传感器的噪声传感器的噪声，你听到过吗？｜微课堂

发布时间：2024-10-09 05:10:24

传感器的噪声，你听到过吗？｜微课堂

收音机这类音响设备在播放声音时，会伴随一些噪音，导致产生噪音的是设备内部的随机电子信号。之后人们逐步扩大噪声的概念，将目标信号以外的所有没有用的信号，即不期望在系统中存在的信号，随机电子信号和外部干扰信号，统称为噪声。

传感器中噪声的分类 我们通常讲的噪声指的是狭义噪声，即噪声源自于系统内部随机热运动产生的随机电子噪声，属于系统的本征噪声，又称随机噪声。而在研究中发现，在一些存在着交变信号的系统中，系统的参数会随着信号的周期性变化发生一定程度的改变，由此在交变信号频带周围产生的噪声，属于系统的非本征噪声，被称为边带噪声。随机噪声与边带噪声统称为系统的内部噪声。当一种源于系统外部，但作用于系统，并对系统中的信号或者对系统的参数产生显著影响的干扰，被称为环境噪声或者外部噪声，属于系统的非本征噪声。各种噪声的存在降低了被测信号的质量和可信度，因此通过抑制干扰、降低噪声等方式提高信号质量，是信号探测、处理与传输中的一项重要研究内容。

如何去除 磁场传感器中的 噪声目前可以通过噪声检测鉴定信号，探测、处理及传输系统的性能，优化系统各环节的设计。具体通过分离各类噪声源，对系统内部不同元件、材料在不同条件下，进行噪声测试，分析噪声来源和权重，进而选择合适的材料、元件和设计方法，降低系统的总体噪声水平，提高系统性能。

•抑制非本征噪声

a.通过电磁屏蔽、数模地分离、地线隔离等方法降噪；b.通过差分和滤波技术，分别从时域和频域降噪。

•优化本征噪声

针对不同类型磁场传感器中各项噪声的起源，通过建模计算等方式分类，分别优化噪声，从材料和元器件层面优化总体噪声水平。

图1 几种典型磁场传感器（来源：网络）优化本征噪声提高磁场 传感器 精度的案例 一、巨磁阻抗非晶磁场传感器 巨磁阻抗磁场传感器，通过磁芯材料阻抗对磁场信号的巨幅响应，将被测低频磁场信号转变为MHz频段载波信号频率附近的边带信号，之后经过信号调理电路的滤波、检波、整形、放大等环节，输出可以反映被测磁场幅值、相角等信息的电信号。科研人员通过建模对巨磁阻抗非晶线磁场传感器的输入端等价磁场噪声功率谱密度进行计算，分析传感器和调理电路中各项噪声的起源，推断出主要噪声源来自于调理电路。后续根据上述主要噪声源的研究结论，对调理电路的噪声进行针对性优化研究，在10Hz处检测到10pT/√Hz数量级的传感器本征噪声，噪声源被认定为来自于钴基非晶合金线中的热磁损耗噪声。二、磁致伸缩非晶 / 压电单晶叠层式磁场传感器 磁致伸缩非晶/压电单晶磁场传感器是通过磁致伸缩效应将低频微弱磁场信号转变为非晶条带中的弹性形变，弹性形变通过机械耦合层的传导到压电材料上，进一步通过压电效应将形变转变为相应的电信号。科研人员将“波动-损耗”噪声理论应用于梅森型“磁-弹-电”等价电路模型，分析传感器中各种噪声源的权重，通过与检测到的噪声功率谱密度进行对比，确认磁致伸缩/压电磁场传感器中非晶合金软磁材料中的噪声权重可以忽略，传感器中的主要噪声源于压电材料。之后通过优化铌镁钛酸铅压电单晶的性能，将1Hz频率处的噪声功率谱密度降至1~10pT/√Hz。虽然对小于0.1Hz的准静态和10Hz频率附近的超额噪声还没有完整的解释，但传感器中的主要噪声已确认为源于压电单晶片。当待测磁场信号小于敏感元件自身的噪声水平时，磁场传感器中的敏感元件无法输出有效的信号响应。由此敏感元件的本征噪声决定了传感器对磁场变化量的分辨能力。非晶合金软磁材料在交变励磁场的作用下，各项磁性参数随交变外磁场发生变化，因此非晶合金材料的软磁性能决定了磁场传感器中的磁噪声、转换系数等物理量。通常情况下，磁性敏感元件中的转换系数和噪声性能曲线存在着倒易关系，转换系数增大时，本征噪声性能降低。与传感器本征噪声相关的大部分参数，可以在非晶软磁合金的制备过程或者后续退火过程中进行调整，优化传感器的总体噪声水平，提高传感器的灵敏度和分辨率。除此之外，对传感器中敏感元件后端的信号调理电路中的噪声进行分析与优化，使其低于磁性敏感元件的噪声水平，也一种提高传感器的精度的方法，但仍需半导体、微电子领域的深入研究。

引用论文：

[1] L. Ding, S. Saez, C. Dolabdjian, L. G. C. Melo, A. Yelon and D. Menard, "Equivalent Magnetic Noise Limit of Low-Cost GMI Magnetometer," in IEEE Sensors Journal, vol. 9 , p. 159, 2009. doi:10.1109/JSEN.2008.2011067.

[2] B. Dufay,S. Saez, C. P. Dolabdjian,A. Yelon and D. Menard, "Characterization of an Optimized Off-Diagonal GMI-Based Magnetometer,"in IEEE Sensors Journal,vol.13,p.379,2013.doi:10.1109/JSEN.2012.2216521.[3] X. Zhuang,C. Cordier, S. Saez,M. Lam Chok Sing, C. Dolabdjian, J. Gao, J. F. Li,and D. Viehland，"Theoretical analysis of the intrinsic magnetic noise spectral density of magnetostrictive-piezoelectric laminated composites"in Journal of Applied Physics,vol.109,p.124521,2011.doi:10.1063/1.3594714.[4] Yaojin Wang,Jiefang Li,D. Viehland,"Magnetoelectrics for magnetic sensor applications: status, challenges and perspectives" in Materials Today,vol.17,p.269, 2014. doi:org/10.1016/j.mattod.2014.05.004.语引导语引导语导语引导语引导语以上内容由 电磁辐射与探测技术院重点实验室庄鑫 提供。

电路设计中传感器电路内部的七大噪声分析

电路设计是传感器性能是否优越的关键因素，由于传感器输出端都是很微小的信号，如果因为噪声导致有用的信号被淹没，那就得不偿失了，所以加强传感器电路的抗干扰设计尤为重要。在这之前，我们必须了解传感器电路噪声的来源，以便找出更好的方法来降低噪声。总的来说，传感器电路噪声主要有一下七种：

低频噪声

低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻，其碳质材料内部存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。

半导体器件产生的散粒噪声

由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时，N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。

高频热噪声

高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高，电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。以一个1kΩ的电阻为例，如果电路的通频带为1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时，其输出噪声可达4V，这时对电路的干扰就很大了。

电路板上的电磁元件的干扰

许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件，在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量，其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作，通断电时会产生瞬间的反向高压，形成瞬时浪涌电流，这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击，从而严重干扰电路的正常工作。

晶体管的噪声

晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb所产生的噪声是主要的。

通常所说的BJT中的电流，只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动，会产生散粒噪声。

由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。

电阻器的噪声

电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻，可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。一般来说，寄生电容为0.1～0.5pF，寄生电感为5～8nH。在频率高于1MHz时，这些寄生电感电容就不可忽视了。

各类电阻都会产生热噪声，一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时，在频带宽度B内所产生的热噪声电压为：

式中：k为玻尔兹曼常数；T是绝对温度(单位：K)。热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数，因此，它的频率范围是很宽广的。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。

另外，电阻还会产生接触噪声，其接触噪声电压为：

式中：I为流过电阻的电流均方值；f为中心频率；k是与材料的几何形状有关的常数。由于Vc在低频段起重要的作用，所以它是低频传感器电路的主要噪声源。

集成电路的噪声

集成电路的噪声干扰一般有两种：一种是辐射式，一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至100MHz以上。在实验室中，可以用高频示波器(100MHz以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形，会看到噪声尖刺峰-峰值可达数百毫伏甚至伏级。

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