噪聲的定義與分類
最初人們把導致收音機這類音響設備所發(fā)出噪音的那些隨機電子信號，稱為噪聲。后來人們逐步擴大了噪聲的概念，將隨機電子信號和外部干擾信號一起稱作噪聲，指目標信號以外的所有信號，即不期望在系統(tǒng)中存在的信號的總稱。之后人們發(fā)現(xiàn)，在一些存在著周期性激勵信號的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的參數(shù)會隨著時變激勵信號發(fā)生一定程度的改變，導致寄生于激勵信號頻率附近的噪聲，這種噪聲被稱為時域抖動或者相位噪聲。通常我們講的噪聲指的是狹義噪聲，即噪聲源自于系統(tǒng)本身的隨機電子信號，又稱隨機噪聲，屬于系統(tǒng)的本征噪聲。來源于系統(tǒng)參數(shù)與外部周期激勵源相互作用的噪聲，屬于系統(tǒng)的非本征噪聲，與隨機噪聲一起被稱為系統(tǒng)的內部噪聲。對應于內部噪聲，系統(tǒng)外部干擾被稱為環(huán)境噪聲或者外部噪聲，指的是噪聲源于系統(tǒng)外部，但作用于系統(tǒng)，并直接對系統(tǒng)中的信號或者對系統(tǒng)的參數(shù)產生顯著影響的變量。各種噪聲的存在降低了被測信號的質量和可信度，因此通過抑制干擾、降低噪聲等手段提高信號質量是信號探測、處理與傳輸中的重要研究內容。

去除噪聲的方法

噪聲測試是鑒定信號探測、處理及傳輸系統(tǒng)性能的一種有效方法，能夠用于優(yōu)化系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設計。分離各類噪聲之后，通過對系統(tǒng)內部不同元件、材料在不同條件下的噪聲測試，比較各項特性參數(shù)的變化，可以分析噪聲來源和強度，進而選擇合適的材料、元件和設計方法，降低系統(tǒng)噪聲水平，提高系統(tǒng)總體性能。

√對干擾可以采取屏蔽、雙絞、差分、濾波等方法抑制

a.屏蔽可以通過電磁屏蔽、數(shù)模地分離、地線隔離等方法實現(xiàn)；

b.四階差分法算法可以通過差分和濾波分別從時域和頻域有效降低干擾。

√對于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的電子噪聲，可以建模計算等方式分類，針對各項噪聲的起源，分別優(yōu)化。

噪聲是影響傳感器精度的關鍵指標

我們以非晶絲為敏感元件、巨磁阻抗（GMI）效應為原理的傳感器為例，闡述從材料出發(fā)優(yōu)化敏感元件本征噪聲對于制作高精度磁場傳感器的重要性。

精度是指傳感器測量值與真實值之間的差值。

靈敏度一般是指傳感器在穩(wěn)定工作時，輸出量變化，，與輸入量變化，，的比值。以電壓作為輸出的磁場傳感器的靈敏度的單位通常是伏特每特斯拉，V/T。傳感器將磁場變化轉換為電信號的這種能力通常被稱為轉換系數(shù)Tr。

分辨率是指傳感器可探測到的物理量的最小變化數(shù)值，即被測量變化多少才能引起傳感器敏感元件的輸出響應。對于磁場傳感器，如果被測磁場的變化量小于磁敏元件自身的噪聲，磁敏元件是無法輸出響應信號的。因此可以說磁敏元件的本征噪聲決定了傳感器對最小磁場變化量的分辨能力?；诜蔷к洿藕辖鸩牧系拇琶粼谋菊髟肼暸c材料中的多個物理參數(shù)有關，這些物理參數(shù)在材料生產制備過程中，可以通過適當?shù)耐嘶鸱椒ㄟM行優(yōu)化。

提高分辨率是提升精度的必要條件。如果噪聲是傳感器的本征噪聲，那么分辨率低，但是精度高的這種情況是不可能發(fā)生的。因此對磁敏元件本征噪聲的測試與優(yōu)化是制作高精度磁場傳感器的最關鍵步驟。同時，傳感器中敏感元件后端的信號調理電路中的系統(tǒng)誤差（電路噪聲）也需要分析并優(yōu)化，使其遠低于敏感元件的噪聲水平。信號調理電路中元器件電子噪聲的優(yōu)化主要通過選擇正確的型號以及器件類型實現(xiàn)。

非晶絲GMI敏感元件的轉換系數(shù)Tr

非晶材料（絲、帶、薄膜）在交變勵磁場的作用下，其磁特性會隨外磁場發(fā)生變化。巨磁阻抗效應，是指磁敏元件兩端的阻抗隨磁場的變化的一種現(xiàn)象。因為磁敏元件受到一個幅值恒定的交流激磁電流iac的驅動，我們可以將磁敏元件的轉換系數(shù)Tr定義為磁敏元件兩端的電壓隨被測磁場的變化。隨后經(jīng)過信號調理電路的濾波、檢波、整形、放大等環(huán)節(jié)，得到傳感器的輸出信號VOUT，這個輸出信號可以表征被測磁場的幅值及相角等信息。在開環(huán)狀態(tài)下工作的GMI傳感器中非晶軟磁合金材料的阻抗隨直流場的變化通常是非線性的，因此需要施加一個偏置磁場H_φ0使其工作在最佳工作點處。工作在開環(huán)狀態(tài)下的傳感器的電路具有以下優(yōu)點：

√可以直觀的觀察與測試磁敏元件的轉換系數(shù)Tr

√可以測試磁敏元件本征噪聲隨非晶絲各項參數(shù)變化的情況

基于非晶絲磁敏材料的巨磁阻抗磁場傳感器的轉換系數(shù)Tr與激勵電壓Vac，材料的飽磁感應強度MS，線徑a，有效磁導率uT(HZ0，Hk ，β，θ，ω), 交流螺旋各向異性場 Hk ，Hk軸向夾角β, 直流磁化方向與軸向的夾角θ（Hz0）有關。根據(jù)計算，激磁頻率f0~10MHz時，鈷基非晶線的轉換系數(shù)Tr的量級在5~15kV/T。具體計算可參考附件1。

非晶絲GMI敏感元件的本征噪聲

本征噪聲由兩部分組成：

√等效電阻的熱噪聲：

√磁化過程中的熱擾動引起的熱磁噪聲 ：

通常情況下，熱磁噪聲與轉換系數(shù)Tr，飽和磁感應強度MS, 線徑a, 線長l, 有效磁導率uT(HZ0 ，Hk，β, θ, ω), 交流螺旋各向異性場Hk , β, θ(Hz0)有一定關系。在一定條件下，轉換系數(shù)增大，同時非晶絲GMI敏感元件中的熱磁噪聲也會增大。

具體計算參考附件2。

文章轉載自《非晶中國》