15、传感器、电子学与降噪技术解析

传感器、电子学与降噪技术解析

1. 智能传感器系统特性与基础需求

智能传感器系统的显著特性之一，是基于物理模型、原始传感器数据分析以及与其他传感器信息融合，实现对自身性能的自我感知。尽管这一能力看似极具未来感，但所需技术目前均已具备。不过，在 20 世纪末，仅有极少数传感器系统能进行有意义的感知处理。到 21 世纪末，所有传感器很可能都将具备自我评估甚至情境感知的能力。

要构建能从原始传感器数据中提取信号特征、匹配已知模式并预测模式运动的算法，必须具备扎实的传感器物理和电子噪声知识。传感器系统可分为电子接口、物理传感器和环境三部分，每部分都能进行物理建模，为预期信号背景噪声、信噪比（SNR）和信号特征置信度提供基线。

2. 电子噪声类型及影响

2.1 主要电子噪声类型

处理传感器系统的模拟电子设备时，需考虑四种主要电子噪声，以及信号屏蔽和接地问题。这四种基本噪声类型为：
- 热噪声 ：由导体和电阻中电子因温度产生的扰动引起，也被称为“约翰逊噪声”。Nyquist 给出了其均方根电压公式 (v_{rms}=\sqrt{4kTBR})，其中 (k) 为玻尔兹曼常数（(1.38\times10^{-23}Joules/^{\circ}K)），(T) 为绝对温度（(^{\circ}K)），(B) 为感兴趣的带宽（(Hz)），(R) 为电阻（(\Omega)）。热噪声结构是高斯随机过程，频谱呈白色。例如，室温（(290K)）下，一个 (1M\Omega) 电阻的加速度计设备在 (10kHz) 带宽内会产生约 (10\mu V_{rms}) 的热噪声。降低热噪声的方法包括在低温下运行电路或减小传感