信息转换与传输.pptx

4-1 信息信息转换v一、信息探一、信息探测工程与智能工程与智能传感器感器1、人、人类认识事物的信息事物的信息过程程v为了了认识世界，通世界，通过感官来取得外部世界的信息。然后，感官来取得外部世界的信息。然后，导入入神神经系系统，把，把获取的信息取的信息传递给大大脑，并，并对这些信息些信息进行行贮存、存、变换、处理、分析、判断，去除各种干理、分析、判断，去除各种干扰，提取有用信息。，提取有用信息。v在此基在此基础上形成初步的判断，上形成初步的判断，获得相得相应的的认识，并在大，并在大脑中形中形成决策信息，成决策信息，发出指令，再通出指令，再通过导出神出神经系系统来指来指挥执行器完行器完成相成相应的的动作。或者作。或者说是借助于一定的物是借助于一定的物质和能量形式，把决和能量形式，把决策信息反作用于外部世界的事物，策信息反作用于外部世界的事物，这就完成了由客就完成了由客观到主到主观，再由主再由主观到客到客观的一次循的一次循环。v为了了检验“认识”和和“改造改造”的效果，感的效果，感觉器官器官还要把指令信要把指令信息作用于外部事物的效果，作息作用于外部事物的效果，作为一种效果信息反一种效果信息反馈给大大脑，根，根据据这个反个反馈信息，思信息，思维器官再作出器官再作出补充决策，充决策，调整原来的指令整原来的指令信息，修正信息，修正执行器官的行行器官的行动策略和方式。策略和方式。v这样不断循不断循环、修正，直到完成改造外部世界事物、修正，直到完成改造外部世界事物为止。止。4-1 信息信息转换2、人、人类感官感官获取信息的局限性取信息的局限性v人人类获取信息，是信息通取信息，是信息通过不同渠道刺激大不同渠道刺激大脑，对于人于人类通通过感官直接取得信息的有关感官直接取得信息的有关实验表明，大表明，大脑的吸收率分的吸收率分别为：视觉83听听觉11嗅嗅觉3.5味味觉1触触觉1.5v人人类通通过感官感官获取信息是有局限性的，因取信息是有局限性的，因为人的感官和大人的感官和大脑都都具有具有过滤信息的本能，信息的本能，这是由于如下原因：是由于如下原因：感官机能：感官机能：人人类感官接收外界信号，受到感官生理机能的限制。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：同一信源同一信源发出的信息，可能由于人的智力、知出的信息，可能由于人的智力、知识结构、构、职业、爱好、年好、年龄不同，而效果不同。不同，而效果不同。4-1 信息信息转换3 3、人、人类感官的延伸感官的延伸传感系感系统v传感器是人的感官的延伸，它的作用是感器是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因展人的信息功能。因此，从广此，从广义讲，传感器是一个感知系感器是一个感知系统，是，是为了从外界感知信了从外界感知信息而工作的系息而工作的系统。v传感技感技术是信息科学中的一个重要是信息科学中的一个重要组成部分，在成部分，在现代被称之代被称之为信息探信息探测工程学工程学，是研究物，是研究物质的物理效的物理效应、化学效、化学效应及生物效及生物效应，作，作为信息探信息探测的的实际应用的一用的一门科学。它科学。它对科学技科学技术发展展的作用和意的作用和意义，巳日益，巳日益显得重要而突出。得重要而突出。v传感系感系统模型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4-1 信息信息转换4 4、传感技感技术的的发展方向展方向v信息科学的信息科学的发展，促展，促进了能量、物了能量、物质科学的科学的进步，而新材料的步，而新材料的出出现，反，反过来又促来又促进了了传感技感技术的的发展，尤其是固体功能材料展，尤其是固体功能材料与功能元件的与功能元件的发展，展，为新型新型传感器的开感器的开发提供了提供了坚实的物的物质基基础，而微，而微电子技子技术，特，特别是大是大规模集成模集成电路的路的发展，展，为传感器感器的智能化提供了技的智能化提供了技术条件，越来越多的敏感元件条件，越来越多的敏感元件问世，使人世，使人类的感官功能不断的感官功能不断扩展与增展与增强。v传感技感技术的的发展表展表现为两个基本的方向：两个基本的方向：扩展感展感测信息的信息的领域；域；提高提高识别信息的智能。信息的智能。v扩展感展感测信息的信息的领域域视觉与光与光传感器：波感器：波长10-7m0.1m；速度；速度10-9s（人（人0.1s）听听觉与声与声压传感器：感器：频率可达数兆率可达数兆Hz；声；声压范范围远超人耳超人耳触触觉与温度、与温度、压力力传感器感器嗅嗅觉传感器感器味味觉传感器感器4-1 信息信息转换v提高提高识别信息的智能信息的智能新型新型传感器技感器技术的开的开发，与微，与微电于技于技术的的结合，构成具有校正、合，构成具有校正、变换、统计处理、反理、反馈等多种功能的，具有思等多种功能的，具有思维、辨、辨别能力的智能力的智能能传感器。感器。这种种传感系感系统可以在复可以在复杂的的环境中，准确而有效地提境中，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，在信息仿生学方面，传感技感技术正向着信息化、智能化、正向着信息化、智能化、综合化方合化方向向发展。展。在人在人机器、机器机器、机器-机器通机器通讯方面，信息形式的多方面，信息形式的多样化，特化，特别是是容量最大的容量最大的视觉信息，将被充分利用。固信息，将被充分利用。固态图像像传感器、感器、图像通像通讯技技术将得到大力将得到大力发展。展。4-1 信息信息转换v二、工程中的新型二、工程中的新型传感器感器1、核、核辐射射检测v核核辐射射检测是利用是利用、x射射线的的辐射特性，根据被射特性，根据被测物物质对射射线的吸收、散射、或射的吸收、散射、或射线对被被测物物质的的电离激离激发、穿透作、穿透作用而用而进行工作的。可以行工作的。可以实现对材料厚度、内材料厚度、内伤，物，物质密度、成密度、成分、物位等参数的分、物位等参数的测量。量。v比例比例计数管与盖革数管与盖革计数管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的频频率率成成正正比，就成了比，就成了盖革计数管盖革计数管。4-1 信息信息转换v闪烁计数管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。因此，闪烁晶体管可以在高达因此，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。4-1 信息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。被用于热轧机上控制轧制钢板厚度，获得较好的应用效果。被用于热轧机上控制轧制钢板厚度，获得较好的应用效果。4-1 信息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，通过测定线，通过测定X X射线的波长及强度，进行材料的成分分析。射线的波长及强度，进行材料的成分分析。4-1 信息信息转换2、超声波、超声波检测v超声波和声波一超声波和声波一样，是是弹性介性介质的机械振的机械振动波，其波，其频率在率在20kHz以上，可达以上，可达109Hz，波，波长短，具有短，具有方向性，穿透能力方向性，穿透能力强，在在钢材中甚至可穿透材中甚至可穿透10m以上。以上。v超声波的超声波的产生和接收生和接收利用了利用了压电晶体的晶体的压电效效应和逆和逆压电效效应。4-1 信息信息转换4-1 信息信息转换3、声、声发射射检测v声声发射（射（AE）是材料受力作用）是材料受力作用产生生变形或断裂形或断裂时，以，以弹性波性波的形式的形式释放出放出应变能量的一种能量的一种现象，它表征材料微象，它表征材料微观结构力学构力学性性质的的变化。化。vAE技技术可用于密可用于密闭容器以及整体机械容器以及整体机械结构等的安全构等的安全监视，是，是防止突防止突发事件的有效手段。事件的有效手段。v金属材料金属材料变形形产生生AE波的波的过程，程，类似于机械系似于机械系统的瞬的瞬间不不稳定状定状态。在外力作用下，金属中的缺陷附近或微。在外力作用下，金属中的缺陷附近或微观不均匀区域不均匀区域发生生应力集中，力集中，处于高能量状于高能量状态而不而不稳定，必定要定，必定要过渡到渡到稳定定的低能量状的低能量状态。如果。如果这种种过渡在瞬渡在瞬间完成，完成，则将是能量的瞬将是能量的瞬间释放放过程，并以程，并以弹性波的形式放出，即性波的形式放出，即AE波。波。4-1 信息信息转换v将将弹性波性波转换为可可测的的电信号的装置称信号的装置称为声声发射射传感感器，多器，多为压电谐振式振式结构。构。4-1 信息信息转换4-1 信息信息转换v三、三、传感器的感器的标定定1、基本、基本问题v标定的目的：定的目的：实现科学科学实验的定量分析。的定量分析。v0阶系系统：只需：只需进行静行静态标定，定，获得静得静态特性参数。特性参数。v一一阶、二、二阶系系统：需要静：需要静态标定和定和动态标定。定。v静静态标定：以定：以标准量作准量作为输入，入，测定其定其输出、出、输入关系，确定入关系，确定定定标曲曲线，获得直得直线度（度（线性度）、灵敏度、滞后量（回程性度）、灵敏度、滞后量（回程误差）、重复性及差）、重复性及刚度、横向灵敏度等参数。度、横向灵敏度等参数。v动态标定：定：测定定传感器的感器的动态特性，根据特性，根据频率响率响应或脉冲响或脉冲响应，确定确定传感器的通感器的通频带、工作、工作频带、谐振振频率、阻尼比和相位特率、阻尼比和相位特性等。性等。v工作工作频带：指灵敏度保持：指灵敏度保持为常数的常数的频率范率范围。在阻尼比。在阻尼比为0.707时，工作主，工作主频带的上限的上限频率一般率一般为谐振振频率的率的0.58倍：倍：max=0.58n。4-1 信息信息转换v动态标定的方法：正弦激励、冲定的方法：正弦激励、冲击力激励、白噪声或力激励、白噪声或伪随机白随机白噪声激励等。噪声激励等。4-1 信息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683.2Hz683.2Hz4-1 信息信息转换2、多、多维传感器的感器的标定定问题v横向灵敏度：在多横向灵敏度：在多维传感器中又称感器中又称为交叉灵敏度或互干交叉灵敏度或互干扰度。度。用来衡量垂直于某方向的用来衡量垂直于某方向的输入入对该方向方向输出的影响程度。出的影响程度。为保保证传感器的感器的测试精度，在一些精度，在一些传感器的性能指感器的性能指标中都中都标明了横明了横向灵敏度。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y方向方向对x方向的干方向的干扰度，或称度，或称标定系数；定系数；axx为x向向标定系数；定系数；Fx、Fy分分别为x方向与方向与y方向施加的方向施加的载荷；荷；Nx为在在x方向方向传感器的感器的输出。出。v在在实际应用中，用中，传感器的受力情况是很复感器的受力情况是很复杂的，如固定在振的，如固定在振动体上的加速度体上的加速度计，不可能，不可能处于理想的于理想的单一方向激励下，必一方向激励下，必须考考虑横向灵敏度横向灵敏度对测量量结果的影响。果的影响。4-1 信息信息转换v多多维传感器的系感器的系统模型：金属切削模型：金属切削过程中程中测力装置，如力装置，如铣削、削、钻削或削或车削削测力力仪等，都是一些典型的多等，都是一些典型的多维测力力传感器。感器。4-1 信息信息转换根根据据线性性系系统的的传输特特性性，输出出是是输入入与与系系统单位位脉脉冲冲响响应函函数数的的卷卷积：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。4-1 信息信息转换v多多维传感器的感器的标定及定及补偿问题：对多多维传感器的感器的标定，就是求出定，就是求出各向各向传输通道的静、通道的静、动态特性参数，特性参数，为传感器感器结构构设计或或误差差补偿提供依据。其方法有：提供依据。其方法有：多多输入多入多输出方法：不易出方法：不易实现（难实现多个已知量同多个已知量同时激励）激励）单输入多入多输出方法：出方法：单向向输入，同入，同时测定各向定各向输出。出。v静静态标定：分定：分别在某一方向在某一方向输入已知量，同入已知量，同时测定各向定各向输出，其出，其输出与出与输入入为即即时关系，可用代数方程描述：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敏度，或称干扰度。灵敏度，或称干扰度。4-1 信息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态标定，可获得频率响应矩阵：动态标定，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响响应应函函数数；当当ij时时，Hij()表表示示非非同同向向时时的的频频率率响响应应函函数数，也也称称为为动动态态横横向向干干扰扰系数。系数。4-1 信息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。可可根根据据标定后得到的各向传输函数设计一个补偿网络：标定后得到的各向传输函数设计一个补偿网络：则则：（Hij()）=Hij()-Hij()是是一一个个无无干干扰扰的的传传输输矩矩阵。阵。其他方法，如：串联通道等。其他方法，如：串联通道等。4-1 信息信息转换v四、四、传感器感器选用原用原则1、灵敏度、灵敏度v一般一般说来，来，S越大越好，但越大越好，但S越大，外界干越大，外界干扰也越容易混入。也越容易混入。选用用传感器感器时，其灵敏度，其灵敏度应尽量大一些，尽量大一些，这样便于便于检测微小信微小信号，但同号，但同时应考考虑传感器的信噪比（感器的信噪比（应大一些）。另外，灵敏大一些）。另外，灵敏度与度与测量范量范围紧密相关，要保密相关，要保证传感器在感器在线性区域工作（信号性区域工作（信号干干扰不超不超过线性范性范围），），过高的灵敏度会高的灵敏度会缩小小测量范量范围。2、响、响应特性特性v在在动态测量量时，要考，要考虑传感器的响感器的响应特性，要保特性，要保证不失真不失真测试。（要使（要使传感器的工作感器的工作频率范率范围与被与被测信号的占有信号的占有频带相适用）相适用）3、线性范性范围v任何任何传感器均有一定的感器均有一定的线性范性范围。保。保证传感器在感器在线性区域工作，性区域工作，是保是保证测量精确度的基本条件。然而，任何量精确度的基本条件。然而，任何传感器均不能保感器均不能保证其其绝对线性。因此，性。因此，这里所里所讲的的线性范性范围，往往指的是，往往指的是线性性误差不超差不超过允允许值的范的范围。4-1 信息信息转换4、可靠性、可靠性v可靠性是指可靠性是指仪器、装置等器、装置等产品在品在规定的条件下、定的条件下、规定的定的时间内内完成完成规定功能的能力。定功能的能力。选择传感器感器时，应考考虑其其对环境的适境的适应性、性、传感器的寿命等因素。要保感器的寿命等因素。要保证传感器在感器在实际环境条件下的境条件下的测量量误差不超差不超过允允许范范围。5、精确度、精确度v精确度是指精确度是指传感器的感器的输出与被出与被测量真量真值一致的程度。一致的程度。选择精确精确度度时，应考考虑其其经济性。精确度越高，性。精确度越高，传感器的价格就越昂感器的价格就越昂贵。在定性分析在定性分析试验中，一般要求中，一般要求传感器有一定的精密性，而感器有一定的精密性，而进行行定量分析定量分析时，则要求要求传感器有足感器有足够的精确度。的精确度。6、测量方式量方式v传感器在感器在实际条件下的工作方式包括接触与非接触条件下的工作方式包括接触与非接触测量、在量、在线与非在与非在线测量等。工作方式不同，量等。工作方式不同，对传感器的要求也不同。如感器的要求也不同。如接触接触测量中，量中，应考考虑传感器感器对被被测对象的影响。象的影响。7、其他、其他v结构构简单，体，体积小，重量小，重量轻，价格便宜，易，价格便宜，易维修，易更修，易更换等。等。4-2 信息信息传输v一、一、Shannon信道容量关系式信道容量关系式1、广、广义信道信道一般可理解一般可理解为传输信息的媒介途径。如：声音或信息的媒介途径。如：声音或电磁波磁波传播播的空的空间、载有信息的有信息的电压或或电流信号通流信号通过的的电缆等。等。2、传输信息的能量信息的能量v信息信息传输需要借助物需要借助物质和能量。和能量。v信息的信息的传输量不量不仅取决于注入能量的取决于注入能量的绝对值，还取决于取决于该能量能量与周与周围环境干境干扰（背景噪声）的关系，（背景噪声）的关系，这种干种干扰将引起信息将引起信息传输的失真或信息的失真或信息熵的的损失。如在夜晚可以失。如在夜晚可以观察到天上的星星而察到天上的星星而白天却很白天却很难观察到星星就是察到星星就是这个道理。个道理。v信号通信号通过信道，将由于外界干信道，将由于外界干扰和信道物理特性而引起信号的和信道物理特性而引起信号的衰减、失真、信息量衰减、失真、信息量损失等。失等。4-2 信息信息传输3、Shannon信道容量关系式信道容量关系式v信道最大的信息信道最大的信息传输率称率称为信道容量，或称信息信道容量，或称信息传输速度，速度，单位位为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 信道信道带宽 Ps 输入信号的平均功率入信号的平均功率 Pn 引入信道的干引入信道的干扰噪声的平均功率噪声的平均功率Ct 单位位时间内的信道容量内的信道容量 上式上式还可以表示可以表示为：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完全由带宽量完全由带宽F、时间、时间T和信噪比和信噪比Ps/Pn所决定。所决定。4-2 信息信息传输上上图表表示示信信道道容容量量Ct 与与信信道道带宽F 的的关关系系。当当F 较小小时，Ct 随随F 增增加加较快快，且且当当F=Ps/N0 时，Ct=Ps/N0，即即此此时信信道道容容量量等等于于信信号号功功率率与与噪噪声声功功率率谱密密度度的的比比值；当当F 较大大时，Ct 趋向向于于一一极极限限值(Ps/N0)loge。4-2 信息信息传输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来看，信噪比是影响信道容量的一个重要指重要指标。v运用运用Shannon公式可有效解公式可有效解释和解决下列和解决下列问题：信道包含了多个信道包含了多个环节，能量在，能量在传输过程中将会衰减，程中将会衰减，为保保证信息信息能流最有效地能流最有效地传递，必，必须考考虑环节间的匹配的匹配问题，以，以获得最佳耦得最佳耦合条件；合条件；信道信道频率特性与信息率特性与信息熵损失；失；信道信道频率特性与波形失真；率特性与波形失真；信号信噪比最大系信号信噪比最大系统；信噪比最大、波形失真最小系信噪比最大、波形失真最小系统等。等。4-2 信息信息传输v二、信息二、信息能量能量传输的最佳耦合条件的最佳耦合条件任何任何测试系系统，都是由，都是由许多多环节组成的。通成的。通过能流将信息从一个能流将信息从一个环节传递到下一个到下一个环节。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，若保持信噪比最大，那么设计测信道容量关系式，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系，以保证信息流有效地传递。立传输环节间的耦合关系，以保证信息流有效地传递。4-2 信息信息传输从工程从工程测试出出发，信息，信息经过传感器感器转换以后，将以后，将进入入测量量环节，由于由于传感器的感器的结构形式及工作原理不同，其耦合关系也不同。下构形式及工作原理不同，其耦合关系也不同。下面以能量面以能量转换型型传感器感器为例例进行分析。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，则则负负载获得的功率为：载获得的功率为：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。4-2 信息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，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显显然然说说明明传传感感器器输输出出信信息息量量的的利利用用程程度度，故故称称之之为为信信息息变换有效系数。变换有效系数。4-2 信息信息传输v三、信道三、信道频率特性与波形失真率特性与波形失真在通信工程中，往往用二在通信工程中，往往用二进制矩形波制矩形波传输信息，在信息，在传输过程中，程中，作作为物理性的媒物理性的媒质，不能急促地，不能急促地变化，因而会造成波形畸化，因而会造成波形畸变。4-2 信息信息传输从技从技术上，无上，无论检测手段有多精确，手段有多精确，总会存在会存在误差。在差。在动态测量量中，造成中，造成误差的原因，除了最基本的因素（静差的原因，除了最基本的因素（静态）外，噪声干）外，噪声干扰、信道信道频率特性等，率特性等，则是非常重要的因素。是非常重要的因素。信号通信号通过系系统产生的失真包括生的失真包括频率失真、幅率失真、幅值失真和相位失真。失真和相位失真。对线性系性系统，只存在幅，只存在幅值失真和相位失真。失真和相位失真。幅幅值失真：是由于信号通失真：是由于信号通过系系统时，系，系统对信号中各信号中各频率分量的率分量的幅度幅度产生不同程度的衰减而引起的。生不同程度的衰减而引起的。相位失真：指信号通相位失真：指信号通过系系统时，信号中各，信号中各频率分量率分量产生的相移不生的相移不与与频率成正比的关系，率成正比的关系，结果果导致各致各频率分量在率分量在时间轴上的相上的相对位位置置产生生变化。化。幅幅值失真和相位失真会引起波形畸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正，在幅值上加权系数为修正，在幅值上加权系数为|H()|；而相位则为；而相位则为 ()。4-2 信息信息传输4-2 信息信息传输不失真不失真测试条件条件时域：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相等，不存熵的损失。熵相等，不存熵的损失。4-2 信息信息传输v五、信噪比最大的信道五、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：4-2 信息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功率谱，的功率谱，|H()|大约与大约与|X()|相同最好。相同最好。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声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系系统外干外干扰噪声噪声：来自于：来自于测试系系统周周围空空间的外部干的外部干扰。如：。如：雷雷电、高、高压电网、空网、空间电磁波以及各种工磁波以及各种工业有源干有源干扰，或，或环境境温度、湿度、光照、振温度、湿度、光照、振动、腐、腐蚀性气体等。外部干性气体等。外部干扰产生的噪生的噪声又可分声又可分为放放电噪声、噪声、颤噪噪声等。噪噪声等。v系系统内干内干扰噪声噪声：电子子设备元器件内部元器件内部产生的干生的干扰噪声有噪声有热噪噪声、散粒噪声、声、散粒噪声、闪烁噪声、量子噪声等。噪声、量子噪声等。热噪声：噪声：带电粒子在器件内部作随机无粒子在器件内部作随机无规则运运动，导致温度致温度变化化的同的同时，还使使导体两端体两端产生一个起伏生一个起伏电压。任何有温度。任何有温度变化的化的导体都有体都有热噪声。噪声。散粒噪声：散粒噪声：是由于物是由于物质流流动的离散性而的离散性而产生的。如半生的。如半导体中体中电子子和空穴的流和空穴的流动等，等，产生平均生平均电流的流的过程具有内在的程具有内在的统计变化，化，这种种变化表化表现在平均在平均值的上下波的上下波动。在一般情况下，。在一般情况下，这种平均种平均值上上下的均方起伏性同平均下的均方起伏性同平均值本身成正比，本身成正比，这是散粒噪声的特征。是散粒噪声的特征。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声2、噪声耦合方式、噪声耦合方式v干干扰噪声在空噪声在空间形成的形成的电磁波，磁波，传播不需要播不需要导线联接，其耦合接，其耦合通道充通道充满整个空整个空间。一般情况下，干。一般情况下，干扰噪声噪声进入入测量系量系统的途的途径主要是径主要是电容耦合、容耦合、电磁耦合、磁耦合、电阻耦合及共阻抗耦合等。阻耦合及共阻抗耦合等。v为了减小噪声干了减小噪声干扰，采用一些抗干，采用一些抗干扰技技术是非常必要的，尤其是非常必要的，尤其是是对于微弱信号的于微弱信号的传感器和具有感器和具有宽带的的测量体系。量体系。针对上述干上述干扰噪声源，一般可采用静噪声源，一般可采用静电屏蔽、屏蔽、电磁屏蔽或接地、浮置等措磁屏蔽或接地、浮置等措施。施。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声v二、噪声模型及其二、噪声模型及其传输特性特性1、噪声模型、噪声模型v对噪声理噪声理论的研究主要依靠大量的的研究主要依靠大量的实验性研究。根据性研究。根据实验结果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪声理果，建立起物理模型，并由此建立起特定的噪声理论。v1928年，年，贝尔研究所的两位科学家研究所的两位科学家证明了阻明了阻值为R的的电阻两阻两端的端的热噪声噪声电压Un(t)的均方的均方值为：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为噪声带宽为噪声带宽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。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声v通常把具有均匀功率通常把具有均匀功率谱的随机的随机过程当作白噪声来程当作白噪声来处理。理。v热噪声和散粒噪声，在相当噪声和散粒噪声，在相当宽的的频率范率范围内都具有均匀的功率内都具有均匀的功率谱，一般，一般认作白噪声。作白噪声。v其他其他许多干多干扰过程，只要其功率程，只要其功率谱比比电子系子系统的通的通频带宽得多，得多，而其功率而其功率谱又在系又在系统通通带内及其附近分布比内及其附近分布比较均匀，都可当作均匀，都可当作白噪声来白噪声来处理。理。v白噪声白噪声（白噪声（白噪声过程）的定程）的定义：均：均值为0，功率，功率谱密度在整个密度在整个频率率轴上有非上有非0常数的平常数的平稳随机随机过程。其功率程。其功率谱和自相关函数和自相关函数为：白白噪噪声声随随时时间间的的起起伏伏变变化化极极快快，而而过过程程的的功功率率谱谱极极宽宽。这这样样定义的白噪声只是一种理想化的模型，实际上不可能存在。定义的白噪声只是一种理想化的模型，实际上不可能存在。v根根据据随随机机过过程程的的概概率率分分布布，可可以以有有各各种种不不同同分分布布规规律律的的白白噪噪声，如高斯白噪声等。声，如高斯白噪声等。v非白噪声称为非白噪声称为有色噪声有色噪声或色噪声。或色噪声。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声白噪声通白噪声通过线性系性系统设设白白噪噪声声功功率率谱谱为为Snx()=N0/2，系系统统频频响响函函数数为为H()，则则系系统输出为：统输出为：或：或：式中式中|H()|2称为线性系统的功率频响函数。称为线性系统的功率频响函数。由此可知，白噪声通过线性系统后其功率谱不再保持为常数。由此可知，白噪声通过线性系统后其功率谱不再保持为常数。4-3 信息信息传输过程中的干程中的干扰噪声噪声线性系统输出的平均功率可表示为：线性系统输出的平均功率可表示为：为为分分析析计计算算方方便便，常常用用一一个个理理想想的的系系统统来来代代替替实实际际系系统统，使使白白噪噪声声通通过过两两个个系系统统后后具具有有相相同同的的平平均均功功率率。理理想想系系统统具具有有矩矩形形功功率传输函数：率传输函数：根据等效原则可求出根据等效原则可求出c：称为系统的噪声带宽。称为系统的噪声带宽。思考思考题（作（作业）1、有有两两个个温温度度计计，一一个个响响应应快快，能能在在5秒秒钟钟内内测测完完，但但精精度度较较差差，只只有有3；另另一一个个响响应应慢慢，需需要要1分分钟钟才才能能测测完完，但但精精度度高高，达达到到1。温温度测定范围都在度测定范围都在2052之间。问哪一个温度计能提供更多的信息？之间。问哪一个温度计能提供更多的信息？2、已已知知一一测测量量系系统统的的频频响响函函数数为为H()=1/(j+1)。试试分分析析当当测测定定信信号号x(t)=sint+sin3t 时，有无波形失真现象。时，有无波形失真现象。3、已知信道频率特性造成的信息熵的变化关系为：、已知信道频率特性造成的信息熵的变化关系为：式式中中h(y)、h(x)分分别别表表示示输输出出与与输输入入信信号号的的熵熵；积积分分项项是是由由于于信信道道频频率率特特性性产产生生的的熵熵的的变变化化量量。试试求求信信号号通通过过具具有有如如图图所所示示特特性性的的信信道道时时熵熵的的损损失失量量，并并讨讨论论输输入入频频率率限限制制在在1以内和以内和2以内的情况。以内的情况。01230.51|H()|2