信息轉換與傳輸

第一節(jié)信息轉換一、信息探測工程與智能傳感器1、人類認識事物的信息過程★

人們認識和實踐的過程，基本上就是信息獲取、傳遞、處理、產生新信息，并以新的信息來控制對象的過程，即基本上是一個信息流通過程（又稱信息過程）。★

人類認識世界和改造世界的一切活動中，無不牽涉到信息的交換和利用。信息是人類認識世界的出發(fā)點（事物是以什么方式在運動？其運動狀態(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動？希望它處于怎樣的運動狀態(tài)？）★

正如Wiener所說：“信息這個名稱的內容，就是我們對外界進行調節(jié)，并使我們的調節(jié)為外界所了解時，而與外界交換來的東西?！?、人類感官獲取信息的局限性★

人類通過感覺器官直接獲取信息的實驗表明,大腦的吸收率分別為：視覺—83%；聽覺—11%；嗅覺—3.5%；觸覺—1.5%；味覺—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濾信息的本能。

（1）感官機能視覺器官只接收0.38～0.78μm的光信號，聽覺器官只接收20～20kHz聲信號。

（2）智力（或知識）結構同一信源發(fā)出的信息，所產生的效果因人而異。與人的智力、知識結構、職業(yè)、愛好、年齡等因素相關。

（3）理性作用人的一生，每時每刻都在接受信息。然而，接受信息的方式因人而異，一種是非自覺的，只單憑自身實踐；而另一種則是主動積極地思維。例如，一個懶漢與一個立志成才的人的差異。3、傳感系統(tǒng)的一般模型★傳感技術（現代被稱為信息探測工程學）——是研究物質的物理效應、化學效應以及生物效應，作為信息探測的實際應用的一門科學?！飩鞲屑夹g的多樣性信息的形式豐富多彩，要求有多種多樣的感測手段★傳感器應具有敏感性和選擇性敏感性是從信息化出發(fā)，探測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)簡單感測系統(tǒng)模型(b)復雜傳感系統(tǒng)模型★傳感系統(tǒng)的一般模型（1）簡單感測系統(tǒng)如溫度計、風向標（2）復雜傳感系統(tǒng)如雷達系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)等。為了識別信息4、傳感技術的發(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)的物質基礎；微電子技術為傳感器的智能化提供了技術基礎?！飩鞲屑夹g發(fā)展的兩個方向：擴展感測信息的譜域和提高識別信息的智能（1）擴展譜域（a）視覺與光傳感器

常見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）變化來獲得傳感功能。

可測頻率范圍——人耳只能感知20～20kHz聲信號?，F代超聲檢測遠遠超過這一范圍。例如，檢測固體材料斷裂時發(fā)出的聲波的聲發(fā)射檢測技術(AE)及研究生物（如魚類、鳥類）語言的聲檢測裝置等，可測頻率達數兆赫茲。性能人眼光傳感器響應譜域0.38～0.78μm10-7μm～0.1m響應速度0.1s10-9s對物體大小的分辨力0.1～0.2mm可放大30萬倍，例如激光測長儀的分辨力可達10-7mm遠視距離數千米可探知宇宙空間人眼對顏色的識別能力，對圖像的立體感覺能力，還遠遠超過現有的所有光傳感器（b）聽覺與聲壓傳感器

聽閾壓力——在1000Hz條件下，人耳的聽閾壓力為2×10-5Pa，而高靈敏微音技術可拾取微弱的聲音信息。（c）觸覺與與溫度、壓力傳感器測溫范圍極大——現今，溫度傳感器的測溫范圍從接近絕對零度到核融等離子體溫度（約一千萬攝氏度）?！半娮颖恰笔抢冒雽w材料（SnO，ZnO，Fe2O3等）的化學效應特性（當吸收了可燃性氣體，如氫、烷、醚、醇、苯、沼氣等，會發(fā)生還原反應），來辨別氣體。此外，味覺傳感器用于辨別酸、甜、苦、辣，例如，甜度儀。（d）嗅覺傳感器

基于微電子技術研發(fā)具有校正、變換、統(tǒng)計處理、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——如測量極低溫的約塞夫遜效應型熱噪聲溫度計及核四重共振吸收量子效應型溫度計，在-2630C～1800C，分辨力可達到0.0010C。（2）智能化

在信息仿生學方面，傳感技術向著信息化、智能化、綜合化方向發(fā)展，開發(fā)人工信息系統(tǒng)、仿生系統(tǒng)

與微機結合，開發(fā)集信息轉換、運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，從工程應用的角度考察，還應注意傳感技術的下列發(fā)展動向：（a）動態(tài)測量如火箭發(fā)射、地質勘探、振動與噪聲分析等瞬太變化物理量的測量。

（c）特殊環(huán)境下測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射線衍射儀等打開了人類對微觀世界的探測。（b）遠距離、非接觸測量如自動軋鋼過程中檢測鋼板厚度的非接觸式γ射線測厚儀，以及飛機上安裝的聲發(fā)射傳感器，在駕駛室內可監(jiān)視飛機構件的工作狀況等。二、工程中的新型傳感器“新”體現的是20世紀70年代以來，隨電子技術、新材料的發(fā)展，而發(fā)展起來的傳感、檢測技術。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α、β、γ、X射線原理：被測物質★被測物質對射線的吸收、散射★射線對被測物質的電離激發(fā)、穿透作用

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

β射線——放射性物質發(fā)生β衰變（β衰變是原子核中的一個中子轉變成一個質子而放出一個電子的結果），所釋放出的高能量電子，其質量為0.000549原子質量單位，速度達2×105km/s，能量約(0.1～3)×106eV。β粒子用于測量材料厚度、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間內(10-14s)將自己多余能量以電磁輻射(光子)形式放射出來，而使其回到基態(tài)。γ射線的波長較短(約為10-8~10-10

cm)，不帶電，能量約為幾十萬電子伏特。γ射線在物質中的穿透能力很強，能穿透幾十厘米厚的固體物質，在氣體中射程達數百米。γ射線廣泛應用于金屬探傷、測大厚度等。

X射線——從原子核外的內層電子被激發(fā)放出的電磁波，波長10-2～10-6μm一般由射線源、探測器、電信號轉換電路、顯示/記錄裝置四部分組成。探測器工作原理——基于粒子輻射對物質的電離作用，或利用射線能使某些物質產生熒光的性質，再通過光電元件轉換為電信號。一般常用的有：比例計數管、蓋革計數管、閃爍計數管、半導體探測器等。1)比例計數器（原理與蓋革計數器類似）輸出的電壓脈沖大小∝入射射線電離產生的電子數目∝入射射線的能量2)蓋革計數器原理：根據射線能使氣體電離的性能制成。兩端用絕緣物質封閉的金屬管內貯有低壓氣體，沿管的軸線裝了金屬絲，在金屬絲和管壁之間用電池組產生一定的電壓(比管內氣體的擊穿電壓稍低)，管內沒有射線穿過時，氣體不放電。當某種射線的一個高速粒子進入管內時，能夠使管內氣體原子電離，釋放出幾個自由電子，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。越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子，終于使管內氣體成為導電體，在絲極與管壁之間產生迅速的氣體放電現象。從而有一個脈沖電流輸入放大器，并由接于放大器輸出端的計數器接收。計數器自動地記錄下每個粒子飛入管內時的放電，由此可檢測出粒子的數目。3)閃爍計數管（由閃爍晶體和光電倍增管組成）

蓋革計數管的特性曲線：圖中U為加在計數管上的電壓，I為入射的核輻射強度，N為計數率(輸出脈沖數)?？梢钥闯觯敿釉谟嫈倒苌系碾妷阂欢〞r，輻射強度越大，輸出脈沖數也愈大；相應的輸出脈沖數N1也比N2大。蓋革計數管常用于探測β粒子和γ射線。射線光子閃爍晶體可見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10-7,過程所需時間不到1μs閃爍計數管可以在高達105脈沖數/s的速率工作，而不會有計數損失?！竟こ虒嵗?】軋鋼過程中檢測鋼板厚度特點：非接觸測量，不受溫度、壓力等影響?！竟こ虒嵗?】X射線檢測裝置輸出電壓與被測厚度成線性關系HHF-212熱軋機鋼板厚度檢測儀框圖經準直定向的窄束γ射線X射線檢測裝置框圖

該裝置用于X射線衍射儀（通過測定X射線在晶體表面上產生衍射光的強度，確定殘余應力大?。┗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，通過測定X射線的波長及強度，分析材料的成分）。2、超聲波檢測（1）超聲波(和聲波一樣，都是彈性介質的機械震動波）★聲波20～20kHz；超聲波>20kHz；次聲波<20Hz★超聲波頻率高（達109Hz）、波長短，能量遠大于振幅相同的聲波能量，穿透力極強，甚至可穿透10m鋼材★超聲波在介質中傳播和在介質表面的行為，服從幾何光學定律。★超聲波在介質中傳播過程中的衰減取決于：擴散、散射（或漫射）和吸收。擴散——隨傳播距離增加，單位面積內聲能的減弱；散射——由介質不均勻產生的能量損失；吸收——由介質導熱性、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，取決于兩種介質的聲阻抗特性。聲阻抗Zc——介質密度ρ與聲速c的乘積?！锍暡捎糜跓o損檢測，液位、流量、溫度、粘度、厚度、距離等測量.（2）超聲波探頭(又稱超聲波發(fā)生器或接收器）超聲波探頭按其結構可分為直探頭、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。★利用壓電效應的可逆性，換能器可身兼“發(fā)射”和“接收”二職。★超聲波探頭示意圖★原理：電能超聲振動能壓電效應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。壓電片與保護膜粘合后，諧振頻率將降低由環(huán)氧樹脂與鎢粉混合而成的填充物。作用是：吸收聲能量，降低壓電片的機械品質因素Qm。如果沒有吸收塊，當電振蕩脈沖停止時，壓電片因慣性作用，仍繼續(xù)振動，加長了超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。（3）超聲波檢測應用實例【實例1】超聲波測厚儀發(fā)出脈沖信號經放大后，加到示波器垂直偏轉板激勵探頭，發(fā)出超聲波返回波，經放大后加到示波器垂直偏轉板發(fā)出掃描電壓（如鋸齒波），加到水平偏轉板發(fā)出定時脈沖信號，加到示波器垂直偏轉板測出時差，求厚度【實例2】超聲波探傷儀

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

由裂縫返回的波F在始波T和底波B之間。示波器原理：鋸齒波電壓與光點位移交流電壓與光點位移熒光屏上的合成圖形：垂直偏轉板加正弦信號，水平偏轉板加鋸齒波掃描信號水平方向垂直方向3、聲發(fā)射（AcousticEmission,AE）檢測（1）聲發(fā)射技術的發(fā)展★產生于20世紀60年代發(fā)展期來，聲發(fā)射——是材料受力作用產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放出應變能量的一種現象，它表征材料微觀結構力學性質的變化。聲發(fā)射檢測——不同于X射線、超聲波檢測，其特點是從外部施加載荷，使固體材料發(fā)聲，利用接收到的聲信號研究材料的內部缺陷，評價材料的完整性和特性。●

最早應用聲發(fā)射技術的是地震學?！?/p>

50年代聲發(fā)射技術被用于研究金屬受力變形時的聲發(fā)射現象。●

60年代，隨著電子技術的進步，擴大了可測頻率范圍。研究表明：1）金屬變形時發(fā)出的應力波可以從次聲、聲頻直到超聲（50MHz）；2）應力波源于塑性變形中的位錯運動及微裂紋擴展?！?/p>

60年代后期，聲發(fā)射技術進入實用階段。1964年，美國對固體火箭發(fā)動機外殼進行水壓實驗；1968～1973，對原子鍋爐進行壓力實驗，探知焊縫裂紋、應力腐蝕、疲勞裂紋等現象。運用AE技術診斷的突出特點：在工作過程中監(jiān)視，在破壞之前可預知?！?/p>

70年代以來，AE技術廣泛用于宇航、原子能、化工、冶金、建筑、機械等部門。1）美國對300架F-111型飛機整機進行AE實驗，表明AE監(jiān)視系統(tǒng)可提供足夠的數據來判斷有無裂紋或有無已損壞的螺栓、鉚釘、托架、轉軸，以及潤滑情況、起落架工作情況等。2）用于監(jiān)測燃汽輪機、電機、鼓風機、水輪機、海洋采油設備、橋梁、飛機跑道、地下管道等是否存在異常。近年來，AE技術被用于監(jiān)測刀具折損、磨損、破損等情況。（2）聲發(fā)射波及其檢測傳感器★AE是如何產生的？這一問題比較復雜尚不十分清楚。對金屬微觀結構的力學模型的研究表明，金屬材料變形產生AE波的過程，類似于機械系統(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)生應力集中，而處于高能量狀態(tài)，這是不穩(wěn)定的，必然要過渡到穩(wěn)定的低能狀態(tài)。如果這種過渡是在瞬間內進行，則將是能量的瞬間釋放過程，是以彈性波的形式放出，此即AE波?！顰E波產生的數學模型彈簧剛度k1=k2，質點處于平衡狀態(tài)；k1>k2，質點發(fā)生位移；k1>>k2，質點突變，彈簧斷開，質點振蕩，直至平衡為止。影響質點不穩(wěn)定的因素是金屬塑性形變中晶格的位錯、晶界滑移、或者由于內部裂紋的發(fā)生和發(fā)展等?！锫暟l(fā)射波在到達傳感器之前，將有界面的反射、波模式變換、衰減等現象，其中一部分到達傳感器，一部分到達固體表面，經表面吸收和反射，有部分能量轉換為表面波。所以，聲發(fā)射波到達傳感器時，應是幾種模式的波（縱波、橫波、表面波）的疊加。★AE波的傳輸模型理想模型實際模型理想模型：內部的點狀聲發(fā)射源以球面波等速向各個方向發(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。實際模型：聲發(fā)射源不是點源，有不同的形狀；傳遞介質又是各向異性體；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倍，在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理。聲表面波器件的基本結構和工作原理：聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個聲一電換能器―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，它的作用是實現聲一電換能。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）通過逆壓電效應將愉入的電信號轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑ィ罱K由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲一電換能器的特性來完成的。★聲發(fā)射傳感器（多為壓電諧振式結構）光軸z—沿該軸方向無壓電效應電軸x—過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最強.

機械軸y—垂直于棱面，在電場作用下，沿該軸的機械變形最明顯。zxyFxFx+-zxyFyFy

+-zxyFyFy

-+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構尺寸和材質。

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

★描述AE信號的特征參數可概括為：振鈴計數與計數率、事件計數與計數率、振幅與振幅分布、有效值、頻譜分析等?！镎疋徲嫈蹬c事件計數振鈴計數事件計數

振鈴計數——當脈沖衰減波的幅值超過閾值電平時，將產生一個矩形脈沖，此脈沖即為振鈴計數觸發(fā)信號，單位時間內的脈沖數即為振鈴計數率。

事件計數——當脈沖衰減波的包絡超過閾值電平時，將產生一矩形脈沖，將此脈沖作為事件計數，單位時間內的事件數即為事件計數率。優(yōu)點：低于閾值電平的信號不予計數，在一定程度上抑制干擾噪聲，故稱為幅值剔噪法。★金屬材料變形時的AE信號特征：一個共同的特征：在塑性變形區(qū)的AE信號表現出一個駝峰。這是AE信號被作為監(jiān)測機械構件工作狀態(tài)的重要依據。所謂AE信號的預知性，就是在構件破壞之前的峰值特征。黃銅銅、鋁、鎂碳鋼（4）聲發(fā)射檢測儀原理AE波高通濾波，濾除干擾噪聲幅度鑒別，設置閾值電平，作幅值剔噪，并將信號整形為矩形脈沖4、光纖傳感器光(導)纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成了新的光學技術，創(chuàng)造了光電子學的新天地。光纖為人類21世紀的信息高速公路奠定了基礎，為多媒體(符號、數字、語音、圖形和動態(tài)圖像)通信提供了實現的必需條件。把待測量與光纖內的導光聯系起來就形成光纖傳感器。光纖傳感器始于1977年。光纖由纖芯、包層和護層組成。纖芯：主體材料是二氧化硅或塑料，制成很細的圓柱體，直徑在5～75μm內。有時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，也可以是多層結構，層數取決于光纖的應用場所，但總直徑控制在100～200μm范圍內。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光的折射率。保護層：包層外面涂一些涂料，以保護光纖，增加光纖的機械強度。光纖最外層是一層塑料保護管，其顏色用以區(qū)分光纜中各種不同的光纖。光纜是內多根光纖組成，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：信息容量大、抗干擾性強、體積小、可彎曲、靈敏度高以及耐高壓、耐腐蝕、動態(tài)非接觸測量等。（1）物性型（原理——基于光纖的光調制效應）

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(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，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現“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)，增加其長度，可提高靈敏度。

由于這種傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性進行檢測，又稱為敏感元件型或功能型光纖（FunctionalFiber)傳感器。外界應變、壓力、電場、磁場、溫度、放射性和化學作用等調制光纖內通過的光?！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。（b）點壓力→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制，產生光傳輸的相位變化接收兩路光干涉信號根據零差法檢波和相位可調器，測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長石英玻璃光纖裸線，最小檢測聲壓為1μPa（2）結構型

由光檢測元件與光纖傳輸回路組成，光纖僅起傳播煤質的作用，故又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。【實例1】微位移或表面粗糙度測量【實例2】激光－多普勒效應速度傳感器v多普勒頻率散射光頻率入射光頻率被測物體速度光在空氣中的波長發(fā)生散射介質的折射率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：

(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。

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

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

(5)

視頻信號與微機接口容易。

主要應用領域：①小型化黑白/彩色TV攝象機；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學字符識別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測與自動控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機載和星載遙感；⑦天文應用；⑧軍事應用。

★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-半導體)電容器。若在某一時刻金屬電極上加正向電壓UG，p-Si中的多數載流子（在此為空穴）便會受到排斥，于是，在Si表面處就會形成一個耗盡區(qū)。在一定條件下，UG越大，耗盡區(qū)越深。這時，Si表面吸收少數載流子（在此是電子）的勢（即表面勢US）也就越大。可見，這時的MOS電容器所能容納的少數載流子電荷的量就越大。據此，可以用“勢阱”來比喻MOS電容器在UG作用下存儲信號電荷的能力。習慣上，把“勢阱”想象為一個桶，把少數載流子（信號電荷）想象為盛在桶底的液體。UG★電荷存儲：在柵極G施加正偏壓之前，P型半導體中空穴(多數載流子)分布是均勻的。當柵極施加正偏壓Ug(此時Ug小于P型半導體的閾值電壓Uth)后，空穴被排斥，產生耗盡區(qū)，如圖(b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向半導體內延伸。當Ug>Uth時,半導體與絕緣體截面上的電勢(常稱為表面勢,用Φs表示)變得如此之高,以至于將半導體內的電子(少數載流子)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結構存儲電荷的功能。(a)(b)(c)★電荷的注入：CCD的電荷注入方法歸納起來可分為光注入和電注入兩類

1)光注入：當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子－空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。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：電注入是通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉換為信號電荷。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間★

CCD圖像生成的原理在半導體硅片上集成制造許多相互獨立的微小MOS光敏元，每個光敏元為一個像素。當照射在這些光敏元上的是一幅光學圖像，這些光敏元就感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。★

CCD的電荷轉移過程

任何可以移動的少數載流子（信號電荷）都將力圖堆向表面勢最大的位置。若用勢阱比喻，則它們都將流向桶的底部。CCD的電荷轉移過程線陣CCD面陣CCD

【應用實例】測量熱軋鋁板寬度對于2m寬的熱軋板，測量精度可達板寬的±0.025%.lm兩個傳感器的視場間距l(xiāng)1，l2分別由兩個CCD測量CCD傳感器3用于測板厚，以補償板厚變化引起的測量誤差三、傳感器的標定★傳感器標定的目的——實現科學實驗的定量分析。1、基本問題定性分析只能解釋一些表觀現象。定量分析才能獲得確切反映客觀事物變化的規(guī)律性?！镆话愎こ逃脗鞲衅?，其輸入與輸出關系的數學模型，可描述為零階、一階或二階系統(tǒng)。零階系統(tǒng)：例如，放大鏡、測力環(huán)等，其輸出只與即時輸入有關，可用代數方程描述，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、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、電容式拾音計、壓電式加速度計等，用二階微分方程描述?！镬o態(tài)標定與動態(tài)標定靜態(tài)標定：包括確定定標曲線，獲得直線性、靈敏度、滯后量、重復性等。零階系統(tǒng)只須進行靜態(tài)標定，一階、二階系統(tǒng)除靜態(tài)標定外，還須進行動態(tài)標定。動態(tài)標定：測定傳感器的動態(tài)特性，根據頻率響應或脈沖響應，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的頻率范圍，一般在阻尼比ζ=0.707時，工作頻帶的上限頻率ωmax與諧振頻率ωn的關系為ωmax=0.58ωn。信號分析處理★動態(tài)標定的方法有正弦激勵、沖擊力激勵、白噪聲或偽隨機噪聲激勵等【動態(tài)標定實例】

沖擊力激勵壓電式力傳感器，測出施于切削測力儀上的力x(t)切削測力儀為被標定對象，它是一電阻應變式力傳感器，產生響應輸出y(t)頻譜分析：在時域中，沖擊的延續(xù)時間為2ms，在力譜圖中頻帶約為2kHz。在響應譜及頻響譜圖中，傳感器的一階固有頻率約為683Hz，在諧振頻率點相位角為-86.40，相干函數譜圖中，在2kHz以下γ2xy(f)≈1，表明了輸出與輸入的線性關系。沖擊力譜響應譜幅頻譜相頻譜相干譜（1）橫向靈敏度2、多維傳感器的標定

●

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，用來衡量垂直于某方向的輸入對該方向輸出的影響程度，一般用下式表示

●為保證傳感器的測試精度，在一些傳感器性能指標中，對于這一參數都有明確的規(guī)定。x方向傳感器輸出y向對x方向的干擾度，或稱標定系數y向施加的載荷x向標定系數x方向施加的載荷

●一般工程中應用的傳感器，往往是一個機械系統(tǒng)，由彈性構件組成。在實際應用中，受力情況很復雜。例如，測切削力的三向測力儀。（2）多維傳感器的系統(tǒng)模型

●對于多維傳感器，消除互干擾的問題，除了在結構設計中解決外，亦可通過標定后采取補償網絡的方法解決?！緦嵗壳邢髁y量系統(tǒng)

希望某一方向的輸出能夠真實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，都會影響到其他方向的輸出。

根據線性系統(tǒng)的傳輸關系，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應函數的卷積，則根據時域卷積定理：FT則有或頻率響應矩陣或傳遞矩陣（3）多維傳感器的標定及補償問題標定的目的：求得各向傳輸通道的靜動態(tài)特性參數，為傳感器結構設計或誤差補償提供依據。標定的方法：多輸入多輸出或單輸入多輸出，前者不易實現；而單向輸入，同時測定各向輸出則是一種可行的方法。

靜態(tài)標定：分別在某一方向輸入已知量，同時測定各向輸出，其輸出與輸入為即時關系，此時傳輸特性為一常數，即當ω=0時，Hij(ω)=const.，因此，其傳輸關系為：

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

表示輸出與輸入為同向時的靈敏度；當i≠j時，則表示非同向時的靈敏度，即橫向靈敏度或干擾度。無橫向干擾的理想情況Aij動態(tài)標定：同理，可進行動態(tài)標定，所獲得的頻率響應矩陣為無橫向干擾的理想情況補償網絡無干擾網絡

注意：無動態(tài)干擾條件為：當i≠j時，Hij(ω)=0。顯然，要獲得這樣理想的傳輸通道，單純靠傳感器的設計來實現是很困難的。如果根據標定后所得到的各向傳輸函數，設計一種補償網絡，即可得到無干擾網絡：總之，想辦法使測量系統(tǒng)的通道模型成為對角線矩陣。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●工程應用中，被測量可能非常微小，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。●與靈敏度緊密相關的是量程范圍。傳感器工作不應進入非線性區(qū)域，更不能進入飽和區(qū)域。過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。●當被測量是一個向量時，并且是一個單向向量，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。如果被測量是二維或三維向量，那么對傳感器還應要求交叉靈敏度愈低愈好。響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。實際傳感器的響應總有一定延遲，但希望延遲時間愈短愈好。響應特性在動態(tài)測量中對測試結果有直接影響。2、響應特性●穩(wěn)定性——傳感器經過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。4、穩(wěn)定性●精確度——傳感器輸出與被測量的對應程度?！窦纫紤]精確度，又要兼顧經濟性。如果是進行相對比較性的試驗研究，只須獲得相對比較值即可，則應要求傳感器的重復精度高，而無須要求絕對量值。如果是定量分析，那么必須獲得精確量值。●

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

結構簡單？體積大?。恐亓?？價格？易于維修？易于復制？等3、線性●理想的要求：傳感器工作在線性區(qū)；實際：在一定條件下，在許可限度內，也可取其近似線性區(qū)域。第二節(jié)信息傳輸一、Shannon信道容量關系式1、廣義信道信道（信號通道）狹義信道：信號的傳輸媒質廣義信道：媒質及有關變換裝置（發(fā)送、接受設備，天線、饋線，調制解調器等）有線信道無線信道廣義信道按包含的功能，可劃分為調制信道與編碼信道，見下圖。

調制信道：指圖中調制器輸出端到解調器輸入端的部分，又稱模擬信道。研究調制和解調時，常用調制信道。編碼信道：指圖中編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，有時又稱數字信道/離散信道。●

信息傳輸是靠經過整理的有一定規(guī)則的能流。沒有這種能流進入測量環(huán)節(jié)的輸入端，就不可能實現信息的傳輸?！裥畔鬏斝枰柚镔|和能量。例如，有線電話系統(tǒng)，傳輸信息的能源來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】用探照燈光測飛機，反射光是攜帶信息的能流。

【例2】熱點偶測溫時，按一定方向運動的熱電子作為攜帶著物體溫度變化信息的能流進入輸入端。

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

傳輸信息的媒質或途徑，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；地震波傳播時的巖石或土；載有信息的電壓、電流信號通過的電纜等?！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信道容量關系式：●信息的傳輸量不僅取決于注入能量的絕對值，還取決于該能量與周圍環(huán)境干擾（背景噪聲）的關系，這種干擾將引起信息傳輸的失真或信息熵的損失。例如，白天與晚上觀察星星的不同。3、Shannon信道容量關系式注意：這個公式適用于線性高斯白噪聲（參見下頁）信道，信道頻率特性為理想限帶，即信道頻率響應為并且，當信道輸入信號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，信息傳輸率才達到該信道容量。一般實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。輸入信號平均功率干擾噪聲平均功率信道帶寬★補充知識

白噪聲——功率譜密度函數在整個頻率域(-∞＜ω＜+∞)內是常數，即服從均勻分布。稱它為白噪聲，是因為它類似于光學中包括全部可見光頻率在內的白光。凡是不符合上述條件的噪聲就稱為有色噪聲，它只包括可見光頻譜的部分頻率。但是，實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均勻分布的頻率范圍超過通信系統(tǒng)工作頻率范圍很多時，就可近似認為是白噪聲。例如，熱噪聲的頻率可以高到1013Hz，且功率譜密度函數在0～1013Hz內基本均勻分布，因此可以將它看作白噪聲。高斯噪聲——在實際信道中，另一種常見噪聲是高斯型噪聲(即高斯噪聲)。所謂高斯(Gaussian)噪聲是指它的概率密度函數服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，可用數學表達式表示成噪聲的方差噪聲的數學期望值，即均值高斯白噪聲——噪聲的概率密度函數滿足正態(tài)分布統(tǒng)計特性，同時它的功率譜密度函數是常數的一類噪聲。要用到較深的隨機理論進行分析。值得注意的是高斯型白噪聲，是對噪聲的兩個不同方面而言的，即對概率密度函數和功率譜密度函數而言的，不可混淆。

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Shannon公式的數學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，而且進入信道的干擾是可加性高斯噪聲。當信號通過信道，信道傳輸的信息量為信道的加性噪聲與信號相互獨立，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對通信造成危害信號只受到高斯噪聲(隨機噪聲，白噪聲)干擾的信道為信道輸出端信號y(t)的熵為噪聲源信號n(t)的熵如果令輸入信號x(t)的熵為，則由于輸出端包含了輸入信號與干擾噪聲，而且二者為相互統(tǒng)計獨立，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，設其帶寬為F。這樣，信道的輸入、輸出信號和噪聲都是限頻的隨即過程。又根據采樣定理，可以把一個連續(xù)的信道變換成時間離散的隨機序列信道來處理，即平穩(wěn)隨機序列信道可以等效成N個獨立的并聯信道，而各分信道都是一維線性高斯信道，如圖。由此得到時間連續(xù)的高斯信道信息傳輸量：又，當采用平穩(wěn)遍歷的隨即過程來描述信源的輸出時，對于確知的連續(xù)時間信號，可以通過采樣量化變換成離散時間信號來處理，故而根據采樣定理，對于頻帶受限的時間連續(xù)函數，應有N=2FT，N是在時間T內的采樣點數，所以上式又可寫為：單位時間內的信道容量或式中，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)計參量（信道容量）和實際物理量頻帶F，時間T，信噪功率比Ps/Pn聯系起來，它表明一個信道可靠傳輸的最大信息量完全由F，T，Ps/Pn所決定。★

信道容量Ct與信道寬度F的關系

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

加深認識以上分析表明：隨信噪比增大，信道容量增加，從信息有效的傳輸來看，信噪比是影響信道容量的一個重要指標。這可以理解為：因為噪聲小，信號電平可以小，這時可以采用較小的能量來傳輸信息，信道容量仍然可以很大。如果噪聲很大，使信道容量達到一定值，那么必須增加信號能量。例如，教師講課，背景噪聲為嘈雜省、低語聲、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，則單位時間內從口腔傳出的語符減少。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）信號信噪比最大系統(tǒng)?！?/p>

Shannon信道容量關系式的實際應用價值

（1）信道包含了多個環(huán)節(jié)，能量在傳輸過程中將會衰減，為保證信息能流最有效地傳遞，必須考慮環(huán)節(jié)之間的匹配問題，以獲得最佳耦合條件。（2）信道頻率特性與信息熵損失。（3）信道頻率特性與波形失真。通常，把實現了極限信息速率傳送（即達到信道容量值）且能做到任意小差錯率的通信系統(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”，卻沒有指出具體的實現方法。但這并不影響Shannon定理在通信系統(tǒng)理論分析和工程實踐中所起的重要指導作用。

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

對Shannon公式的進一步總結

（1）在給定F、Ps/Pn的情況下，信道的極限傳輸能力為Ct，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。這就是說，如果信道的實際傳輸速率大于Ct值，則無差錯傳輸在理論上就已不可能。因此，實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率。

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

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

傳感器與后繼環(huán)節(jié)的耦合以能量轉換型傳感器為例

★根據Shannon信道容量關系式，若保持信噪比最大，設計測試系統(tǒng)的一個原則是環(huán)節(jié)數盡可能少，另一個原則是環(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負載阻抗Zi=Ri+jXi負載獲得的功率為：分析表明，當復阻抗回路滿足條件|Zi|=|ZL|，并且相位角φi與φL的相位差為1800時，信息傳輸效率Ps最大。★對于純電阻回路這表明：傳感器傳給下一個環(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構有關，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ξg，當ag=1時，ξg＝1/4，為極大值，此時PL=PkE/4，即在最好的配合下，負載也只能得到PkE/4。這個比值顯然說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。PkE=E2/Ri

電勢E的短路功率ag=RL/Ri

匹配比傳感器信息變換有效系數變換系數ξg與匹配比ag的關系★波形失真問題三、信道頻率特性與波形失真●在通信工程中，通常用二進制矩形脈沖波傳輸信息，但傳輸過程中，作為物理性的媒質，不能急速地變化，而造成波形失真?！皲摻z繩突然斷裂時的應力變化過程。波形失真應力變化★波形失真表明系統(tǒng)的響應與激勵波形之差異。在動態(tài)測量中，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，也可進一步理解Shannon信道容量關系式的物理意義?！镄盘柕氖д姘ǎ悍凳д?、相位失真、頻率失真。對于線性系統(tǒng)而言，只存在幅值失真與相位失真?！?/p>

幅值失真——系統(tǒng)對信號中各頻率分量的幅度產生不同程度的衰減?！?/p>

相位失真——各頻率分量產生的相移不與頻率成正比關系，結果各頻率分量在時間軸上的相對位置產生變化?！緦嵗?/p>

壓電式加速度計測量機床振動●系統(tǒng)輸出譜為Y(ω)=H(ω)X(ω)，頻率響應函數H(ω)=|H(ω)|e-φ(ω)相當于一個加權系數，對源信號x(t)的譜X(ω)予以加權修正，在幅值上的加權系數為|H(ω)|，而相位則為φ(ω)。因為對信號中不同頻率分量ω1、ω3的幅值和相位的加權不同，產生波形畸變。信號經過傳感器后產生的波形失真●不產生失真的理想傳輸條件：幅-頻特性為常數，相-頻特性為線性，即y(t)=A0x(t-τ0)|H(ω)|=A0(ω

≤ωc)φ(ω)=ωτ0(ω

≤ω

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

只有當|H(ω)|=1時，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。這在實際中是無法實現的?！駥τ凇奥贰眮碚f，“大路兼顧了小路”，越寬越好；但對于信道來說，因為?；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的信息熵輸出信號的信息熵五、信噪比最大的信道設信噪比最大時所求信道的頻率特性為輸入信號的頻譜為輸出信號為

假定混入噪聲的譜是“白譜”，即對于所有頻率的幅度一定，僅相位不規(guī)則。這種白噪聲通過信道時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)的共軛函數即最難受噪聲影響的信道特性是其幅度與信號頻譜的相同；其相位相反，并且附加exp(-jωt0)的時間延遲的特性。進一步還可證明，波形失真最小，信噪比最大的信道的頻率特性為分析表明：當噪聲小，即|N(ω)|較小時，H(ω)以幾乎不變的平坦特性為最好；當噪聲大時，在噪聲頻譜大的地方，|H(ω)|必須減?。蝗绻肼暿恰鞍住钡?，對于頻率為一定的功率譜，信道的特性|H(ω)|大約與信號的頻譜幅度|X(ω)|相同。噪聲譜第三節(jié)信息傳輸過程中的干擾噪聲噪聲是在空間傳播的一種機械波。這里要研究的是電噪聲，它是信息科學的“天敵”。一、噪聲的物理根源及其耦合方式

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

近代信息技術，解決噪聲干擾問題是從兩方面入手:（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）研究電子設備的噪聲理論，采用優(yōu)質低噪元件及設備，或研究干擾技術，提供抑制噪聲干擾的措施。

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

（2）系統(tǒng)內干擾噪聲來自電子設備元器件內部，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)隨機無規(guī)則運動。熱噪聲——導體內電子作隨機而無規(guī)則的布朗運動，使導體兩端電壓起伏散粒噪聲——由物質流動的離散性產生。例如，陰極射線示波管中電子在陰極和陽極之間的流動，半導體中電子和空穴的流動等。產生平均電流的過程具有內在的統(tǒng)計變化，這種變化表現在平均值上下波動。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與測量電路之間存在共有阻抗Zc。幾種減小噪聲干擾的技術：靜電屏蔽——利用接地的良導體金屬包容測量系統(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干擾。如果屏蔽層接地，則可同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽作用接地——是對信號電壓有一個基準電位，一般信號源、電源及機殼等地線應聯在一起，并通過一點接地，以避免公共地線各點電位不均所產生的干擾浮置——與屏蔽接地相反，是使測量系統(tǒng)的某一部分或全部與地之間無直接聯系，以阻斷干擾電流的通路?！镅a充知識：靜電屏蔽

第二類空腔（金屬腔導體內部有帶電體）的靜電屏蔽。腔內q與內表面的感應電荷-q，對外部場的貢獻恒為零。若第二類空腔導體接地，且腔外無帶電體時，外表面上的感應電荷被大地電荷中和，所以不帶電荷。金屬空腔是零等勢體。若第二類空腔導體接地，且腔外有帶電體時，外表面上的感應電荷被大地電荷部分中和，所帶電荷的多少必須保證腔內、腔內表面、腔外表面以及腔外電荷在導體內產生的場強為零，即滿足靜電平衡條件。金屬空腔是零電位。U=0U=0+q–qQ+q’當第二類空腔導體接地時金屬空腔是零等勢體，由靜電場邊值問題的唯一性定理可以證明：此時殼內的任何電場都不影響外界，也不受外界影響。例如高壓設備都用金屬導體殼接地做保護，它起靜電屏蔽作用，內外互不影響。外界不影響內部不影響外界U=0q–qU=0Q+q’殼內外場互不影響

空腔導體殼接地與否，外界均對殼內電場無任何影響，外界不影響內部例如在電子