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1、第四章信息转换与传输第四章信息转换与传输第一页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v一、信息探测工程与智能传感器一、信息探测工程与智能传感器1、人类认识事物的信息过程、人类认识事物的信息过程v为了认识世界，通过感官来取得外部世界的信息。然后，导入为了认识世界，通过感官来取得外部世界的信息。然后，导入神经系统，把获取的信息传递给大脑，并对这些信息进行贮存、神经系统，把获取的信息传递给大脑，并对这些信息进行贮存、变换、处理、分析、判断，去除各种干扰，提取有用信息。变换、处理、分析、判断，去除各种干扰，提取有用信息。v在此基础上形成初步的判断，获得相应的认识，并在大脑中形在此基础上形成初步的判
2、断，获得相应的认识，并在大脑中形成决策信息，发出指令，再通过导出神经系统来指挥执行器完成决策信息，发出指令，再通过导出神经系统来指挥执行器完成相应的动作。或者说是借助于一定的物质和能量形式，把决成相应的动作。或者说是借助于一定的物质和能量形式，把决策信息反作用于外部世界的事物，这就完成了由客观到主观，策信息反作用于外部世界的事物，这就完成了由客观到主观，再由主观到客观的一次循环。再由主观到客观的一次循环。v为了检验为了检验“认识认识”和和“改造改造”的效果，感觉器官还要把指令信的效果，感觉器官还要把指令信息作用于外部事物的效果，作为一种效果信息反馈给大脑，根息作用于外部事物的效果，作为一种效果
3、信息反馈给大脑，根据这个反馈信息，思维器官再作出补充决策，调整原来的指令据这个反馈信息，思维器官再作出补充决策，调整原来的指令信息，修正执行器官的行动策略和方式。信息，修正执行器官的行动策略和方式。v这样不断循环、修正，直到完成改造外部世界事物为止。这样不断循环、修正，直到完成改造外部世界事物为止。第二页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换2、人类感官获取信息的局限性、人类感官获取信息的局限性v人类获取信息，是信息通过不同渠道刺激大脑，对于人类通过人类获取信息，是信息通过不同渠道刺激大脑，对于人类通过感官直接取得信息的有关实验表明，大脑的吸收率分别为：感官直接取得信息的有关实验表明，大脑
4、的吸收率分别为：视觉视觉83听觉听觉11嗅觉嗅觉3.5味觉味觉1触觉触觉1.5v人类通过感官获取信息是有局限性的，因为人的感官和大脑都人类通过感官获取信息是有局限性的，因为人的感官和大脑都具有过滤信息的本能，这是由于如下原因：具有过滤信息的本能，这是由于如下原因：感官机能：感官机能：人类感官接收外界信号，受到感官生理机能的限制。人类感官接收外界信号，受到感官生理机能的限制。如：人眼只能接收波长为如：人眼只能接收波长为0.380.78m可可见光；人耳只能感知光；人耳只能感知2020kHz的声音信号等。的声音信号等。智力功能：智力功能：同一信源发出的信息，可能由于人的智力、知识结构、同一信源发出的
5、信息，可能由于人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄不同，而效果不同。职业、爱好、年龄不同，而效果不同。第三页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换3 3、人类感官的延伸、人类感官的延伸传感系统传感系统v传感器是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因传感器是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感知系统，是为了从外界感知信此，从广义讲，传感器是一个感知系统，是为了从外界感知信息而工作的系统。息而工作的系统。v传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现代被称之为传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现代被称之为信息探测工程学信息探测工程学，是研究
6、物质的物理效应、化学效应及生物效，是研究物质的物理效应、化学效应及生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。它对科学技术发展应，作为信息探测的实际应用的一门科学。它对科学技术发展的作用和意义，巳日益显得重要而突出。的作用和意义，巳日益显得重要而突出。v传感系统模型传感系统模型一种简单的感测系统模型一种简单的感测系统模型一种复杂的感测系统模型一种复杂的感测系统模型第四页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换4 4、传感技术的发展方向、传感技术的发展方向v信息科学的发展，促进了能量、物质科学的进步，而新材料的信息科学的发展，促进了能量、物质科学的进步，而新材料的出现，反过来又促进了传感技术的
7、发展，尤其是固体功能材料出现，反过来又促进了传感技术的发展，尤其是固体功能材料与功能元件的发展，为新型传感器的开发提供了坚实的物质基与功能元件的发展，为新型传感器的开发提供了坚实的物质基础，而微电子技术，特别是大规模集成电路的发展，为传感器础，而微电子技术，特别是大规模集成电路的发展，为传感器的智能化提供了技术条件，越来越多的敏感元件问世，使人类的智能化提供了技术条件，越来越多的敏感元件问世，使人类的感官功能不断扩展与增强。的感官功能不断扩展与增强。v传感技术的发展表现为两个基本的方向：传感技术的发展表现为两个基本的方向：扩展感测信息的领域；扩展感测信息的领域；提高识别信息的智能。提高识别信息
8、的智能。v扩展感测信息的领域扩展感测信息的领域视觉与光传感器：波长视觉与光传感器：波长10-7m0.1m；速度；速度10-9s（人（人0.1s）听觉与声压传感器：频率可达数兆听觉与声压传感器：频率可达数兆Hz；声压范围远超人耳；声压范围远超人耳触觉与温度、压力传感器触觉与温度、压力传感器嗅觉传感器嗅觉传感器味觉传感器味觉传感器第五页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v提高识别信息的智能提高识别信息的智能新型传感器技术的开发，与微电于技术的结合，构成具有校正、新型传感器技术的开发，与微电于技术的结合，构成具有校正、变换、统计处理、反馈等多种功能的，具有思维、辨别能力的智变换、统计处理、反
9、馈等多种功能的，具有思维、辨别能力的智能传感器。这种传感系统可以在复杂的环境中，准确而有效地提能传感器。这种传感系统可以在复杂的环境中，准确而有效地提取有用信息。取有用信息。在信息仿生学方面，传感技术正向着信息化、智能化、综合化方在信息仿生学方面，传感技术正向着信息化、智能化、综合化方向发展。向发展。在人在人机器、机器机器、机器-机器通讯方面，信息形式的多样化，特别是机器通讯方面，信息形式的多样化，特别是容量最大的视觉信息，将被充分利用。固态图像传感器、图像通容量最大的视觉信息，将被充分利用。固态图像传感器、图像通讯技术将得到大力发展。讯技术将得到大力发展。第六页，本课件共有46页4-1 信息
10、转换信息转换v二、工程中的新型传感器二、工程中的新型传感器1、核辐射检测、核辐射检测v核辐射检测是利用核辐射检测是利用、x射线的辐射特性，根据被测物质射线的辐射特性，根据被测物质对射线的吸收、散射、或射线对被测物质的电离激发、穿透作对射线的吸收、散射、或射线对被测物质的电离激发、穿透作用而进行工作的。可以实现对材料厚度、内伤，物质密度、成用而进行工作的。可以实现对材料厚度、内伤，物质密度、成分、物位等参数的测量。分、物位等参数的测量。v比例计数管与盖革计数管比例计数管与盖革计数管射射线线使使气气体体电电离离，产产生生正正离离子子和和电电子子，电电子子被被阳阳极极加加速速形形成成电电流流，大大小
11、小与与施施加加于于金金属属丝丝上上的的电电压压大大小小有有关关。随随电电压压的的升升高高，被被加加速速的的电电子子在在运运动动途途中中又又会会不不断断电电离离气气体体而而造造成成“雪雪崩崩”现现象象。电电子子数数量量(电电压压脉脉冲冲大大小小)与与射射线线能能量量成成正正比比(区区,比比例例计计数数管管)；电电压压升升到到100010001700V1700V时时(区区)，输输出出电电压压脉脉冲冲与与入入射射射射线线的频率成正比，就成了的频率成正比，就成了盖革计数管盖革计数管。第七页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v闪烁计数管闪烁计数管由由闪闪烁烁晶晶体体和和光光电电倍倍增增管管组组成
12、成。闪闪烁烁晶晶体体吸吸收收射射线线光光子子，产产生生可可见见荧荧光光；光光电电倍倍增增管管把把光光转转换换为为可可测测量量的的电电脉脉冲冲。当当晶晶体体中中吸吸收收一一个个射射线线光光子子时时，便便会会在在其其中中产产生生一一个个闪闪光光，这这个个闪闪光光射射到到光光敏敏阴阴极极上上时时，便便会会迸迸发发出出许许多多电电子子，再再经经光光电电倍倍增增管管的的多多级级倍倍增增后后，就就可可在在最最后后联联极极上上得得到到大大量量电电子子，其其总增益达总增益达107。即即闪闪烁烁晶晶体体吸吸收收一一个个射射线线光光子子后后，可可以以得得到到数数目目巨巨大大的的电电子子，几几乎乎在在输输出出端端能
13、能产产生生数数伏伏的的电电压压脉脉冲冲，并并且且这这一一过过程程十十分分迅迅速速，所所需需时时间间不不到到1 1s。因因此，闪烁晶体管可以在高达此，闪烁晶体管可以在高达105脉冲数脉冲数/s/s的速率下工作而不会有计数损失。的速率下工作而不会有计数损失。第八页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换这这种种测测厚厚仪仪是是非非接接触触测测量量，且且不不受受温温度度、压压力力等等因因素素的的影影响响。被被用用于于热热轧轧机上控制轧制钢板厚度，获得较好的应用效果。机上控制轧制钢板厚度，获得较好的应用效果。第九页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换这这种种装装置置被被用用于于X X射射线线衍
14、衍射射仪仪或或X X射射线线显显微微分分析析仪仪中中，前前者者是是利利用用X X射射线线在在晶晶体体表表面面上上的的衍衍射射现现象象，测测定定X X射射线线衍衍射射光光的的强强度度，以以确确定定残残余余应应力力大大小小；后后者者则则是是利利用用电电子子束束照照射射在在固固体体表表面面上上，激激发发出出特特征征X X射射线线，通通过过测测定定X X射射线的波长及强度，进行材料的成分分析。线的波长及强度，进行材料的成分分析。第十页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换2、超声波检测、超声波检测v超声波和声波一样，超声波和声波一样，是弹性介质的机械振是弹性介质的机械振动波，其频率在动波，其频率在
15、20kHz以上，可达以上，可达109Hz，波长短，具有，波长短，具有方向性，穿透能力强，方向性，穿透能力强，在钢材中甚至可穿透在钢材中甚至可穿透10m以上。以上。v超声波的产生和接收超声波的产生和接收利用了压电晶体的压利用了压电晶体的压电效应和逆压电效应。电效应和逆压电效应。第十一页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换第十二页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换3、声发射检测、声发射检测v声发射（声发射（AE）是材料受力作用产生变形或断裂时，以弹性波）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的形式释放出应变能量的一种现象，它表征
16、材料微观结构力学性质的变化。性质的变化。vAE技术可用于密闭容器以及整体机械结构等的安全监视，是技术可用于密闭容器以及整体机械结构等的安全监视，是防止突发事件的有效手段。防止突发事件的有效手段。v金属材料变形产生金属材料变形产生AE波的过程，类似于机械系统的瞬间不稳波的过程，类似于机械系统的瞬间不稳定状态。在外力作用下，金属中的缺陷附近或微观不均匀区域定状态。在外力作用下，金属中的缺陷附近或微观不均匀区域发生应力集中，处于高能量状态而不稳定，必定要过渡到稳定发生应力集中，处于高能量状态而不稳定，必定要过渡到稳定的低能量状态。如果这种过渡在瞬间完成，则将是能量的瞬间的低能量状态。如果这种过渡在瞬
17、间完成，则将是能量的瞬间释放过程，并以弹性波的形式放出，即释放过程，并以弹性波的形式放出，即AE波。波。第十三页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v将弹性波转换为可测的电信将弹性波转换为可测的电信号的装置称为声发射传感器，号的装置称为声发射传感器，多为压电谐振式结构。多为压电谐振式结构。第十四页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换第十五页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v三、传感器的标定三、传感器的标定1、基本问题、基本问题v标定的目的：实现科学实验的定量分析。标定的目的：实现科学实验的定量分析。v0阶系统：只需进行静态标定，获得静态特性参数。阶系统：只需进行静态标定，
18、获得静态特性参数。v一阶、二阶系统：需要静态标定和动态标定。一阶、二阶系统：需要静态标定和动态标定。v静态标定：以标准量作为输入，测定其输出、输入关系，确定静态标定：以标准量作为输入，测定其输出、输入关系，确定定标曲线，获得直线度（线性度）、灵敏度、滞后量（回程误定标曲线，获得直线度（线性度）、灵敏度、滞后量（回程误差）、重复性及刚度、横向灵敏度等参数。差）、重复性及刚度、横向灵敏度等参数。v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，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、阻尼比和相位特确定传感器的通频带、工作频带、谐振频率
19、、阻尼比和相位特性等。性等。v工作频带：指灵敏度保持为常数的频率范围。在阻尼比为工作频带：指灵敏度保持为常数的频率范围。在阻尼比为0.707时，工作主频带的上限频率一般为谐振频率的时，工作主频带的上限频率一般为谐振频率的0.58倍：倍：max=0.58n。第十六页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v动态标定的方法：正弦激励、冲击力激励、白噪声或伪随机白动态标定的方法：正弦激励、冲击力激励、白噪声或伪随机白噪声激励等。噪声激励等。第十七页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换力谱力谱响应谱响应谱幅值谱幅值谱相频谱相频谱相干函数相干函数一阶固有频率一阶固有频率683.2Hz683.2H
20、z第十八页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换2、多维传感器的标定问题、多维传感器的标定问题v横向灵敏度：在多维传感器中又称为交叉灵敏度或互干扰度。横向灵敏度：在多维传感器中又称为交叉灵敏度或互干扰度。用来衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影响程度。为保用来衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影响程度。为保证传感器的测试精度，在一些传感器的性能指标中都标明了横证传感器的测试精度，在一些传感器的性能指标中都标明了横向灵敏度。一般用下式表示（用向灵敏度。一般用下式表示（用%数表示）。数表示）。axy=(Nx-axxFx)/Fy 式中：式中：axy为为y方向对方向对x方向的干扰度，或称标定系
21、数；方向的干扰度，或称标定系数；axx为为x向标定系数；向标定系数；Fx、Fy分别为分别为x方向与方向与y方向施加的载荷；方向施加的载荷；Nx为在为在x方向传感器的输出。方向传感器的输出。v在实际应用中，传感器的受力情况是很复杂的，如固定在振动在实际应用中，传感器的受力情况是很复杂的，如固定在振动体上的加速度计，不可能处于理想的单一方向激励下，必须考体上的加速度计，不可能处于理想的单一方向激励下，必须考虑横向灵敏度对测量结果的影响。虑横向灵敏度对测量结果的影响。第十九页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v多维传感器的系统模型：金属切削过程中测力装置，如铣削、多维传感器的系统模型：金属切
22、削过程中测力装置，如铣削、钻削或车削测力仪等，都是一些典型的多维测力传感器。钻削或车削测力仪等，都是一些典型的多维测力传感器。第二十页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换根根据据线线性性系系统统的的传传输输特特性性，输输出出是是输输入入与与系系统统单单位位脉脉冲冲响响应应函函数数的的卷积：卷积：根据时域卷积定理：根据时域卷积定理：则有：则有：或：或：式中式中Hij()称为频率响应矩阵或传递矩阵。称为频率响应矩阵或传递矩阵。第二十一页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v多维传感器的标定及补偿问题：对多维传感器的标定，就是求出各多维传感器的标定及补偿问题：对多维传感器的标定，就是求出
23、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。其方法有：供依据。其方法有：多输入多输出方法：不易实现（难实现多个已知量同时激励）多输入多输出方法：不易实现（难实现多个已知量同时激励）单输入多输出方法：单向输入，同时测定各向输出。单输入多输出方法：单向输入，同时测定各向输出。v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，可用代数方程描述：出与输入为即时关系，可用代数方程描述：或：或：式式中中Aij是是由由标标定定曲曲线线求求得
24、得的的，描描述述了了各各向向传传输输通通道道的的静静特特性性，当当i=j时时，Aij表表示示输输出出与与输输入入为为同同向向时时的的灵灵敏敏度度。ij时时，Aij则则是是横横向向灵灵敏敏度度，或或称称干扰度。干扰度。第二十二页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换在理想情况下，无横向干扰，其输出输入关系为：在理想情况下，无横向干扰，其输出输入关系为：同同样样，也也可可采采用用单单向向激激励励（如如正正弦弦、冲冲击击等等）多多向向输输出出方方法法进进行行动动态态标标定定，可获得频率响应矩阵：可获得频率响应矩阵：当当i=j时时，Hij()表表示示输输出出与与输输入入为为同同向向时时的的频频率率
25、响响应应函函数数；当当ij时时，Hij()表示非同向时的频率响应函数，也称为动态横向干扰系数。表示非同向时的频率响应函数，也称为动态横向干扰系数。第二十三页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换在理想条件下，无横向干扰，其传输矩阵为：在理想条件下，无横向干扰，其传输矩阵为：单单靠靠传传感感器器设设计计来来获获得得这这样样理理想想的的传传输输通通道道是是不不容容易易的的。可可根根据据标标定后得到的各向传输函数设计一个补偿网络：定后得到的各向传输函数设计一个补偿网络：则则：（Hij()）=Hij()-Hij()是一个无干扰的传输矩阵。是一个无干扰的传输矩阵。其他方法，如：串联通道等。其他方法，
26、如：串联通道等。第二十四页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换v四、传感器选用原则四、传感器选用原则1、灵敏度、灵敏度v一般说来，一般说来，S越大越好，但越大越好，但S越大，外界干扰也越容易混入。越大，外界干扰也越容易混入。选用传感器时，其灵敏度应尽量大一些，这样便于检测微小信选用传感器时，其灵敏度应尽量大一些，这样便于检测微小信号，但同时应考虑传感器的信噪比（应大一些）。另外，灵敏号，但同时应考虑传感器的信噪比（应大一些）。另外，灵敏度与测量范围紧密相关，要保证传感器在线性区域工作（信号度与测量范围紧密相关，要保证传感器在线性区域工作（信号干扰不超过线性范围），过高的灵敏度会缩小测量范
27、围。干扰不超过线性范围），过高的灵敏度会缩小测量范围。2、响应特性、响应特性v在动态测量时，要考虑传感器的响应特性，要保证不失真测试。在动态测量时，要考虑传感器的响应特性，要保证不失真测试。（要使传感器的工作频率范围与被测信号的占有频带相适用）（要使传感器的工作频率范围与被测信号的占有频带相适用）3、线性范围、线性范围v任何传感器均有一定的线性范围。保证传感器在线性区域工作，任何传感器均有一定的线性范围。保证传感器在线性区域工作，是保证测量精确度的基本条件。然而，任何传感器均不能保证是保证测量精确度的基本条件。然而，任何传感器均不能保证其绝对线性。因此，这里所讲的线性范围，往往指的是线性误其绝
28、对线性。因此，这里所讲的线性范围，往往指的是线性误差不超过允许值的范围。差不超过允许值的范围。第二十五页，本课件共有46页4-1 信息转换信息转换4、可靠性、可靠性v可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下、规定的时间内可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。选择传感器时，应考虑其对环境的适应完成规定功能的能力。选择传感器时，应考虑其对环境的适应性、传感器的寿命等因素。要保证传感器在实际环境条件下的性、传感器的寿命等因素。要保证传感器在实际环境条件下的测量误差不超过允许范围。测量误差不超过允许范围。5、精确度、精确度v精确度是指传感器的输出与被测量真值一致的程
29、度。选择精确精确度是指传感器的输出与被测量真值一致的程度。选择精确度时，应考虑其经济性。精确度越高，传感器的价格就越昂贵。度时，应考虑其经济性。精确度越高，传感器的价格就越昂贵。在定性分析试验中，一般要求传感器有一定的精密性，而进行在定性分析试验中，一般要求传感器有一定的精密性，而进行定量分析时，则要求传感器有足够的精确度。定量分析时，则要求传感器有足够的精确度。6、测量方式、测量方式v传感器在实际条件下的工作方式包括接触与非接触测量、在线传感器在实际条件下的工作方式包括接触与非接触测量、在线与非在线测量等。工作方式不同，对传感器的要求也不同。如与非在线测量等。工作方式不同，对传感器的要求也不
30、同。如接触测量中，应考虑传感器对被测对象的影响。接触测量中，应考虑传感器对被测对象的影响。7、其他、其他v结构简单，体积小，重量轻，价格便宜，易维修，易更换等。结构简单，体积小，重量轻，价格便宜，易维修，易更换等。第二十六页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输v一、一、Shannon信道容量关系式信道容量关系式1、广义信道、广义信道一般可理解为传输信息的媒介途径。如：声音或电磁波传播一般可理解为传输信息的媒介途径。如：声音或电磁波传播的空间、载有信息的电压或电流信号通过的电缆等。的空间、载有信息的电压或电流信号通过的电缆等。2、传输信息的能量、传输信息的能量v信息传输需要借助物质和能量。
31、信息传输需要借助物质和能量。v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。如在夜晚可以观察到天上的星星而输的失真或信息熵的损失。如在夜晚可以观察到天上的星星而白天却很难观察到星星就是这个道理。白天却很难观察到星星就是这个道理。v信号通过信道，将由于外界干扰和信道物理特性而引起信号的信号通过信道，将由于外界干扰和信道物理特性而引起信号的衰减、失真、信息量损失等。衰减、失真、信息量损失等。第二十七页，本课
32、件共有46页4-2 信息传输信息传输3、Shannon信道容量关系式信道容量关系式v信道最大的信息传输率称为信道容量，或称信息传输速度，单信道最大的信息传输率称为信道容量，或称信息传输速度，单位为位为bit/s。vShannon信道容量关系式：信道容量关系式：Ct=F log(1+Ps/Pn)bit/s F 信道带宽信道带宽 Ps 输入信号的平均功率输入信号的平均功率 Pn 引入信道的干扰噪声的平均功率引入信道的干扰噪声的平均功率Ct 单位时间内的信道容量单位时间内的信道容量 上式还可以表示为：上式还可以表示为：式中：式中：N0为噪声功率谱密度，为噪声功率谱密度，Pn=N0F。Shannon信
33、信道道容容量量关关系系式式表表明明，一一个个信信道道可可靠靠传传输输的的最最大大信信息息量量完全由带宽完全由带宽F、时间、时间T和信噪比和信噪比Ps/Pn所决定。所决定。第二十八页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输上上图图表表示示信信道道容容量量Ct 与与信信道道带带宽宽F 的的关关系系。当当F 较较小小时时，Ct 随随F 增增加加较较快快，且且当当F=Ps/N0 时时，Ct=Ps/N0，即即此此时时信信道道容容量量等等于于信信号号功功率率与与噪声功率谱密度的比值；当噪声功率谱密度的比值；当F 较大时，较大时，Ct 趋向于一极限值趋向于一极限值(Ps/N0)loge。第二十九页，本课件
34、共有46页4-2 信息传输信息传输v从从Shannon公式可以看出，随信噪比的增加，信道容量也会增公式可以看出，随信噪比的增加，信道容量也会增加，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。要指标。v运用运用Shannon公式可有效解释和解决下列问题：公式可有效解释和解决下列问题：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，必须考虑环节间的匹配问题，以获得最佳耦能流最有效地传递，必须考虑环节间的匹配问题，以获得最佳耦合条件；合条件；信道频率特
35、性与信息熵损失；信道频率特性与信息熵损失；信道频率特性与波形失真；信道频率特性与波形失真；信号信噪比最大系统；信号信噪比最大系统；信噪比最大、波形失真最小系统等。信噪比最大、波形失真最小系统等。第三十页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输v二、信息二、信息能量传输的最佳耦合条件能量传输的最佳耦合条件任何测试系统，都是由许多环节组成的。通过能流将信息从一个环节传任何测试系统，都是由许多环节组成的。通过能流将信息从一个环节传递到下一个环节。递到下一个环节。每通过一个环节，能量会衰减，而噪声却不断增强。每通过一个环节，能量会衰减，而噪声却不断增强。根据根据Shannon信道容量关系式，若保持信
36、噪比最大，那么设计测试系统的一信道容量关系式，若保持信噪比最大，那么设计测试系统的一个原则应该是环节数目尽可能少，另一个原则就是建立传输环节间的耦合关个原则应该是环节数目尽可能少，另一个原则就是建立传输环节间的耦合关系，以保证信息流有效地传递。系，以保证信息流有效地传递。第三十一页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输从工程测试出发，信息经过传感器转换以后，将进入测量环节，从工程测试出发，信息经过传感器转换以后，将进入测量环节，由于传感器的结构形式及工作原理不同，其耦合关系也不同。下由于传感器的结构形式及工作原理不同，其耦合关系也不同。下面以能量转换型传感器为例进行分析。面以能量转换型传感
37、器为例进行分析。设设E为为信信号号源源等等效效电电势势，传传感感器器输输出出阻阻抗抗为为Zi=Ri+jXi，负负载载阻阻抗抗为为ZL=RL+jXL，则则负负载载获获得得的的功率为：功率为：分分析析表表明明，当当复复阻阻抗抗回回路路满满足足条条件件|Zi|=|ZL|，并并且且相相位位角角 i 与与 L 相差相差180o时，信息传递功率时，信息传递功率Ps 最大。最大。第三十二页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输对纯电阻回路，负载上的有效功率为：对纯电阻回路，负载上的有效功率为：式中：式中：PkE=E2/Ri，电势，电势E的短路功率；的短路功率；ag=RL/Ri，负载电阻对信号源内阻之比，
38、又称之为匹配比；，负载电阻对信号源内阻之比，又称之为匹配比；g=ag/(1+ag)2，称为传感器信息变换有效系数。，称为传感器信息变换有效系数。由上式可知，传感器传送给下一环节的功率取决于两个因素：由上式可知，传感器传送给下一环节的功率取决于两个因素：（1）传传感感器器短短路路功功率率PkE。其其值值越越大大，负负载载上上的的有有效效功功率率PL也也越越大大。PkE值值与与传传感感器器形形式式及及结结构构有有关关，如如：热热电电式式为为10-41W，压压电电式式为为10-410-6W；（2）信信息息变变换换有有效效系系数数g。g随随匹匹配配比比ag而而变变。当当ag=1时时，g=1/4，为为极
39、极大大值值。即即在在最最好好配配合合下下，负负载载上上也也只只能能得得到到PkE/4。比比值值g=PL/PkE显显然然说说明传感器输出信息量的利用程度，故称之为信息变换有效系数。明传感器输出信息量的利用程度，故称之为信息变换有效系数。第三十三页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输v三、信道频率特性与波形失真三、信道频率特性与波形失真在通信工程中，往往用二进制矩形波传输信息，在传输过程中，作为物理性在通信工程中，往往用二进制矩形波传输信息，在传输过程中，作为物理性的媒质，不能急促地变化，因而会造成波形畸变。的媒质，不能急促地变化，因而会造成波形畸变。第三十四页，本课件共有46页4-2 信息
40、传输信息传输从技术上，无论检测手段有多精确，总会存在误差。在动态测量从技术上，无论检测手段有多精确，总会存在误差。在动态测量中，造成误差的原因，除了最基本的因素（静态）外，噪声干扰、中，造成误差的原因，除了最基本的因素（静态）外，噪声干扰、信道频率特性等，则是非常重要的因素。信道频率特性等，则是非常重要的因素。信号通过系统产生的失真包括频率失真、幅值失真和相位失真。信号通过系统产生的失真包括频率失真、幅值失真和相位失真。对线性系统，只存在幅值失真和相位失真。对线性系统，只存在幅值失真和相位失真。幅值失真：是由于信号通过系统时，系统对信号中各频率分量的幅值失真：是由于信号通过系统时，系统对信号中
41、各频率分量的幅度产生不同程度的衰减而引起的。幅度产生不同程度的衰减而引起的。相位失真：指信号通过系统时，信号中各频率分量产生的相移不相位失真：指信号通过系统时，信号中各频率分量产生的相移不与频率成正比的关系，结果导致各频率分量在时间轴上的相对位与频率成正比的关系，结果导致各频率分量在时间轴上的相对位置产生变化。置产生变化。幅值失真和相位失真会引起波形畸变。幅值失真和相位失真会引起波形畸变。H()相相当当于于一一个个加加权权系系数数，对对源源信信号号x(t)的的频频谱谱X()给给予予加加权权修修正正，在幅值上加权系数为在幅值上加权系数为|H()|；而相位则为；而相位则为 ()。第三十五页，本课件
42、共有46页4-2 信息传输信息传输第三十六页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输不失真测试条件不失真测试条件时域：时域：系统传递特性：系统传递特性：这是一种不可能实现的非物理系统。这是一种不可能实现的非物理系统。v四、信道频率特性与信息熵损失四、信道频率特性与信息熵损失信号通过系统后，其信息熵与信道频率特性之间的关系为：信号通过系统后，其信息熵与信道频率特性之间的关系为：由由上上式式可可知知，只只有有当当|H()|=1时时，系系统统输输出出的的信信息息熵熵与与输输入入的的信信息息熵熵相等，不存熵的损失。相等，不存熵的损失。第三十七页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输v五、信噪比最
43、大的信道五、信噪比最大的信道设信噪比设信噪比(S/N)最大时所求信道的频率特性为：最大时所求信道的频率特性为：输入信号的频谱为：输入信号的频谱为：输出信号：输出信号：假假定定混混入入噪噪声声的的频频谱谱是是“白白谱谱”，即即对对所所有有频频率率的的幅幅度度一一样样，只只是是相相位位不不规规则则。这这种种白白噪噪声声通通过过信信道道时时，噪噪声声输输出出与与信信道道特特性性成成比比例例，故噪声输出功率为：故噪声输出功率为：第三十八页，本课件共有46页4-2 信息传输信息传输这一系统在这一系统在t=t0 时刻的输出信噪比为：时刻的输出信噪比为：使使S/N为最大的为最大的H()即为所求信道的特性。即
44、为所求信道的特性。根据许瓦兹不等式可以证明信噪比最大的信道，其频率特性为：根据许瓦兹不等式可以证明信噪比最大的信道，其频率特性为：还可以证明，波形失真最小，信噪比最大的信道的频率特性为：还可以证明，波形失真最小，信噪比最大的信道的频率特性为：上上式式表表明明，噪噪声声小小时时，H()以以几几乎乎不不变变的的平平坦坦特特性性为为最最好好；噪噪声声大大时时，在在噪噪声声频频谱谱大大的的地地方方，|H()|必必须须减减小小；对对于于白白噪噪声声和和频频率率为为一一定定的的功功率率谱谱，|H()|大约与大约与|X()|相同最好。相同最好。第三十九页，本课件共有46页4-3 信息传输过程中的干扰噪声信息
45、传输过程中的干扰噪声v一、噪声的物理根源及其耦合方式一、噪声的物理根源及其耦合方式1、噪声源、噪声源v系统外干扰噪声系统外干扰噪声：来自于测试系统周围空间的外部干扰。如：来自于测试系统周围空间的外部干扰。如：雷电、高压电网、空间电磁波以及各种工业有源干扰，或环境雷电、高压电网、空间电磁波以及各种工业有源干扰，或环境温度、湿度、光照、振动、腐蚀性气体等。外部干扰产生的噪温度、湿度、光照、振动、腐蚀性气体等。外部干扰产生的噪声又可分为放电噪声、颤噪噪声等。声又可分为放电噪声、颤噪噪声等。v系统内干扰噪声系统内干扰噪声：电子设备元器件内部产生的干扰噪声有热噪：电子设备元器件内部产生的干扰噪声有热噪声
46、、散粒噪声、闪烁噪声、量子噪声等。声、散粒噪声、闪烁噪声、量子噪声等。热噪声：热噪声：带电粒子在器件内部作随机无规则运动，导致温度变化带电粒子在器件内部作随机无规则运动，导致温度变化的同时，还使导体两端产生一个起伏电压。任何有温度变化的导的同时，还使导体两端产生一个起伏电压。任何有温度变化的导体都有热噪声。体都有热噪声。散粒噪声：散粒噪声：是由于物质流动的离散性而产生的。如半导体中电子是由于物质流动的离散性而产生的。如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的上下波动。在一般情况下，这种平均值
47、上种变化表现在平均值的上下波动。在一般情况下，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。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。第四十页，本课件共有46页4-3 信息传输过程中的干扰噪声信息传输过程中的干扰噪声2、噪声耦合方式、噪声耦合方式v干扰噪声在空间形成的电磁波，传播不需要导线联接，其耦合干扰噪声在空间形成的电磁波，传播不需要导线联接，其耦合通道充满整个空间。一般情况下，干扰噪声进入测量系统的途通道充满整个空间。一般情况下，干扰噪声进入测量系统的途径主要是电容耦合、电磁耦合、电阻耦合及共阻抗耦合等。径主要是电容耦合、电磁耦合、电阻耦合及共阻抗耦合等。
48、v为了减小噪声干扰，采用一些抗干扰技术是非常必要的，尤其为了减小噪声干扰，采用一些抗干扰技术是非常必要的，尤其是对于微弱信号的传感器和具有宽带的测量体系。针对上述干是对于微弱信号的传感器和具有宽带的测量体系。针对上述干扰噪声源，一般可采用静电屏蔽、电磁屏蔽或接地、浮置等措扰噪声源，一般可采用静电屏蔽、电磁屏蔽或接地、浮置等措施。施。第四十一页，本课件共有46页4-3 信息传输过程中的干扰噪声信息传输过程中的干扰噪声v二、噪声模型及其传输特性二、噪声模型及其传输特性1、噪声模型、噪声模型v对噪声理论的研究主要依靠大量的实验性研究。根据实验结对噪声理论的研究主要依靠大量的实验性研究。根据实验结果，
49、建立起物理模型，并由此建立起特定的噪声理论。果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪声理论。v1928年，贝尔研究所的两位科学家证明了阻值为年，贝尔研究所的两位科学家证明了阻值为R的电阻两端的热的电阻两端的热噪声电压噪声电压Un(t)的均方值为：的均方值为：式式中中：k=1.3810-23J/K，T为为热热力力学学温温度度K，R为为电电阻阻，f为为噪声带宽噪声带宽Hz。其功率谱密度为：其功率谱密度为：此式表明，热噪声具有平坦的功率谱。此式表明，热噪声具有平坦的功率谱。第四十二页，本课件共有46页4-3 信息传输过程中的干扰噪声信息传输过程中的干扰噪声v通常把具有均匀功率谱的随机过程当作白噪声来
50、处理。通常把具有均匀功率谱的随机过程当作白噪声来处理。v热噪声和散粒噪声，在相当宽的频率范围内都具有均匀的功率热噪声和散粒噪声，在相当宽的频率范围内都具有均匀的功率谱，一般认作白噪声。谱，一般认作白噪声。v其他许多干扰过程，只要其功率谱比电子系统的通频带宽得多，其他许多干扰过程，只要其功率谱比电子系统的通频带宽得多，而其功率谱又在系统通带内及其附近分布比较均匀，都可当作而其功率谱又在系统通带内及其附近分布比较均匀，都可当作白噪声来处理。白噪声来处理。v白噪声白噪声（白噪声过程）的定义：均值为（白噪声过程）的定义：均值为0，功率谱密度在整个，功率谱密度在整个频率轴上有非频率轴上有非0常数的平稳随