏振波面的旋轉(zhuǎn)。（b）點(diǎn)壓力→不連續(xù)的折射率變化→傳輸光的散射損耗→光振幅變化。(b)(a)【例2】敏感元件型聲壓傳感器聲光調(diào)制，產(chǎn)生光傳輸?shù)南辔蛔兓邮諆陕饭飧缮嫘盘?hào)根據(jù)零差法檢波和相位可調(diào)器，測(cè)出光相位變化馬赫澤德(Mach-Zehnder)干涉儀如果用1mW的He-Ne激光，100m長(zhǎng)石英玻璃光纖裸線，最小檢測(cè)聲壓為1μPa（2）結(jié)構(gòu)型

由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路組成，光纖僅起傳播煤質(zhì)的作用，故又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器?！緦?shí)例1】微位移或表面粗糙度測(cè)量【實(shí)例2】激光－多普勒效應(yīng)速度傳感器v多普勒頻率散射光頻率入射光頻率被測(cè)物體速度光在空氣中的波長(zhǎng)發(fā)生散射介質(zhì)的折射率5、固體圖像傳感器固體圖象傳感器(SolidStateImagingSensor，縮寫SSIS)主要有三大類：1）電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，縮寫CCD)。2）自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，SSPA)。3）電荷注入器件(ChargeInjectionDevice，縮寫CID)。目前，前兩種用得比較多。同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。

(2)基本上不保留殘象(電子束攝象管有15～20％的殘象)，無(wú)象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。

(3)紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：0.20～1.0μm；CCD可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于3～5μm的紅外敏感器件。

(4)

象元尺寸幾何位置精度高(優(yōu)于1μm)，可用于不接觸精密尺寸測(cè)量。

(5)

視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。

主要應(yīng)用領(lǐng)域：①小型化黑白/彩色TV攝象機(jī)；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學(xué)字符識(shí)別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機(jī)載和星載遙感；⑦天文應(yīng)用；⑧軍事應(yīng)用。

★固體圖像傳感器的核心是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。

★CCD的基本單元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器。若在某一時(shí)刻金屬電極上加正向電壓UG，p-Si中的多數(shù)載流子（在此為空穴）便會(huì)受到排斥，于是，在Si表面處就會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)。在一定條件下，UG越大，耗盡區(qū)越深。這時(shí)，Si表面吸收少數(shù)載流子（在此是電子）的勢(shì)（即表面勢(shì)US）也就越大?？梢?jiàn)，這時(shí)的MOS電容器所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此，可以用“勢(shì)阱”來(lái)比喻MOS電容器在UG作用下存儲(chǔ)信號(hào)電荷的能力。習(xí)慣上，把“勢(shì)阱”想象為一個(gè)桶，把少數(shù)載流子（信號(hào)電荷）想象為盛在桶底的液體。UG★電荷存儲(chǔ)：在柵極G施加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中空穴(多數(shù)載流子)分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓Ug(此時(shí)Ug小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth)后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖(b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)Ug>Uth時(shí),半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢(shì)(常稱為表面勢(shì),用Φs表示)變得如此之高,以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面,形成一層極薄的(約102μm)但電荷濃度很高的反型層,如圖(c)。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。(a)(b)(c)★電荷的注入：CCD的電荷注入方法歸納起來(lái)可分為光注入和電注入兩類

1)光注入：當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷QIP為

2)電注入：電注入是通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。材料的量子效率電子電荷入射光光子流速光敏單元受光面積光注入時(shí)間★

CCD圖像生成的原理在半導(dǎo)體硅片上集成制造許多相互獨(dú)立的微小MOS光敏元，每個(gè)光敏元為一個(gè)像素。當(dāng)照射在這些光敏元上的是一幅光學(xué)圖像，這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。★

CCD的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程

任何可以移動(dòng)的少數(shù)載流子（信號(hào)電荷）都將力圖堆向表面勢(shì)最大的位置。若用勢(shì)阱比喻，則它們都將流向桶的底部。CCD的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程線陣CCD面陣CCD

【應(yīng)用實(shí)例】測(cè)量熱軋鋁板寬度對(duì)于2m寬的熱軋板，測(cè)量精度可達(dá)板寬的±0.025%.lm兩個(gè)傳感器的視場(chǎng)間距l(xiāng)1，l2分別由兩個(gè)CCD測(cè)量CCD傳感器3用于測(cè)板厚，以補(bǔ)償板厚變化引起的測(cè)量誤差三、傳感器的標(biāo)定★傳感器標(biāo)定的目的——實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量分析。1、基本問(wèn)題定性分析只能解釋一些表觀現(xiàn)象。定量分析才能獲得確切反映客觀事物變化的規(guī)律性。★一般工程用傳感器，其輸入與輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可描述為零階、一階或二階系統(tǒng)。零階系統(tǒng)：例如，放大鏡、測(cè)力環(huán)等，其輸出只與即時(shí)輸入有關(guān)，可用代數(shù)方程描述，是非記憶系統(tǒng)或零階系統(tǒng)。一階系統(tǒng)：例如，熱電偶、水銀溫度計(jì)、RC低通濾波器等，用一階微分方程描述。二階系統(tǒng)：例如，電感量頭、電阻式壓力計(jì)、電容式拾音計(jì)、壓電式加速度計(jì)等，用二階微分方程描述。★靜態(tài)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定：包括確定定標(biāo)曲線，獲得直線性、靈敏度、滯后量、重復(fù)性等。零階系統(tǒng)只須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，一階、二階系統(tǒng)除靜態(tài)標(biāo)定外，還須進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。動(dòng)態(tài)標(biāo)定：測(cè)定傳感器的動(dòng)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、阻尼比和相位特性等。工作頻帶——傳感器靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍，一般在阻尼比ζ=0.707時(shí)，工作頻帶的上限頻率ωmax與諧振頻率ωn的關(guān)系為ωmax=0.58ωn。信號(hào)分析處理★動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法有正弦激勵(lì)、沖擊力激勵(lì)、白噪聲或偽隨機(jī)噪聲激勵(lì)等【動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)例】

沖擊力激勵(lì)壓電式力傳感器，測(cè)出施于切削測(cè)力儀上的力x(t)切削測(cè)力儀為被標(biāo)定對(duì)象，它是一電阻應(yīng)變式力傳感器，產(chǎn)生響應(yīng)輸出y(t)頻譜分析：在時(shí)域中，沖擊的延續(xù)時(shí)間為2ms，在力譜圖中頻帶約為2kHz。在響應(yīng)譜及頻響譜圖中，傳感器的一階固有頻率約為683Hz，在諧振頻率點(diǎn)相位角為-86.40，相干函數(shù)譜圖中，在2kHz以下γ2xy(f)≈1，表明了輸出與輸入的線性關(guān)系。沖擊力譜響應(yīng)譜幅頻譜相頻譜相干譜（1）橫向靈敏度2、多維傳感器的標(biāo)定

●

所謂橫向靈敏度，在多維傳感器中，又稱為交叉靈敏度（CrossSensitivity）或互干擾度，用來(lái)衡量垂直于某方向的輸入對(duì)該方向輸出的影響程度，一般用下式表示

●為保證傳感器的測(cè)試精度，在一些傳感器性能指標(biāo)中，對(duì)于這一參數(shù)都有明確的規(guī)定。x方向傳感器輸出y向?qū)方向的干擾度，或稱標(biāo)定系數(shù)y向施加的載荷x向標(biāo)定系數(shù)x方向施加的載荷

●一般工程中應(yīng)用的傳感器，往往是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，由彈性構(gòu)件組成。在實(shí)際應(yīng)用中，受力情況很復(fù)雜。例如，測(cè)切削力的三向測(cè)力儀。（2）多維傳感器的系統(tǒng)模型

●對(duì)于多維傳感器，消除互干擾的問(wèn)題，除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決外，亦可通過(guò)標(biāo)定后采取補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法解決?！緦?shí)例】切削力測(cè)量系統(tǒng)

希望某一方向的輸出能夠真實(shí)地反映出該方向的輸入值，但由于存在干擾，任一方向的輸入力參數(shù)，都會(huì)影響到其他方向的輸出。

根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸關(guān)系，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，則根據(jù)時(shí)域卷積定理：FT則有或頻率響應(yīng)矩陣或傳遞矩陣（3）多維傳感器的標(biāo)定及補(bǔ)償問(wèn)題標(biāo)定的目的：求得各向傳輸通道的靜動(dòng)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)。標(biāo)定的方法：多輸入多輸出或單輸入多輸出，前者不易實(shí)現(xiàn)；而單向輸入，同時(shí)測(cè)定各向輸出則是一種可行的方法。

靜態(tài)標(biāo)定：分別在某一方向輸入已知量，同時(shí)測(cè)定各向輸出，其輸出與輸入為即時(shí)關(guān)系，此時(shí)傳輸特性為一常數(shù)，即當(dāng)ω=0時(shí)，Hij(ω)=const.，因此，其傳輸關(guān)系為：

Aij是由標(biāo)定曲線求得的，描述了各向傳輸通道的靜態(tài)特性。當(dāng)i=j時(shí)，Aij

表示輸出與輸入為同向時(shí)的靈敏度；當(dāng)i≠j時(shí)，則表示非同向時(shí)的靈敏度，即橫向靈敏度或干擾度。無(wú)橫向干擾的理想情況Aij動(dòng)態(tài)標(biāo)定：同理，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，所獲得的頻率響應(yīng)矩陣為無(wú)橫向干擾的理想情況補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)無(wú)干擾網(wǎng)絡(luò)

注意：無(wú)動(dòng)態(tài)干擾條件為：當(dāng)i≠j時(shí)，Hij(ω)=0。顯然，要獲得這樣理想的傳輸通道，單純靠傳感器的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)是很困難的。如果根據(jù)標(biāo)定后所得到的各向傳輸函數(shù)，設(shè)計(jì)一種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，即可得到無(wú)干擾網(wǎng)絡(luò)：總之，想辦法使測(cè)量系統(tǒng)的通道模型成為對(duì)角線矩陣。四、傳感器選用原則●靈敏度高，意味著傳感器所能感知的變化量小。1、靈敏度●工程應(yīng)用中，被測(cè)量可能非常微小，故要求傳感器具有高靈敏度?！耢`敏度高，噪聲易混入，故要保證信噪比好。●與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。傳感器工作不應(yīng)進(jìn)入非線性區(qū)域，更不能進(jìn)入飽和區(qū)域。過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的測(cè)量范圍?！癞?dāng)被測(cè)量是一個(gè)向量時(shí)，并且是一個(gè)單向向量，那么要求傳感器單向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈低愈好。如果被測(cè)量是二維或三維向量，那么對(duì)傳感器還應(yīng)要求交叉靈敏度愈低愈好。響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，但希望延遲時(shí)間愈短愈好。響應(yīng)特性在動(dòng)態(tài)測(cè)量中對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響。2、響應(yīng)特性●穩(wěn)定性——傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。4、穩(wěn)定性●精確度——傳感器輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。●既要考慮精確度，又要兼顧經(jīng)濟(jì)性。如果是進(jìn)行相對(duì)比較性的試驗(yàn)研究，只須獲得相對(duì)比較值即可，則應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而無(wú)須要求絕對(duì)量值。如果是定量分析，那么必須獲得精確量值?！?/p>

接觸與非接觸測(cè)量；破壞與非破壞性測(cè)量；在線與非在線測(cè)量等5、精確度6、測(cè)量方式●傳感器位于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，其精確度對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有直接影響。7、其他●

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單？體積大小？重量？?jī)r(jià)格？易于維修？易于復(fù)制？等3、線性●理想的要求：傳感器工作在線性區(qū)；實(shí)際：在一定條件下，在許可限度內(nèi)，也可取其近似線性區(qū)域。第二節(jié)信息傳輸一、Shannon信道容量關(guān)系式1、廣義信道信道（信號(hào)通道）狹義信道：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)廣義信道：媒質(zhì)及有關(guān)變換裝置（發(fā)送、接受設(shè)備，天線、饋線，調(diào)制解調(diào)器等）有線信道無(wú)線信道廣義信道按包含的功能，可劃分為調(diào)制信道與編碼信道，見(jiàn)下圖。

調(diào)制信道：指圖中調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的部分，又稱模擬信道。研究調(diào)制和解調(diào)時(shí)，常用調(diào)制信道。編碼信道：指圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，有時(shí)又稱數(shù)字信道/離散信道。●

信息傳輸是靠經(jīng)過(guò)整理的有一定規(guī)則的能流。沒(méi)有這種能流進(jìn)入測(cè)量環(huán)節(jié)的輸入端，就不可能實(shí)現(xiàn)信息的傳輸?！裥畔鬏斝枰柚镔|(zhì)和能量。例如，有線電話系統(tǒng)，傳輸信息的能源來(lái)自通話的人和維持系統(tǒng)工作的電源。2、傳輸信息的能量

【例1】用探照燈光測(cè)飛機(jī)，反射光是攜帶信息的能流。

【例2】熱點(diǎn)偶測(cè)溫時(shí)，按一定方向運(yùn)動(dòng)的熱電子作為攜帶著物體溫度變化信息的能流進(jìn)入輸入端。

【例3】熱敏電阻測(cè)溫時(shí)，電阻變化攜帶著溫度信息，須借助電橋傳遞給下一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，而電橋工作需要注入能流。

傳輸信息的媒質(zhì)或途徑，例如，聲音或電磁波傳播的空間；水下聲納系統(tǒng)超聲波傳播的水；地震波傳播時(shí)的巖石或土；載有信息的電壓、電流信號(hào)通過(guò)的電纜等?！镄诺廊萘俊诺雷畲蟮男畔鬏斅剩蚍Q信息傳輸速度，單位[bit/s]★Shannon信道容量關(guān)系式：●信息的傳輸量不僅取決于注入能量的絕對(duì)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婊蛐畔㈧氐膿p失。例如，白天與晚上觀察星星的不同。3、Shannon信道容量關(guān)系式注意：這個(gè)公式適用于線性高斯白噪聲（參見(jiàn)下頁(yè)）信道，信道頻率特性為理想限帶，即信道頻率響應(yīng)為并且，當(dāng)信道輸入信號(hào)是平均功率受限的高斯白噪聲，引入的干擾也是高斯白噪聲時(shí)，信息傳輸率才達(dá)到該信道容量。一般實(shí)際信道是非高斯信道，但高斯白噪聲信道是平均功率受限條件下的最大信道，所以Shannon信道容量公式可適用于其他一般非高斯信道。輸入信號(hào)平均功率干擾噪聲平均功率信道帶寬★補(bǔ)充知識(shí)

白噪聲——功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻率域(-∞＜ω＜+∞)內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。稱它為白噪聲，是因?yàn)樗愃朴诠鈱W(xué)中包括全部可見(jiàn)光頻率在內(nèi)的白光。凡是不符合上述條件的噪聲就稱為有色噪聲，它只包括可見(jiàn)光頻譜的部分頻率。但是，實(shí)際上完全理想的白噪聲是不存在的，通常只要噪聲功率譜密度函數(shù)均勻分布的頻率范圍超過(guò)通信系統(tǒng)工作頻率范圍很多時(shí)，就可近似認(rèn)為是白噪聲。例如，熱噪聲的頻率可以高到1013Hz，且功率譜密度函數(shù)在0～1013Hz內(nèi)基本均勻分布，因此可以將它看作白噪聲。高斯噪聲——在實(shí)際信道中，另一種常見(jiàn)噪聲是高斯型噪聲(即高斯噪聲)。所謂高斯(Gaussian)噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示成噪聲的方差噪聲的數(shù)學(xué)期望值，即均值高斯白噪聲——噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。要用到較深的隨機(jī)理論進(jìn)行分析。值得注意的是高斯型白噪聲，是對(duì)噪聲的兩個(gè)不同方面而言的，即對(duì)概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)而言的，不可混淆。

★

Shannon公式的數(shù)學(xué)物含義可作如下解釋：上圖表示一維高斯信道，其輸入、輸出都是一維隨即變量，而且進(jìn)入信道的干擾是可加性高斯噪聲。當(dāng)信號(hào)通過(guò)信道，信道傳輸?shù)男畔⒘繛樾诺赖募有栽肼暸c信號(hào)相互獨(dú)立，并且始終存在，只能采取措施減小加性噪聲影響，而不能徹底消除加性噪聲。故此，加性噪聲不可避免地會(huì)對(duì)通信造成危害信號(hào)只受到高斯噪聲(隨機(jī)噪聲，白噪聲)干擾的信道為信道輸出端信號(hào)y(t)的熵為噪聲源信號(hào)n(t)的熵如果令輸入信號(hào)x(t)的熵為，則由于輸出端包含了輸入信號(hào)與干擾噪聲，而且二者為相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，故有（和變量的方差等于變量的方差之和）：此式表明一維高斯信道的信道容量。

★一般信道的頻帶總是有限的，設(shè)其帶寬為F。這樣，信道的輸入、輸出信號(hào)和噪聲都是限頻的隨即過(guò)程。又根據(jù)采樣定理，可以把一個(gè)連續(xù)的信道變換成時(shí)間離散的隨機(jī)序列信道來(lái)處理，即平穩(wěn)隨機(jī)序列信道可以等效成N個(gè)獨(dú)立的并聯(lián)信道，而各分信道都是一維線性高斯信道，如圖。由此得到時(shí)間連續(xù)的高斯信道信息傳輸量：又，當(dāng)采用平穩(wěn)遍歷的隨即過(guò)程來(lái)描述信源的輸出時(shí)，對(duì)于確知的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，可以通過(guò)采樣量化變換成離散時(shí)間信號(hào)來(lái)處理，故而根據(jù)采樣定理，對(duì)于頻帶受限的時(shí)間連續(xù)函數(shù)，應(yīng)有N=2FT，N是在時(shí)間T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，所以上式又可寫為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的信道容量或式中，噪聲平均功率Pn=N0F，N0是噪聲功率譜密度。分析此式，可以看出，Shannon公式把信道的統(tǒng)計(jì)參量（信道容量）和實(shí)際物理量頻帶F，時(shí)間T，信噪功率比Ps/Pn聯(lián)系起來(lái)，它表明一個(gè)信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蒄，T，Ps/Pn所決定。★

信道容量Ct與信道寬度F的關(guān)系

當(dāng)F=Ps/N0時(shí)，Ct=Ps/N0，隨F增大，Ct趨于一極限值(Ps/N0)log2e≈1.4427Ps/N0★

加深認(rèn)識(shí)以上分析表明：隨信噪比增大，信道容量增加，從信息有效的傳輸來(lái)看，信噪比是影響信道容量的一個(gè)重要指標(biāo)。這可以理解為：因?yàn)樵肼曅。盘?hào)電平可以小，這時(shí)可以采用較小的能量來(lái)傳輸信息，信道容量仍然可以很大。如果噪聲很大，使信道容量達(dá)到一定值，那么必須增加信號(hào)能量。例如，教師講課，背景噪聲為嘈雜省、低語(yǔ)聲、黑板不干凈等。為保持有效的授課（信息傳遞），必須提高聲音，聲音大，則單位時(shí)間內(nèi)從口腔傳出的語(yǔ)符減少。必須用力寫大板書等。（5）信噪比最大，波形失真最小系統(tǒng)等。（4）信號(hào)信噪比最大系統(tǒng)?！?/p>

Shannon信道容量關(guān)系式的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

（1）信道包含了多個(gè)環(huán)節(jié)，能量在傳輸過(guò)程中將會(huì)衰減，為保證信息能流最有效地傳遞，必須考慮環(huán)節(jié)之間的匹配問(wèn)題，以獲得最佳耦合條件。（2）信道頻率特性與信息熵?fù)p失。（3）信道頻率特性與波形失真。通常，把實(shí)現(xiàn)了極限信息速率傳送（即達(dá)到信道容量值）且能做到任意小差錯(cuò)率的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。Shannon只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒(méi)有指出具體的實(shí)現(xiàn)方法。但這并不影響Shannon定理在通信系統(tǒng)理論分析和工程實(shí)踐中所起的重要指導(dǎo)作用。

（4）維持同樣大小的信道容量，可以通過(guò)調(diào)整信道的F及Ps/Pn來(lái)達(dá)到，即信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。例如，如果Ps/Pn=7，F(xiàn)=4000Hz，則可得Ct=l2×103[b/s]；但是，如果Ps/Pn=l5，F(xiàn)=3000Hz，則可得同樣數(shù)值Ct值?！?/p>

對(duì)Shannon公式的進(jìn)一步總結(jié)

（1）在給定F、Ps/Pn的情況下，信道的極限傳輸能力為Ct，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。這就是說(shuō)，如果信道的實(shí)際傳輸速率大于Ct值，則無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上就已不可能。因此，實(shí)際傳輸速率一般不能大于信道容量Ct，除非允許存在一定的差錯(cuò)率。

（2）提高信噪比Ps/Pn（通過(guò)減小Pn或增大Ps），可提高信道容量Ct。特別是，若Pn→0，則Ct→∞，這意味著無(wú)干擾信道容量為無(wú)窮大。

（3）增加信道帶寬F，也可增加信道容量Ct，但做不到無(wú)限制地增加。這是因?yàn)?，如果Ps一定，有能量轉(zhuǎn)換型傳感器等效電路★

傳感器與后繼環(huán)節(jié)的耦合以能量轉(zhuǎn)換型傳感器為例

★根據(jù)Shannon信道容量關(guān)系式，若保持信噪比最大，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)原則是環(huán)節(jié)數(shù)盡可能少，另一個(gè)原則是環(huán)節(jié)間的耦合保證信息流有效傳遞。二、信息——能量傳遞的最佳耦合條件測(cè)量環(huán)節(jié)間的能量傳遞Ps0…信息源A1A2An

Pn0Ps1Pn1PsnPnn傳感器輸出阻抗Zi=Ri+jXi負(fù)載阻抗Zi=Ri+jXi負(fù)載獲得的功率為：分析表明，當(dāng)復(fù)阻抗回路滿足條件|Zi|=|ZL|，并且相位角φi與φL的相位差為1800時(shí)，信息傳輸效率Ps最大。★對(duì)于純電阻回路這表明：傳感器傳給下一個(gè)環(huán)節(jié)的功率取決于：

1）傳感器短路功率PkE，它與傳感器形式和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般熱電式PkE約為10-4～1W；壓電式約為10-4～10-6W。

2）信息變換有效系數(shù)ξg，當(dāng)ag=1時(shí)，ξg＝1/4，為極大值，此時(shí)PL=PkE/4，即在最好的配合下，負(fù)載也只能得到PkE/4。這個(gè)比值顯然說(shuō)明傳感器輸出信息能量利用的程度，故稱為信息變換有效系數(shù)。PkE=E2/Ri

電勢(shì)E的短路功率ag=RL/Ri

匹配比傳感器信息變換有效系數(shù)變換系數(shù)ξg與匹配比ag的關(guān)系★波形失真問(wèn)題三、信道頻率特性與波形失真●在通信工程中，通常用二進(jìn)制矩形脈沖波傳輸信息，但傳輸過(guò)程中，作為物理性的媒質(zhì)，不能急速地變化，而造成波形失真?！皲摻z繩突然斷裂時(shí)的應(yīng)力變化過(guò)程。波形失真應(yīng)力變化★波形失真表明系統(tǒng)的響應(yīng)與激勵(lì)波形之差異。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，造成誤差的原因，除了基本因素（靜態(tài)）外，還有噪聲干擾、信道頻率特性等因素。由此，也可進(jìn)一步理解Shannon信道容量關(guān)系式的物理意義?！镄盘?hào)的失真包括：幅值失真、相位失真、頻率失真。對(duì)于線性系統(tǒng)而言，只存在幅值失真與相位失真?！?/p>

幅值失真——系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中各頻率分量的幅度產(chǎn)生不同程度的衰減。●

相位失真——各頻率分量產(chǎn)生的相移不與頻率成正比關(guān)系，結(jié)果各頻率分量在時(shí)間軸上的相對(duì)位置產(chǎn)生變化?！緦?shí)例】

壓電式加速度計(jì)測(cè)量機(jī)床振動(dòng)●系統(tǒng)輸出譜為Y(ω)=H(ω)X(ω)，頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)=|H(ω)|e-φ(ω)相當(dāng)于一個(gè)加權(quán)系數(shù)，對(duì)源信號(hào)x(t)的譜X(ω)予以加權(quán)修正，在幅值上的加權(quán)系數(shù)為|H(ω)|，而相位則為φ(ω)。因?yàn)閷?duì)信號(hào)中不同頻率分量ω1、ω3的幅值和相位的加權(quán)不同，產(chǎn)生波形畸變。信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器后產(chǎn)生的波形失真●不產(chǎn)生失真的理想傳輸條件：幅-頻特性為常數(shù)，相-頻特性為線性，即y(t)=A0x(t-τ0)|H(ω)|=A0(ω

≤ωc)φ(ω)=ωτ0(ω

≤ω

c)或傅立葉變換的時(shí)延特性四、信道頻率特性與信息熵?fù)p失信道頻率特性所引起信息熵的變化可表示為：

只有當(dāng)|H(ω)|=1時(shí)，系統(tǒng)輸出的信息熵與輸入的信息熵相等，不存在熵的損失。這在實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。●對(duì)于“路”來(lái)說(shuō)，“大路兼顧了小路”，越寬越好；但對(duì)于信道來(lái)說(shuō)，因?yàn)槌；煊性肼暎荒芰⒓磾喽l帶越寬的信道越有利。那么，什么特性的信道最不易受到噪聲干擾？信道頻率特性信道寬度輸入信號(hào)的信息熵輸出信號(hào)的信息熵五、信噪比最大的信道設(shè)信噪比最大時(shí)所求信道的頻率特性為輸入信號(hào)的頻譜為輸出信號(hào)為

假定混入噪聲的譜是“白譜”，即對(duì)于所有頻率的幅度一定，僅相位不規(guī)則。這種白噪聲通過(guò)信道時(shí)噪聲輸出與信道特性成比例，故噪聲輸出功率這一系統(tǒng)在t=t0時(shí)刻的輸出信噪比描述信道的特性使它為最大的H(ω)即是所求信道的特性。根據(jù)許瓦茲（Schwarz）不等式，可證明信噪比S/N最大的信道，其X(ω)的共軛函數(shù)即最難受噪聲影響的信道特性是其幅度與信號(hào)頻譜的相同；其相位相反，并且附加exp(-jωt0)的時(shí)間延遲的特性。進(jìn)一步還可證明，波形失真最小，信噪比最大的信道的頻率特性為分析表明：當(dāng)噪聲小，即|N(ω)|較小時(shí)，H(ω)以幾乎不變的平坦特性為最好；當(dāng)噪聲大時(shí)，在噪聲頻譜大的地方，|H(ω)|必須減??；如果噪聲是“白”的，對(duì)于頻率為一定的功率譜，信道的特性|H(ω)|大約與信號(hào)的頻譜幅度|X(ω)|相同。噪聲譜第三節(jié)信息傳輸過(guò)程中的干擾噪聲噪聲是在空間傳播的一種機(jī)械波。這里要研究的是電噪聲，它是信息科學(xué)的“天敵”。一、噪聲的物理根源及其耦合方式

（1）系統(tǒng)外干擾噪聲來(lái)自于測(cè)試系統(tǒng)周圍空間的外部干擾。

近代信息技術(shù)，解決噪聲干擾問(wèn)題是從兩方面入手:（1）從信息論的角度出發(fā)，研究信息傳輸系統(tǒng)，剔除噪聲，提高有用信息；（2）研究電子設(shè)備的噪聲理論，采用優(yōu)質(zhì)低噪元件及設(shè)備，或研究干擾技術(shù)，提供抑制噪聲干擾的措施。

本節(jié)探討噪聲產(chǎn)生的物理根源、噪聲進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的耦合方式、噪聲模型和噪聲傳輸特性等問(wèn)題。1、噪聲源分為系統(tǒng)外噪聲與系統(tǒng)內(nèi)噪聲外部干擾產(chǎn)生的噪聲有放電噪聲、顫噪噪聲等。由于機(jī)械振動(dòng)而引起的顫噪噪聲聯(lián)接導(dǎo)線受振彎曲，產(chǎn)生分布電容聯(lián)接導(dǎo)線接觸不良（虛焊、脫線），由于振動(dòng)使電阻發(fā)生(0～∞)Ω變化

（2）系統(tǒng)內(nèi)干擾噪聲來(lái)自電子設(shè)備元器件內(nèi)部，有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲、量子噪聲等。原因——帶電粒子(電子或空穴)隨機(jī)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。熱噪聲——導(dǎo)體內(nèi)電子作隨機(jī)而無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體兩端電壓起伏散粒噪聲——由物質(zhì)流動(dòng)的離散性產(chǎn)生。例如，陰極射線示波管中電子在陰極和陽(yáng)極之間的流動(dòng)，半導(dǎo)體中電子和空穴的流動(dòng)等。產(chǎn)生平均電流的過(guò)程具有內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)變化，這種變化表現(xiàn)在平均值上下波動(dòng)。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。散粒噪聲為：?f噪聲帶寬Id平均直流電流e為電子的電荷量1.6×10-19C噪聲電流（1）電容耦合——干擾噪聲源En與測(cè)試系統(tǒng)之間存在寄生電容Cm。2、噪聲耦合方式（2）電磁耦合——干擾噪聲源En與測(cè)試系統(tǒng)之間存在互感M。（3）電阻耦合——絕緣電阻R的漏電流所致。（4）共阻抗耦合——干擾噪聲源En與測(cè)量電路之間存在共有阻抗Zc。幾種減小噪聲干擾的技術(shù)：靜電屏蔽——利用接地的良導(dǎo)體金屬包容測(cè)量系統(tǒng)，可以消除或削弱寄生分布電容耦合的干擾。電磁屏蔽——采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層（不接地），可以防止高頻電磁場(chǎng)干擾。如果屏蔽層接地，則可同時(shí)起到電磁屏蔽和靜電屏蔽作用接地——是對(duì)信號(hào)電壓有一個(gè)基準(zhǔn)電位，一般信號(hào)源、電源及機(jī)殼等地線應(yīng)聯(lián)在一起，并通過(guò)一點(diǎn)接地，以避免公共地線各點(diǎn)電位不均所產(chǎn)生的干擾浮置——與屏蔽接地相反，是使測(cè)量系統(tǒng)的某一部分或全部與地之間無(wú)直接聯(lián)系，以阻斷干擾電流的通路?！镅a(bǔ)充知識(shí)：靜電屏蔽

第二類空腔（金屬腔導(dǎo)體內(nèi)部有帶電體）的靜電屏蔽。腔內(nèi)q與內(nèi)表面的感應(yīng)電荷-q，對(duì)外部場(chǎng)的貢獻(xiàn)恒為零。若第二類空腔導(dǎo)體接地，且腔外無(wú)帶電體時(shí)，外表面上的感應(yīng)電荷被大地電荷中和，所以不帶電荷。金屬空腔是零等勢(shì)體。若第二類空腔導(dǎo)體接地，且腔外有帶電體時(shí)，外表面上的感應(yīng)電荷被大地電荷部分中和，所帶電荷的多少必須保證腔內(nèi)、腔內(nèi)表面、腔外表面以及腔外電荷在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為零，即滿足靜電平衡條件。金屬空腔是零電位。U=0U=0+q–qQ+q’當(dāng)?shù)诙惪涨粚?dǎo)體接地時(shí)金屬空腔是零等勢(shì)體，由靜電場(chǎng)邊值問(wèn)題的唯一性定理可以證明：此時(shí)殼內(nèi)的任何電場(chǎng)都不影響外界，也不受外界影響。例如高壓設(shè)備都用金屬導(dǎo)體殼接地做保護(hù)，它起靜電屏蔽作用，內(nèi)外互不影響。外界不影響內(nèi)部不影響外界U=0q–qU=0Q+q’殼內(nèi)外場(chǎng)互不影響

空腔導(dǎo)體殼接地與否，外界均對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)無(wú)任何影響，外界不影響內(nèi)部例如在電子