[發明專利]一種運用噪聲非線性效應的低頻信號精密傳感測量方法

無效

• 申請號: 201110007361.5
• 申請日: 2011-01-14
• 公開（公告）號: CN102147265A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 龍長才
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01D3/032
• 分類號: G01D3/032;G01R33/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于精密測量領域，特別涉及一種低頻信號的傳感測量方法。

背景技術

在傳感測量中，有一類非線性傳感測量問題，其傳感關系是非線性的，當待測量超出一定范圍后，輸出進入飽和狀態，不再隨輸入量增加而增加。這類傳感器包括磁通門磁傳感器，力/電效應力傳感器，巨磁阻效應磁傳感器。目前處于研發熱點的微納與量子傳感器，則普遍具有極小的動態范圍而很快進入飽和狀態，它們均屬于這類傳感器。這類傳感器要實現人們所預期的功能，最為關鍵的問題是使其在一個相當大的動態范圍內有高的傳感靈敏度與測量精度。比如，只有靈敏度足夠的高，磁通門磁力計才能檢測到因潛艇存在引起的磁場分布的改變，這就要求其有0.1nT以下的分辨率，同時還要有地磁場強度(近10⁵nT場強)的動態測量范圍。因此，如何提高這類傳感器的靈敏度，并使其在高的分辨率下還有足夠高的動態范圍，一直是精密測量領域研究的熱點。

影響傳感器靈敏度的一個主要因素是噪聲。當待測量的變化很小時，這種微小變化就會被噪聲淹沒而檢測不到。噪聲主要來自環境的背景噪聲，和傳感器系統自身的噪聲。其中，來自傳感器自身的噪聲是一個最大的問題。如磁通門中，自身的噪聲主要是磁通門磁芯材料的巴克豪森效應噪聲，和周期性調制信號及電路自身的電噪聲。而微納與量子傳感器中，其內部熱噪聲則是突出的問題，并同時存在動態范圍過小的問題。

目前，處理噪聲的辦法有兩種：1、設法消除噪聲，2、采用周期性調制，再利用相關檢測從噪聲中提取待檢測信號。這也是目前國內包括磁通門在內的一類非線性傳感器所采用提高靈敏度的方法(丁鴻佳，隋厚堂磁通門磁力儀和探頭研制的最新進展，《地球物理學進展》2004年，第19卷第4期743一745；張瑞平，劉俊，劉文怡?高靈敏度的磁通門傳感器，《彈箭與制導學報》2005年，第25卷第1期246-248)。由于噪聲與調制信號相伴隨，這就使得現有采用調制方法降噪技術在進一步提高傳感器靈敏度上沒法見效。同時，使用調制技術的測量中，測量動態范圍受到傳感非線性飽和的限制而變得極為有限。因此，現有提高傳感器靈敏度的理論與技術已不能適應更高要求，尋求理論和技術上的突破是進一步提高非線性傳感器靈敏度的必要途徑。

隨機共振是近來發現的一種噪聲非線性現象，在這種現象中，信號通過非線性系統的傳輸可以因噪聲在一定范圍增加而改善。這種噪聲的非線性效應被認為是提高信號檢測靈敏度的一種新途徑而被嘗試。但是，已有隨機共振理論與方法中，噪聲對信號的增強效應只發生在被傳輸(傳感)信號小于非線性系統閾限的情況，對于閾上信號則沒有隨機共振(Wellens?T，Shatokhin?V，Buchleitner?A?Stochastic?resonance??Reports?on?Progress?in?Physics，2004，v67，n1，45-105)。象磁通門等這類進入飽和區的非線性傳感器信號基本在閾上，按照現有隨機共振理論，在這類傳感器噪聲并不能增強檢測效果。近年，N.G..Stocks等在非線性陣列的信號傳輸中發現閾上隨機共振現象，發明人也對噪聲在某些非線性系統的閾上信號傳輸中的積極效應進行發掘(Wang?Ren-Guo，Long?Zhang-Cai?Suprathreshold?stochastic?resonance?in?a?single?comparator?Chinese?Physics?Letters，2007，v?24，p?275-8)。在此研究的基礎上，我們對這類非線性傳感器的輸出作進一步積分后發現，低頻信號激勵時積分輸出的信息傳輸，即使是在閾上信號傳輸時仍有隨機共振發生。即，這類傳感器的積分輸出中低頻被測信號可以通過加適當噪聲而得到恢復，傳感信號可以因噪聲的加入而得到改善。基于這一研究，本發明提出了一種運用噪聲在非線性傳感器中的非線性效應實現對閾上低頻信號的高靈敏度傳感檢測方法。

發明內容

本發明的目的在于針對精密測量領域大量存在的采用消除噪聲提升精度的方法所面臨的困難，提出一種基于噪聲非線性效應的信號測量方法。該方法不通過消除噪聲，而是利用噪聲的某些有益效應，甚至是人為加入噪聲，達到測量精度最優化，同時提高傳感器的動態測量范圍的目的。尤其是該方法增加的附加積分運算，使其克服了現有隨機共振理論只能通過噪聲增加閾下信號傳輸的局限，解決通過噪聲增強非線性傳感中閾上信號的檢測問題。

為解決上述技術問題所采用的具體技術方案如下：

(1)在傳感器輸入的待測信號中加入噪聲，獲取有噪聲驅動的傳感器輸出信號。