微弱直流信号测量系统中的噪声与误差

李国强

（哈尔滨中庆燃气有限责任公司，哈尔滨 150001）

在当前的技术手段下，几乎所有的微弱信号测量领域都是将物理量信号转变为电信号后方可处理，这种电信号多数情况下属于直流信号。微弱信号不仅是幅值相对较为微弱，也可能受到其他噪声的影响而被忽略。在进行直流微弱的测量过程中，接触电势、温差电势等变化都会对其产生影响。对这一问题必须要客观对待，进行深入分析。

1 电子测量系统中的噪声

1.1 电阻的热噪声

电阻是有一定的使用寿命的，使用一段时间后，电阻会老化，即使将其静置，在其两端也会有噪声电压出现，也就是俗称的约翰逊噪声，产生的原因是由于电阻内部的电子不规则热动。其产生电压如下：Vrm s=（4KTRB）1/2。其中，K所表示的是波尔兹曼常数，T表示的是绝对温度，B表示的则是测量带宽，R是电阻。可以采用低地阻达到减少噪声的目的。

1.2 与噪声接触

导体在互相接触的时候，受到接触面的电导变化而出现不同的电压，与频率成反比，一般我们称其为1/f噪声。从测量的数据来看，可以用Pf=KI2ln（fh/fl）表示接触的噪声功率，k为常数，I是电流平均值，fh表示测量频段上限，而fl则是下限。

从这一表达式可以看到，所接触的噪声都可归类为有色噪声，但同样预见性较差，幅值同样呈高斯分布。接触噪声频率较低的时候，功率密度也会增加，当其趋向零的时候，幅值接近常数。如果频率超过某个标准，其噪声可以被忽略。为了降低这一过程中的噪声危害，尽量要选取相同材质的材料，降低通过的平均电流。

1.3 工频噪声

工频网的存在使工频电压、电流以不同的方式进入到测量的系统中，进而对测量的准确性产生一定影响。处理工频噪声必须要结合其他谐波的噪声共同研究，一同解决，对此，必须要做好接地工作，保护环境，加强屏蔽。

1.4 散射噪声

通常情况下的电流就是指离散的电荷流，并不是真正意义的电流，受到电荷量有限性的影响，使得电流统计学出现变化，如果没有互相影响的情况，则可以将电流波动表示如下：Inrm s=（2q IdcB）1/2，q是电子电荷量，B是测量带宽赫兹，Idc是电流的平均值。散热噪声可以归类为高斯分布的白噪声，采用滤波处理。

1.5 振动噪声

在测量电子系统振动的过程中，可能会导致摩擦电、压电效应变形而导致的分布参数变化等噪声，对振动噪声可以采取低噪声电缆进行抑制。

1.6 爆裂噪声

从其产生的原因来看，是由于流过PN结电流突然变化，同时半导体的杂质随机发射也可能导致爆裂噪声。如果利用声音放大装置将其放大，会呈现类似爆米花的声音。该噪声属于电流型噪声，因此，只要减小电阻就可以在一定程度上避免这一噪声。

2 测量微弱直流信号系统中产生的误差

2.1 热电势

这是所有影响因素中最为重要的因素之一，热电势受到接触电势与温差电势的共同作用而产生，可以分为接触电势与温差电势两类。第一，接触电势。一般情况下，这一反应被称为帕尔贴效应，是由两种不同的导体内部电子密度差在接触面上发生扩散而导致的，受到温度影响较为明显。在进行测量的过程中，如果遇到金、银、铅、铜等，接触电势就会产生。第二，温差电势。同一导体的两端温度差异十分明显，处于高温端的电子会向低温端移动，也称为汤姆逊效应。由于温度场的分布不均，元器件内外温度的变化，不同区域温度不同就会产生温差电势。由此可见，当铜质材料连接状况不佳，或是有被腐蚀的可能，就会影响到微弱信息的测量准确性。为了降低这一负面影响，可以选择同材质的连接材料，降低热源温度，减少误差。

2.2 电化学电势

电子测量系统部件的表面如果有焊渣，使用者的手上有汗渍或者是潮湿的情况下，在其表面都会有电解质驻留，同时受到系统大量导体存在的影响，就会产生电化学电势，与热电势相同，便于消除，但信号输入回路的电化学电势影响消除难度较大，所以应尽量保持表面干燥，避免超时，也可做喷涂设置。

2.3 介质吸收

当在电介质两端施加电压后，其内部会出现极化反映，如果来自外部的电压消失，那么内部的极化反映就会消失，这段时间内的电压会影响测量的结果，为了降低这一影响，可以采用相对效应较小的原材料。

2.4 电路放大失调导致的误差

经过放大器处理后，无法达到匹配，一定会导致失调电压与失调电流，流经的电阻也会出现变化。运算放大器的失调信号在多数情况下要大于被测的微弱信号，同时这一失调信号会受到时间与温度的影响，这就要求在直流微弱信号测量过程中尽量选择低失调、低温度的运放。

2.5 其他误差

除了上文中提到的误差，还有电源误差、共模误差与增益误差等，对此必须要加强管理，提高控制水平，方可降低误差，提高测量的准确性。

3 结语

在测量微弱信号的过程中必须要格外小心，由于被测的微弱电压信号可能只有μV级甚至nV级，被测微弱电流信号可能只有pA级甚至fA级，如果信号降低到一定的程度，必须要将所有的影响因素考虑其中，最大限度地降低外界因素对其的影响，减小误差，提高测量的精确度，保证测量的准确性。

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