第四章 信息转换与传输

第四章信息转换与传输第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五2、人类感官获取信息的局限性★

人类通过感觉器官直接获取信息的实验表明,大脑的吸收率分别为：视觉—83%；听觉—11%；嗅觉—3.5%；触觉—1.5%；味觉—1%。★

人类感官获取信息的局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能。（1）感官机能视觉器官只接收0.38～0.78μm的光信号，听觉器官只接收20～20kHz声信号。（2）智力（或知识）结构同一信源发出的信息，所产生的效果因人而异。与人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。（3）理性作用人的一生，每时每刻都在接受信息。然而，接受信息的方式因人而异，一种是非自觉的，只单凭自身实践；而另一种则是主动积极地思维。例如，一个懒汉与一个立志成才的人的差异。3、传感系统的一般模型★传感技术（现代被称为信息探测工程学）——是研究物质的物理效应、化学效应以及生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。★传感技术的多样性信息的形式丰富多彩，要求有多种多样的感测手段★传感器应具有敏感性和选择性敏感性是从信息化出发，探测微弱有用信息的要求；选择性是从智能化出发，能从大量的噪声背景中提取有用信息。第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五(a)简单感测系统模型(b)复杂传感系统模型★传感系统的一般模型（1）简单感测系统如温度计、风向标（2）复杂传感系统如雷达系统、声纳系统、遥感系统等。为了识别信息4、传感技术的发展★新型固体功能材料与功能元件的发展是新型传感器研发的物质基础；微电子技术为传感器的智能化提供了技术基础。★传感技术发展的两个方向：扩展感测信息的谱域和提高识别信息的智能（1）扩展谱域第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（a）视觉与光传感器

常见的声传感器是鼓膜式微声器，例如电容式拾音器；最近代的是光纤声压传感器，它利用光纤中传输光的特性（例如位相）变化来获得传感功能。

可测频率范围——人耳只能感知20～20kHz声信号。现代超声检测远远超过这一范围。例如，检测固体材料断裂时发出的声波的声发射检测技术(AE)及研究生物（如鱼类、鸟类）语言的声检测装置等，可测频率达数兆赫兹。性能人眼光传感器响应谱域0.38～0.78μm10-7μm～0.1m响应速度0.1s10-9s对物体大小的分辨力0.1～0.2mm可放大30万倍，例如激光测长仪的分辨力可达10-7mm远视距离数千米可探知宇宙空间人眼对颜色的识别能力，对图像的立体感觉能力，还远远超过现有的所有光传感器（b）听觉与声压传感器

听阈压力——在1000Hz条件下，人耳的听阈压力为2×10-5Pa，而高灵敏微音技术可拾取微弱的声音信息。第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（c）触觉与与温度、压力传感器测温范围极大——现今，温度传感器的测温范围从接近绝对零度到核融等离子体温度（约一千万摄氏度）。“电子鼻”是利用半导体材料（SnO，ZnO，Fe2O3等）的化学效应特性（当吸收了可燃性气体，如氢、烷、醚、醇、苯、沼气等，会发生还原反应），来辨别气体。此外，味觉传感器用于辨别酸、甜、苦、辣，例如，甜度仪。（d）嗅觉传感器

基于微电子技术研发具有校正、变换、统计处理、反馈等多种功能的、具有思维、辨别能力的智能传感器。感温灵敏度极高——如测量极低温的约塞夫逊效应型热噪声温度计及核四重共振吸收量子效应型温度计，在-2630C～1800C，分辨力可达到0.0010C。（2）智能化

在信息仿生学方面，传感技术向着信息化、智能化、综合化方向发展，开发人工信息系统、仿生系统

与微机结合，开发集信息转换、运算及记忆和传输功能于一块硅片上的多功能智能传感器。第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五此外，从工程应用的角度考察，还应注意传感技术的下列发展动向：（a）动态测量如火箭发射、地质勘探、振动与噪声分析等瞬太变化物理量的测量。

（c）特殊环境下测量例如光纤传感器具有不受电磁干扰、以及绝缘、耐水性等优良特性；核辐射传感器不易受到油污、水汽、高温等的影响；激光的高方向性、单色性测量距离、速度、加速度等不易受到环境噪声的干扰。（d）微观分析扫描电镜、X射线衍射仪等打开了人类对微观世界的探测。（b）远距离、非接触测量如自动轧钢过程中检测钢板厚度的非接触式γ射线测厚仪，以及飞机上安装的声发射传感器，在驾驶室内可监视飞机构件的工作状况等。二、工程中的新型传感器“新”体现的是20世纪70年代以来，随电子技术、新材料的发展，而发展起来的传感、检测技术。例如，激光（60年代）、声发射（60年代末）光纤（70年代）等。1、核辐射检测α、β、γ、X射线原理：被测物质★被测物质对射线的吸收、散射★射线对被测物质的电离激发、穿透作用第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五

α射线——带2个正电荷的高速α粒子流。α粒子的质量为4.002775原子质量单位，从原子核中以2×104km/s的速度射出，其初始能量达(5～9)×106eV。α射线主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。核辐射检测装置:

β射线——放射性物质发生β衰变（β衰变是原子核中的一个中子转变成一个质子而放出一个电子的结果），所释放出的高能量电子，其质量为0.000549原子质量单位，速度达2×105km/s，能量约(0.1～3)×106eV。β粒子用于测量材料厚度、密度等。

γ射线——是一种电磁辐射。处于受激态的原子核常在极短的时间内(10-14s)将自己多余能量以电磁辐射(光子)形式放射出来，而使其回到基态。γ射线的波长较短(约为10-8~10-10

cm)，不带电，能量约为几十万电子伏特。γ射线在物质中的穿透能力很强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米。γ射线广泛应用于金属探伤、测大厚度等。

X射线——从原子核外的内层电子被激发放出的电磁波，波长10-2～10-6μm一般由射线源、探测器、电信号转换电路、显示/记录装置四部分组成。探测器工作原理——基于粒子辐射对物质的电离作用，或利用射线能使某些物质产生荧光的性质，再通过光电元件转换为电信号。一般常用的有：比例计数管、盖革计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五1)比例计数器（原理与盖革计数器类似）输出的电压脉冲大小∝入射射线电离产生的电子数目∝入射射线的能量2)盖革计数器原理：根据射线能使气体电离的性能制成。两端用绝缘物质封闭的金属管内贮有低压气体，沿管的轴线装了金属丝，在金属丝和管壁之间用电池组产生一定的电压(比管内气体的击穿电压稍低)，管内没有射线穿过时，气体不放电。当某种射线的一个高速粒子进入管内时，能够使管内气体原子电离，释放出几个自由电子，并在电压的作用下飞向金属丝。这些电子沿途又电离气体的其它原子，释放出更多的电子。越来越多的电子再接连电离越来越多的气体原子，终于使管内气体成为导电体，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象。从而有一个脉冲电流输入放大器，并由接于放大器输出端的计数器接收。计数器自动地记录下每个粒子飞入管内时的放电，由此可检测出粒子的数目。第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五3)闪烁计数管（由闪烁晶体和光电倍增管组成）

盖革计数管的特性曲线：图中U为加在计数管上的电压，I为入射的核辐射强度，N为计数率(输出脉冲数)。可以看出，当加在计数管上的电压一定时，辐射强度越大，输出脉冲数也愈大；相应的输出脉冲数N1也比N2大。盖革计数管常用于探测β粒子和γ射线。射线光子闪烁晶体可见荧光光电倍增管电脉冲(大量的电子)常用加入少许铊(Tl)作为活化剂的碘化钠(NaI)晶体总增益可达10-7,过程所需时间不到1μs闪烁计数管可以在高达105脉冲数/s的速率工作，而不会有计数损失。第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五【工程实例1】轧钢过程中检测钢板厚度特点：非接触测量，不受温度、压力等影响。【工程实例2】X射线检测装置输出电压与被测厚度成线性关系HHF-212热轧机钢板厚度检测仪框图经准直定向的窄束γ射线X射线检测装置框图

该装置用于X射线衍射仪（通过测定X射线在晶体表面上产生衍射光的强度，确定残余应力大小）或X射线显微分析仪（利用电子束照射在固体表面上，激发出特征X射线，通过测定X射线的波长及强度，分析材料的成分）。第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五2、超声波检测（1）超声波(和声波一样，都是弹性介质的机械震动波）★声波20～20kHz；超声波>20kHz；次声波<20Hz★超声波频率高（达109Hz）、波长短，能量远大于振幅相同的声波能量，穿透力极强，甚至可穿透10m钢材★超声波在介质中传播和在介质表面的行为，服从几何光学定律。★超声波在介质中传播过程中的衰减取决于：扩散、散射（或漫射）和吸收。扩散——随传播距离增加，单位面积内声能的减弱；散射——由介质不均匀产生的能量损失；吸收——由介质导热性、粘滞性及弹性滞后性造成。★超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化，取决于两种介质的声阻抗特性。声阻抗Zc——介质密度ρ与声速c的乘积。★超声波可用于无损检测，液位、流量、温度、粘度、厚度、距离等测量.（2）超声波探头(又称超声波发生器或接收器）超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头、液浸探头和聚焦探头等。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是压电式探头。第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★利用压电效应的可逆性，换能器可身兼“发射”和“接收”二职。★超声波探头示意图★原理：电能超声振动能压电效应压电片厚度与超声频率成反比防磨损，软性膜可用薄塑料膜，硬性膜可用不锈钢片或陶瓷片。压电片与保护膜粘合后，谐振频率将降低由环氧树脂与钨粉混合而成的填充物。作用是：吸收声能量，降低压电片的机械品质因素Qm。如果没有吸收块，当电振荡脉冲停止时，压电片因惯性作用，仍继续振动，加长了超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（3）超声波检测应用实例【实例1】超声波测厚仪发出脉冲信号经放大后，加到示波器垂直偏转板激励探头，发出超声波返回波，经放大后加到示波器垂直偏转板发出扫描电压（如锯齿波），加到水平偏转板发出定时脉冲信号，加到示波器垂直偏转板测出时差，求厚度【实例2】超声波探伤仪

在高频脉冲发射的同时，扫描发生器在示波器的水平偏转板上施加与时间成线性关系的锯齿波电压，形成时间基线。

由裂缝返回的波F在始波T和底波B之间。第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五示波器原理：锯齿波电压与光点位移交流电压与光点位移荧光屏上的合成图形：垂直偏转板加正弦信号，水平偏转板加锯齿波扫描信号水平方向垂直方向第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五3、声发射（AcousticEmission,AE）检测（1）声发射技术的发展★产生于20世纪60年代发展期来，声发射——是材料受力作用产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能量的一种现象，它表征材料微观结构力学性质的变化。声发射检测——不同于X射线、超声波检测，其特点是从外部施加载荷，使固体材料发声，利用接收到的声信号研究材料的内部缺陷，评价材料的完整性和特性。●

最早应用声发射技术的是地震学。●50年代声发射技术被用于研究金属受力变形时的声发射现象。●60年代，随着电子技术的进步，扩大了可测频率范围。研究表明：1）金属变形时发出的应力波可以从次声、声频直到超声（50MHz）；2）应力波源于塑性变形中的位错运动及微裂纹扩展。●60年代后期，声发射技术进入实用阶段。1964年，美国对固体火箭发动机外壳进行水压实验；1968～1973，对原子锅炉进行压力实验，探知焊缝裂纹、应力腐蚀、疲劳裂纹等现象。运用AE技术诊断的突出特点：在工作过程中监视，在破坏之前可预知。第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五●70年代以来，AE技术广泛用于宇航、原子能、化工、冶金、建筑、机械等部门。1）美国对300架F-111型飞机整机进行AE实验，表明AE监视系统可提供足够的数据来判断有无裂纹或有无已损坏的螺栓、铆钉、托架、转轴，以及润滑情况、起落架工作情况等。2）用于监测燃汽轮机、电机、鼓风机、水轮机、海洋采油设备、桥梁、飞机跑道、地下管道等是否存在异常。近年来，AE技术被用于监测刀具折损、磨损、破损等情况。（2）声发射波及其检测传感器★AE是如何产生的？这一问题比较复杂尚不十分清楚。对金属微观结构的力学模型的研究表明，金属材料变形产生AE波的过程，类似于机械系统的瞬间不稳定状态，即在外部力作用下，金属中的缺陷附近，或微观不均匀区域发生应力集中，而处于高能量状态，这是不稳定的，必然要过渡到稳定的低能状态。如果这种过渡是在瞬间内进行，则将是能量的瞬间释放过程，是以弹性波的形式放出，此即AE波。★AE波产生的数学模型弹簧刚度k1=k2，质点处于平衡状态；k1>k2，质点发生位移；k1>>k2，质点突变，弹簧断开，质点振荡，直至平衡为止。影响质点不稳定的因素是金属塑性形变中晶格的位错、晶界滑移、或者由于内部裂纹的发生和发展等。第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★声发射波在到达传感器之前，将有界面的反射、波模式变换、衰减等现象，其中一部分到达传感器，一部分到达固体表面，经表面吸收和反射，有部分能量转换为表面波。所以，声发射波到达传感器时，应是几种模式的波（纵波、横波、表面波）的叠加。★AE波的传输模型理想模型实际模型理想模型：内部的点状声发射源以球面波等速向各个方向发射；位于表面的声发射源则除了球面波的形式外还有表面波向各方向逸散。实际模型：声发射源不是点源，有不同的形状；传递介质又是各向异性体；波传播的方向、速度不断变化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波，其传播速度比电磁波慢十万倍，在它的传播路径上容易取样和进行处理。声表面波器件的基本结构和工作原理：声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★声发射传感器（多为压电谐振式结构）光轴z—沿该轴方向无压电效应电轴x—过六角棱柱的棱而垂直于光轴的轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强.机械轴y—垂直于棱面，在电场作用下，沿该轴的机械变形最明显。zxyFxFx+-zxyFyFy

+-zxyFyFy

-+第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五压电谐振式声发射传感器——在声发射波的激发下，压电晶片沿纵向极化。声发射传感器的工作频带是在谐频区，一般为60～2000kHz，谐振频率大小取决于传感器壳体及压电晶片结构尺寸和材质。

★一般声发射信号分为连续型与突发型。连续型与随机噪声相似；突发型是一连串的脉冲衰减波，其脉冲宽度约为数微秒至数毫秒。（3）声发射信号的特征

★描述AE信号的特征参数可概括为：振铃计数与计数率、事件计数与计数率、振幅与振幅分布、有效值、频谱分析等。★振铃计数与事件计数振铃计数事件计数

振铃计数——当脉冲衰减波的幅值超过阈值电平时，将产生一个矩形脉冲，此脉冲即为振铃计数触发信号，单位时间内的脉冲数即为振铃计数率。

事件计数——当脉冲衰减波的包络超过阈值电平时，将产生一矩形脉冲，将此脉冲作为事件计数，单位时间内的事件数即为事件计数率。优点：低于阈值电平的信号不予计数，在一定程度上抑制干扰噪声，故称为幅值剔噪法。第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★金属材料变形时的AE信号特征：一个共同的特征：在塑性变形区的AE信号表现出一个驼峰。这是AE信号被作为监测机械构件工作状态的重要依据。所谓AE信号的预知性，就是在构件破坏之前的峰值特征。黄铜铜、铝、镁碳钢（4）声发射检测仪原理AE波高通滤波，滤除干扰噪声幅度鉴别，设置阈值电平，作幅值剔噪，并将信号整形为矩形脉冲第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五4、光纤传感器光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤为人类21世纪的信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年。光纤由纤芯、包层和护层组成。纤芯：主体材料是二氧化硅或塑料，制成很细的圆柱体，直径在5～75μm内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料，如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包层：可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。包层材料一般为SiO2，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。保护层：包层外面涂一些涂料，以保护光纤，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是内多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★光纤传感器特点：信息容量大、抗干扰性强、体积小、可弯曲、灵敏度高以及耐高压、耐腐蚀、动态非接触测量等。（1）物性型（原理——基于光纤的光调制效应）

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

由于这种传感器是利用光纤对环境变化的敏感性进行检测，又称为敏感元件型或功能型光纤（FunctionalFiber)传感器。外界应变、压力、电场、磁场、温度、放射性和化学作用等调制光纤内通过的光。第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五【例1】敏感元件型光纤压力传感器（a）均衡压力→折射率、光纤形状、尺寸变化→传输光的相位变化和偏振波面的旋转。（b）点压力→不连续的折射率变化→传输光的散射损耗→光振幅变化。(b)(a)【例2】敏感元件型声压传感器声光调制，产生光传输的相位变化接收两路光干涉信号根据零差法检波和相位可调器，测出光相位变化马赫泽德(Mach-Zehnder)干涉仪如果用1mW的He-Ne激光，100m长石英玻璃光纤裸线，最小检测声压为1μPa第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（2）结构型

由光检测元件与光纤传输回路组成，光纤仅起传播煤质的作用，故又称为传光型或非功能型光纤传感器。【实例1】微位移或表面粗糙度测量【实例2】激光－多普勒效应速度传感器v多普勒频率散射光频率入射光频率被测物体速度光在空气中的波长发生散射介质的折射率第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五5、固体图像传感器固体图象传感器(SolidStateImagingSensor，缩写SSIS)主要有三大类：1）电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，缩写CCD)。2）自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，SSPA)。3）电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，缩写CID)。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有显著优点：

(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好，可靠性高，寿命长。

(2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15～20％的残象)，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。

(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20～1.0μm；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3～5μm的红外敏感器件。

(4)象元尺寸几何位置精度高(优于1μm)，可用于不接触精密尺寸测量。

(5)视频信号与微机接口容易。

主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。

★固体图像传感器的核心是电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五

★CCD的基本单元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor金属-氧化物-半导体)电容器。若在某一时刻金属电极上加正向电压UG，p-Si中的多数载流子（在此为空穴）便会受到排斥，于是，在Si表面处就会形成一个耗尽区。在一定条件下，UG越大，耗尽区越深。这时，Si表面吸收少数载流子（在此是电子）的势（即表面势US）也就越大。可见，这时的MOS电容器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，可以用“势阱”来比喻MOS电容器在UG作用下存储信号电荷的能力。习惯上，把“势阱”想象为一个桶，把少数载流子（信号电荷）想象为盛在桶底的液体。UG第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★电荷存储：在栅极G施加正偏压之前，P型半导体中空穴(多数载流子)分布是均匀的。当栅极施加正偏压Ug(此时Ug小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图(b)所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当Ug>Uth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用Φs表示)变得如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约102μm)但电荷浓度很高的反型层,如图(c)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。(a)(b)(c)第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★电荷的注入：CCD的电荷注入方法归纳起来可分为光注入和电注入两类1)光注入：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷QIP为2)电注入：电注入是通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。材料的量子效率电子电荷入射光光子流速光敏单元受光面积光注入时间★CCD图像生成的原理在半导体硅片上集成制造许多相互独立的微小MOS光敏元，每个光敏元为一个像素。当照射在这些光敏元上的是一幅光学图像，这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★CCD的电荷转移过程

任何可以移动的少数载流子（信号电荷）都将力图堆向表面势最大的位置。若用势阱比喻，则它们都将流向桶的底部。CCD的电荷转移过程线阵CCD面阵CCD第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五【应用实例】测量热轧铝板宽度对于2m宽的热轧板，测量精度可达板宽的±0.025%.lm两个传感器的视场间距l1，l2分别由两个CCD测量CCD传感器3用于测板厚，以补偿板厚变化引起的测量误差第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五三、传感器的标定★传感器标定的目的——实现科学实验的定量分析。1、基本问题定性分析只能解释一些表观现象。定量分析才能获得确切反映客观事物变化的规律性。★一般工程用传感器，其输入与输出关系的数学模型，可描述为零阶、一阶或二阶系统。零阶系统：例如，放大镜、测力环等，其输出只与即时输入有关，可用代数方程描述，是非记忆系统或零阶系统。一阶系统：例如，热电偶、水银温度计、RC低通滤波器等，用一阶微分方程描述。二阶系统：例如，电感量头、电阻式压力计、电容式拾音计、压电式加速度计等，用二阶微分方程描述。★静态标定与动态标定静态标定：包括确定定标曲线，获得直线性、灵敏度、滞后量、重复性等。零阶系统只须进行静态标定，一阶、二阶系统除静态标定外，还须进行动态标定。第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五动态标定：测定传感器的动态特性，根据频率响应或脉冲响应，确定传感器的通频带、工作频带、谐振频率、阻尼比和相位特性等。工作频带——传感器灵敏度保持为常数的频率范围，一般在阻尼比ζ=0.707时，工作频带的上限频率ωmax与谐振频率ωn的关系为ωmax=0.58ωn。信号分析处理★动态标定的方法有正弦激励、冲击力激励、白噪声或伪随机噪声激励等【动态标定实例】

冲击力激励压电式力传感器，测出施于切削测力仪上的力x(t)切削测力仪为被标定对象，它是一电阻应变式力传感器，产生响应输出y(t)第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五频谱分析：在时域中，冲击的延续时间为2ms，在力谱图中频带约为2kHz。在响应谱及频响谱图中，传感器的一阶固有频率约为683Hz，在谐振频率点相位角为-86.40，相干函数谱图中，在2kHz以下γ2xy(f)≈1，表明了输出与输入的线性关系。冲击力谱响应谱幅频谱相频谱相干谱第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（1）横向灵敏度2、多维传感器的标定

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所谓横向灵敏度，在多维传感器中，又称为交叉灵敏度（CrossSensitivity）或互干扰度，用来衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影响程度，一般用下式表示

●为保证传感器的测试精度，在一些传感器性能指标中，对于这一参数都有明确的规定。x方向传感器输出y向对x方向的干扰度，或称标定系数y向施加的载荷x向标定系数x方向施加的载荷

●一般工程中应用的传感器，往往是一个机械系统，由弹性构件组成。在实际应用中，受力情况很复杂。例如，测切削力的三向测力仪。（2）多维传感器的系统模型

●对于多维传感器，消除互干扰的问题，除了在结构设计中解决外，亦可通过标定后采取补偿网络的方法解决。第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五【实例】切削力测量系统

希望某一方向的输出能够真实地反映出该方向的输入值，但由于存在干扰，任一方向的输入力参数，都会影响到其他方向的输出。

根据线性系统的传输关系，输出是输入与系统单位脉冲响应函数的卷积，则第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五根据时域卷积定理：FT则有或频率响应矩阵或传递矩阵（3）多维传感器的标定及补偿问题标定的目的：求得各向传输通道的静动态特性参数，为传感器结构设计或误差补偿提供依据。标定的方法：多输入多输出或单输入多输出，前者不易实现；而单向输入，同时测定各向输出则是一种可行的方法。

静态标定：分别在某一方向输入已知量，同时测定各向输出，其输出与输入为即时关系，此时传输特性为一常数，即当ω=0时，Hij(ω)=const.，因此，其传输关系为：第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五

Aij是由标定曲线求得的，描述了各向传输通道的静态特性。当i=j时，Aij

表示输出与输入为同向时的灵敏度；当i≠j时，则表示非同向时的灵敏度，即横向灵敏度或干扰度。无横向干扰的理想情况Aij动态标定：同理，可进行动态标定，所获得的频率响应矩阵为无横向干扰的理想情况第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五补偿网络无干扰网络

注意：无动态干扰条件为：当i≠j时，Hij(ω)=0。显然，要获得这样理想的传输通道，单纯靠传感器的设计来实现是很困难的。如果根据标定后所得到的各向传输函数，设计一种补偿网络，即可得到无干扰网络：总之，想办法使测量系统的通道模型成为对角线矩阵。第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五四、传感器选用原则●灵敏度高，意味着传感器所能感知的变化量小。1、灵敏度●工程应用中，被测量可能非常微小，故要求传感器具有高灵敏度。●灵敏度高，噪声易混入，故要保证信噪比好。●与灵敏度紧密相关的是量程范围。传感器工作不应进入非线性区域，更不能进入饱和区域。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。●当被测量是一个向量时，并且是一个单向向量，那么要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈低愈好。如果被测量是二维或三维向量，那么对传感器还应要求交叉灵敏度愈低愈好。响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际传感器的响应总有一定延迟，但希望延迟时间愈短愈好。响应特性在动态测量中对测试结果有直接影响。2、响应特性第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五●稳定性——传感器经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。4、稳定性●精确度——传感器输出与被测量的对应程度。●既要考虑精确度，又要兼顾经济性。如果是进行相对比较性的试验研究，只须获得相对比较值即可，则应要求传感器的重复精度高，而无须要求绝对量值。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。●

接触与非接触测量；破坏与非破坏性测量；在线与非在线测量等5、精确度6、测量方式●传感器位于测试系统的最前端，其精确度对整个测试系统有直接影响。7、其他●

结构简单？体积大小？重量？价格？易于维修？易于复制？等3、线性●理想的要求：传感器工作在线性区；实际：在一定条件下，在许可限度内，也可取其近似线性区域。第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五第二节信息传输一、Shannon信道容量关系式1、广义信道信道（信号通道）狭义信道：信号的传输媒质广义信道：媒质及有关变换装置（发送、接受设备，天线、馈线，调制解调器等）有线信道无线信道广义信道按包含的功能，可划分为调制信道与编码信道，见下图。

调制信道：指图中调制器输出端到解调器输入端的部分，又称模拟信道。研究调制和解调时，常用调制信道。编码信道：指图中编码器输出端到译码器输入端的部分，有时又称数字信道/离散信道。第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五●

信息传输是靠经过整理的有一定规则的能流。没有这种能流进入测量环节的输入端，就不可能实现信息的传输。●信息传输需要借助物质和能量。例如，有线电话系统，传输信息的能源来自通话的人和维持系统工作的电源。2、传输信息的能量

【例1】用探照灯光测飞机，反射光是携带信息的能流。

【例2】热点偶测温时，按一定方向运动的热电子作为携带着物体温度变化信息的能流进入输入端。

【例3】热敏电阻测温时，电阻变化携带着温度信息，须借助电桥传递给下一个测量环节，而电桥工作需要注入能流。

传输信息的媒质或途径，例如，声音或电磁波传播的空间；水下声纳系统超声波传播的水；地震波传播时的岩石或土；载有信息的电压、电流信号通过的电缆等。第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★信道容量——信道最大的信息传输率，或称信息传输速度，单位[bit/s]★Shannon信道容量关系式：●信息的传输量不仅取决于注入能量的绝对值，还取决于该能量与周围环境干扰（背景噪声）的关系，这种干扰将引起信息传输的失真或信息熵的损失。例如，白天与晚上观察星星的不同。3、Shannon信道容量关系式注意：这个公式适用于线性高斯白噪声（参见下页）信道，信道频率特性为理想限带，即信道频率响应为并且，当信道输入信号是平均功率受限的高斯白噪声，引入的干扰也是高斯白噪声时，信息传输率才达到该信道容量。一般实际信道是非高斯信道，但高斯白噪声信道是平均功率受限条件下的最大信道，所以Shannon信道容量公式可适用于其他一般非高斯信道。输入信号平均功率干扰噪声平均功率信道带宽第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★补充知识

白噪声——功率谱密度函数在整个频率域(-∞＜ω＜+∞)内是常数，即服从均匀分布。称它为白噪声，是因为它类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。凡是不符合上述条件的噪声就称为有色噪声，它只包括可见光频谱的部分频率。但是，实际上完全理想的白噪声是不存在的，通常只要噪声功率谱密度函数均匀分布的频率范围超过通信系统工作频率范围很多时，就可近似认为是白噪声。例如，热噪声的频率可以高到1013Hz，且功率谱密度函数在0～1013Hz内基本均匀分布，因此可以将它看作白噪声。高斯噪声——在实际信道中，另一种常见噪声是高斯型噪声(即高斯噪声)。所谓高斯(Gaussian)噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声，可用数学表达式表示成噪声的方差噪声的数学期望值，即均值高斯白噪声——噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。要用到较深的随机理论进行分析。值得注意的是高斯型白噪声，是对噪声的两个不同方面而言的，即对概率密度函数和功率谱密度函数而言的，不可混淆。

第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★

Shannon公式的数学物含义可作如下解释：上图表示一维高斯信道，其输入、输出都是一维随即变量，而且进入信道的干扰是可加性高斯噪声。当信号通过信道，信道传输的信息量为信道的加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，只能采取措施减小加性噪声影响，而不能彻底消除加性噪声。故此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害信号只受到高斯噪声(随机噪声，白噪声)干扰的信道为信道输出端信号y(t)的熵为噪声源信号n(t)的熵如果令输入信号x(t)的熵为，则由于输出端包含了输入信号与干扰噪声，而且二者为相互统计独立，故有（和变量的方差等于变量的方差之和）：第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五此式表明一维高斯信道的信道容量。

★一般信道的频带总是有限的，设其带宽为F。这样，信道的输入、输出信号和噪声都是限频的随即过程。又根据采样定理，可以把一个连续的信道变换成时间离散的随机序列信道来处理，即平稳随机序列信道可以等效成N个独立的并联信道，而各分信道都是一维线性高斯信道，如图。由此得到时间连续的高斯信道信息传输量：第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五又，当采用平稳遍历的随即过程来描述信源的输出时，对于确知的连续时间信号，可以通过采样量化变换成离散时间信号来处理，故而根据采样定理，对于频带受限的时间连续函数，应有N=2FT，N是在时间T内的采样点数，所以上式又可写为：单位时间内的信道容量或式中，噪声平均功率Pn=N0F，N0是噪声功率谱密度。分析此式，可以看出，Shannon公式把信道的统计参量（信道容量）和实际物理量频带F，时间T，信噪功率比Ps/Pn联系起来，它表明一个信道可靠传输的最大信息量完全由F，T，Ps/Pn所决定。★

信道容量Ct与信道宽度F的关系

当F=Ps/N0时，Ct=Ps/N0，随F增大，Ct趋于一极限值(Ps/N0)log2e≈1.4427Ps/N0第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★

加深认识以上分析表明：随信噪比增大，信道容量增加，从信息有效的传输来看，信噪比是影响信道容量的一个重要指标。这可以理解为：因为噪声小，信号电平可以小，这时可以采用较小的能量来传输信息，信道容量仍然可以很大。如果噪声很大，使信道容量达到一定值，那么必须增加信号能量。例如，教师讲课，背景噪声为嘈杂省、低语声、黑板不干净等。为保持有效的授课（信息传递），必须提高声音，声音大，则单位时间内从口腔传出的语符减少。必须用力写大板书等。（5）信噪比最大，波形失真最小系统等。（4）信号信噪比最大系统。★

Shannon信道容量关系式的实际应用价值

（1）信道包含了多个环节，能量在传输过程中将会衰减，为保证信息能流最有效地传递，必须考虑环节之间的匹配问题，以获得最佳耦合条件。（2）信道频率特性与信息熵损失。（3）信道频率特性与波形失真。第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五通常，把实现了极限信息速率传送（即达到信道容量值）且能做到任意小差错率的通信系统，称为理想通信系统。Shannon只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出具体的实现方法。但这并不影响Shannon定理在通信系统理论分析和工程实践中所起的重要指导作用。

（4）维持同样大小的信道容量，可以通过调整信道的F及Ps/Pn来达到，即信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。例如，如果Ps/Pn=7，F=4000Hz，则可得Ct=l2×103[b/s]；但是，如果Ps/Pn=l5，F=3000Hz，则可得同样数值Ct值。★

对Shannon公式的进一步总结

（1）在给定F、Ps/Pn的情况下，信道的极限传输能力为Ct，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。这就是说，如果信道的实际传输速率大于Ct值，则无差错传输在理论上就已不可能。因此，实际传输速率一般不能大于信道容量Ct，除非允许存在一定的差错率。

（2）提高信噪比Ps/Pn（通过减小Pn或增大Ps），可提高信道容量Ct。特别是，若Pn→0，则Ct→∞，这意味着无干扰信道容量为无穷大。

（3）增加信道带宽F，也可增加信道容量Ct，但做不到无限制地增加。这是因为，如果Ps一定，有第四十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五能量转换型传感器等效电路★

传感器与后继环节的耦合以能量转换型传感器为例

★根据Shannon信道容量关系式，若保持信噪比最大，设计测试系统的一个原则是环节数尽可能少，另一个原则是环节间的耦合保证信息流有效传递。二、信息——能量传递的最佳耦合条件测量环节间的能量传递Ps0…信息源A1A2An

Pn0Ps1Pn1PsnPnn传感器输出阻抗Zi=Ri+jXi负载阻抗Zi=Ri+jXi负载获得的功率为：分析表明，当复阻抗回路满足条件|Zi|=|ZL|，并且相位角φi与φL的相位差为1800时，信息传输效率Ps最大。第五十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★对于纯电阻回路这表明：传感器传给下一个环节的功率取决于：1）传感器短路功率PkE，它与传感器形式和结构有关，一般热电式PkE约为10-4～1W；压电式约为10-4～10-6W。2）信息变换有效系数ξg，当ag=1时，ξg＝1/4，为极大值，此时PL=PkE/4，即在最好的配合下，负载也只能得到PkE/4。这个比值显然说明传感器输出信息能量利用的程度，故称为信息变换有效系数。PkE=E2/Ri

电势E的短路功率ag=RL/Ri

匹配比传感器信息变换有效系数变换系数ξg与匹配比ag的关系第五十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★波形失真问题三、信道频率特性与波形失真●在通信工程中，通常用二进制矩形脉冲波传输信息，但传输过程中，作为物理性的媒质，不能急速地变化，而造成波形失真。●钢丝绳突然断裂时的应力变化过程。波形失真应力变化★波形失真表明系统的响应与激励波形之差异。在动态测量中，造成误差的原因，除了基本因素（静态）外，还有噪声干扰、信道频率特性等因素。由此，也可进一步理解Shannon信道容量关系式的物理意义。★信号的失真包括：幅值失真、相位失真、频率失真。对于线性系统而言，只存在幅值失真与相位失真。●

幅值失真——系统对信号中各频率分量的幅度产生不同程度的衰减。●

相位失真——各频率分量产生的相移不与频率成正比关系，结果各频率分量在时间轴上的相对位置产生变化。第五十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期五【实例】

压电式加速度计测量机床振动●系统输出谱为Y(ω)=H(ω)X(ω)，频率响应函数H(ω)=|H(ω)|e-φ(ω)相当于一个加权系数，对源信号x(t)的谱X(ω)予以加权修正，在幅值上的加权系数为|H(ω)|，而相位则为φ(ω)。因为对信号中不同频率分量ω1、ω2的幅值和相位的加权不同，产生波形畸变。信号经过传感器后产生的波形失真●不产生失真的理想传输条件：幅-频特性为常数，相-频特性为线性，即y(t)=A0x(t-τ0)|H(ω)|=A0(ω

≤ωc)φ(ω)=ωτ0(ω

≤ω

c)或傅立叶变换的时延特性第五十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期五四、信道频率特性与信息熵损失信道频率特性所引起信息熵的变化可表示为：

只有当|H(ω)|=1时，系统输出的信息熵与输入的信息熵相等，不存在熵的损失。这在实际中是无法实现的。●对于“路”来说，“大路兼顾了小路”，越宽越好；但对于信道来说，因为常混有噪声，不能立即断定频带越宽的信道越有利。那么，什么特性的信道最不易受到噪声干扰？信道频率特性信道宽度输入信号的信息熵输出信号的信息熵五、信噪比最大的信道设信噪比最大时所求信道的频率特性为输入信号的频谱为输出信号为

假定混入噪声的谱是“白谱”，即对于所有频率的幅度一定，仅相位不规则。这种白噪声通过信道时噪声输出与信道特性成比例，故噪声输出功率第五十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期五这一系统在t=t0时刻的输出信噪比描述信道的特性使它为最大的H(ω)即是所求信道的特性。根据许瓦兹（Schwarz）不等式，可证明信噪比S/N最大的信道，其X(ω)的共轭函数即最难受噪声影响的信道特性是其幅度与信号频谱的相同；其相位相反，并且附加exp(-jωt0)的时间延迟的特性。进一步还可证明，波形失真最小，信噪比最大的信道的频率特性为分析表明：当噪声小，即|N(ω)|较小时，H(ω)以几乎不变的平坦特性为最好；当噪声大时，在噪声频谱大的地方，|H(ω)|必须减小；如果噪声是“白”的，对于频率为一定的功率谱，信道的特性|H(ω)|大约与信号的频谱幅度|X(ω)|相同。噪声谱第五十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期五第三节信息传输过程中的干扰噪声噪声是在空间传播的一种机械波。这里要研究的是电噪声，它是信息科学的“天敌”。一、噪声的物理根源及其耦合方式

（1）系统外干扰噪声来自于测试系统周围空间的外部干扰。

近代信息技术，解决噪声干扰问题是从两方面入手:（1）从信息论的角度出发，研究信息传输系统，剔除噪声，提高有用信息；（2）研究电子设备的噪声理论，采用优质低噪元件及设备，或研究干扰技术，提供抑制噪声干扰的措施。

本节探讨噪声产生的物理根源、噪声进入测试系统的耦合方式、噪声模型和噪声传输特性等问题。1、噪声源分为系统外噪声与系统内噪声第五十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期五外部干扰产生的噪声有放电噪声、颤噪噪声等。由于机械振动而引起的颤噪噪声联接导线受振弯曲，产生分布电容联接导线接触不良（虚焊、脱线），由于振动使电阻发生(0～∞)Ω变化

（2）系统内干扰噪声来自电子设备元器件内部，有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、量子噪声等。原因——带电粒子(电子或空穴)随机无规则运动。热噪声——导体内电子作随机而无规则的布朗运动，使导体两端电压起伏散粒噪声——由物质流动的离散性产生。例如，阴极射线示波管中电子在阴极和阳极之间的流动，半导体中电子和空穴的流动等。产生平均电流的过程具有内在的统计变化，这种变化表现在平均值上下波动。一般情况下，这种平均值上下的均方起伏性同平均值本身成正比，这是散粒噪声的特征。散粒噪声为：∆f噪声带宽Id平均直流电流e为电子的电荷量1.6×10-19C噪声电流第五十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期五（1）电容耦合——干扰噪声源En与测试系统之间存在寄生电容Cm。2、噪声耦合方式（2）电磁耦合——干扰噪声源En与测试系统之间存在互感M。（3）电阻耦合——绝缘电阻R的漏电流所致。（4）共阻抗耦合——干扰噪声源En与测量电路之间存在共有阻抗Zc。几种减小噪声干扰的技术：静电屏蔽——利用接地的良导体金属包容测量系统，可以消除或削弱寄生分布电容耦合的干扰。电磁屏蔽——采用导电良好的金属材料做成屏蔽层（不接地），可以防止高频电磁场干扰。如果屏蔽层接地，则可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽作用接地——是对信号电压有一个基准电位，一般信号源、电源及机壳等地线应联在一起，并通过一点接地，以避免公共地线各点电位不均所产生的干扰浮置——与屏蔽接地相反，是使测量系统的某一部分或全部与地之间无直接联系，以阻断干扰电流的通路。第五十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期五★补充知识：静电屏蔽

第二类空腔（金属腔导体内部有带电体）的静电屏蔽。腔内q与内表面的感应电荷-q，对外部场的贡献恒为零。若第二类空腔导体接地，且腔外无带电体时，外表面上的感应电荷被大地电荷中和，所以不带电荷。金属空腔是零等势体。若第二类空腔导体接地，且腔外有带电体时，外表面上的感应电荷被大地电荷部分中和，所带电荷的多少必须保证腔内、腔内表面、腔外表面以及腔外电荷在导体内产生的场强为零，即满足静电平衡条件。金属空腔是零电位。U=0U=0+q–qQ+q’第五十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期五当第二类空腔导体接地时金属空腔是零等势体，由静电场边值问题的唯一性定理可以证明：此时壳内的任何电场都不影响外界，也不受外界影响。例如高压设备都用金属导体壳接地做保护，它起静电屏蔽作用，内外互不影响。外界不影响内部不影响外界U=0q–qU=0Q+q’壳内外场互不影响第六十页，共六十九页，编辑于2023年，星期五

空腔导体壳接地与否，外界均对壳内电场无任何影响，外界不影响内部例如在电子仪器、或传输微弱信号的导线中都常用金属壳或金属网作静电屏蔽。外界不影响内部U=C1UC1腔外表面的电荷分布不影响腔内电场分布但是腔内有无电荷对腔外有不同的影响。总结：空腔导体(无论接地与否)将使