《信息转换与传输.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信息转换与传输.ppt（69页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第一节 信息转换,一、信息探测工程与智能传感器,1、人类认识事物的信息过程,人们认识和实践的过程，基本上就是信息获取、传递、处理、产生新信息，并以新的信息来控制对象的过程，即基本上是一个信息流通过程（又称信息过程）。,人类认识世界和改造世界的一切活动中，无不牵涉到信息的交换和利用。信息是人类认识世界的出发点（事物是以什么方式在运动？其运动状态如何？），信息又是人类改造世界的归宿（希望事物以什么方式运动？希望它处于怎样的运动状态？）,正如Wiener所说：“信息这个名称的内容，就是我们对外界进行调节，并使我们的调节为外界所了解时，而与外界交换来的东西。”,2、人类感官获取信息的局限性,人类通过感
2、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0.380.78m的光信号，听觉器官只接收2020kHz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
3、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。,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。,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
4、信息的智能,（1）扩展谱域,（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2020kHz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。,（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210-5Pa，而高灵敏微音技术可拾取微弱的声音信息。,（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
5、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-2630C1800C，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
6、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。,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射线测厚仪，以及飞机上安装的声发射传感
7、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,射线带2个正电荷的高速粒子流。粒子的质量为4.002775原子质量单位，从原子核中以2104km/s的速度射出，其初始能量达(59)106eV。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:,射线放射性物质发生衰变（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
8、2105km/s，能量约(0.13)106eV。粒子用于测量材料厚度、密度等。,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。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。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。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10-210-6m,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
9、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。,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
10、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。,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粒子和射线。,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1
11、0-7,过程所需时间不到1s,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。,【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,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）。,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2020kHz；超声波 20kHz；次声波 20Hz,超声波频率高（达109Hz）、波长短，能
12、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
13、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。,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,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。,（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,【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
14、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。,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,3、声发射（Acoustic Emission,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
15、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；19681973，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。,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
16、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
17、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；k1k2，质点发生位移；k1k2，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。,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：内部的点状声发射源以球面波等速向
18、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，
19、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。,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。,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602000kHz，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。
20、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。,金属材料变形时的AE信号特征：一个共同的特征
21、：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。,（4）声发射检测仪原理,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575m内。有时在主
22、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100200m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。,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）
23、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（Functional Fiber)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。,【例1】敏感元件型光纤压力传感器,（a）均衡压力折射率、
24、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。,【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1Pa,（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,5、固体图像传感器,固体图象传感器(Solid State
25、 Imaging Sensor，缩写SSIS)主要有三大类：1）电荷耦合器件(Charge Coupled Device，缩写CCD)。2）自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，SSPA)。3）电荷注入器件(Charge Injection Device，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1520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
26、.201.0m；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于35m的红外敏感器件。(4)象元尺寸几何位置精度高(优于1m)，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：小型化黑白/彩色TV摄象机；传真通讯系统；光学字符识别（OCR:Optical Character Recognition）；工业检测与自动控制；医疗仪器；多光谱机载和星载遥感；天文应用；军事应用。,固体图像传感器的核心是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。,CCD的基本单元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor 金属-氧化物-半导体)电容器。若
27、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,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
28、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UgUth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用s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102m)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。,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：
29、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。,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。,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,【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%.,CCD传感器3用于测板厚，以补偿板厚变化引起的测量误差,三、传感器
30、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
31、定，一阶、二阶系统除静态标定外，还须进行动态标定。,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=0.707时，工作频带的上限频率max与谐振频率n的关系为max=0.58 n。,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,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2xy
32、(f)1，表明了输出与输入的线性关系。,（1）横向灵敏度,2、多维传感器的标定,所谓横向灵敏度，在多维传感器中，又称为交叉灵敏度（Cross Sensitivity）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。,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。,【实例】切削力测量系统,希望某一
33、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,或,（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=0时，Hij()=const.，因此，其传输关系为：,Aij是由标定曲线求得的，描述了各向传输
34、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ij时，则表示非同向时的灵敏度，即横向灵敏度或干扰度。,动态标定：同理，可进行动态标定，所获得的频率响应矩阵为,注意：无动态干扰条件为：当ij时，Hij()=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。,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
35、。,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,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
36、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）,广义信道按包含的功能，可划分
37、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。,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
38、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。,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
39、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。,补充知识 白噪声功率谱密度函数在整个频率域(-+)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，
40、热噪声的频率可以高到1013Hz，且功率谱密度函数在01013Hz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,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。,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
41、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）：,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
42、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：,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：,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
43、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)log2e1.4427Ps/N0,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
44、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。,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
45、）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=l2103b/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
46、），可提高信道容量Ct。特别是，若Pn0，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,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,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i与L的相位差为1800时，信息传输效率Ps最大。,对于纯电阻回路,这表明：传感器传给下一个环节的
47、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10-41W；压电式约为10-410-6W。2）信息变换有效系数g，当ag=1时，g1/4，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。,变换系数g与匹配比ag的关系,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。,波形失真表明系统的响应与激励波形之差异。在动态测量中，造成
48、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。,【实例】压电式加速度计测量机床振动,系统输出谱为Y()=H()X()，频率响应函数H()=|H()|e-()相当于一个加权系数，对源信号x(t)的谱X()予以加权修正，在幅值上的加权系数为|H()|，而相位则为()。因为对信
49、号中不同频率分量1、2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,傅立叶变换的时延特性,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()|=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？,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
50、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,这一系统在t=t0时刻的输出信噪比,使它为最大的H()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,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(-jt0)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()|较小时，H()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()|必须减小；如果噪声是“白”的，对于频率为
