نویز یک ویژگی ذاتی سنسور است و به تغییرات یا نوسانات ناخواسته در سیگنال خروجی اشاره دارد که به سیگنال ورودی مربوط نمی‌شود. نویز بیانگر مولفه‌های تصادفی یا نامطلوبی است که می‌توانند با درستی و قابلیت اطمینان اندازه گیری سنسور تداخل داشته باشند. درک و مدیریت نویز برای به دست آوردن داده‌های دقیق و معنادار از سنسورها ضروری است.
چرا نویز در سنسورها مهم است؟
نویز در سنسورها بسته به کاربرد آنها، می‌تواند پیامدهای مثبت و منفی داشته باشد. در اینجا چند دلیل از دلایل اهمیت نویز در سنسورها را با هم بررسی میکنیم:
حساسیت
نویز در یک سنسور می‌تواند حساسیت آن را به تغییرات کوچک در سیگنال اندازه گیری شده نشان دهد. در برخی کاربردها، مانند آزمایش‌های علمی یا تشخیص‌های پزشکی، توانایی تشخیص تغییرات جزئی یا سیگنال‌های سطح پایین بسیار مهم است. نویز به سنسور اجازه می‌دهد تا این تغییرات ظریف را که ممکن است اطلاعات مهمی را حمل کند، ثبت کند.
گستره دینامیکی
نویز بر محدوده دینامیکی سنسور که محدوده دامنه سیگنالی است که سنسور می‌تواند به دقت اندازه گیری کند، تأثیر می‌گذارد. وجود نویز حد پایینی را برای سیگنال‌های قابل تشخیص تعیین میکند. یک سنسور با نویز بسیار کم ممکن است بتواند سیگنال‌های بسیار ضعیفی را دریافت کند، دامنه دینامیکی آن را گسترش داده و آن را برای طیف وسیع تری از کاربردها مناسب کند.
نسبت سیگنال به نویز (SNR)
SNR اندازه گیری میزان قدرت سیگنال مطلوب در مقایسه با قدرت نویز ناخواسته است. SNR بالاتر نشان دهنده اندازه گیری قابل اعتمادتر و دقیق‌تر است. با درک ویژگی‌های نویز یک حسگر، مهندسان می‌توانند سیستم‌هایی را برای بهینه سازی SNR و افزایش کیفیت کلی داده‌های اندازه گیری شده طراحی کنند.
کالیبراسیون و دقت
نویز در کالیبراسیون سنسورها نقش دارد و به تعیین سطح پایه یا صفر خروجی سنسور در غیاب سیگنال اندازه گیری شده کمک میکند. با تجزیه و تحلیل ویژگی‌های نویز، مهندسان می‌توانند روند کالیبراسیون را مشخص کرده و از اندازه گیری‌های دقیق سنسور مطمئن باشند.
تجزیه و تحلیل خطا
تحلیل نویز برای تخمین خطا و محاسبات عدم قطعیت ضروری است. نویز به مولفه خطای تصادفی در اندازه گیری کمک میکند. درک ماهیت و بزرگی نویز امکان ارزیابی بهتر عدم قطعیت‌های اندازه گیری‌های سنسور را فراهم میکند و به تجزیه و تحلیل آماری کمک میکند.
با این حال، شایان ذکر است که نویز بیش از حد نیز می‌تواند نامطلوب باشد. سطوح بالای نویز می‌تواند دقت، صحت و قابلیت اطمینان سنسور را کاهش دهد. بنابراین، مهندسان در تلاش برای ایجاد تعادل با به حداقل رساندن نویز و در عین حال حفظ حساسیت و محدوده دینامیکی کافی برای کاربرد مورد نظر هستند.
منابع نویز در سیگنال های سنسور
نویز در سیگنال سنسورها می‌تواند از منابع مختلفی از جمله قطعات الکترونیکی، عوامل محیطی، محدودیت‌های ذاتی در طراحی سنسور و… ناشی شود. منابع رایج نویز شامل نویز حرارتی، تداخل الکترومغناطیسی، نویز شات و نویز محیطی است.
نویز حرارتی: این نویز که به عنوان نویز جانسون-نیکوئیست یا نویز سفید نیز شناخته می‌شود، به دلیل نوسانات تصادفی جریان الکتریکی در حسگر به دلیل انرژی حرارتی ایجاد می‌شود. در واقع نویز جانسون-نیکوئیست نوعی نویز الکترونیکی است که از حرکت تصادفی الکترون‌ها در یک رسانا در دمای غیر صفر به وجود می‌آید. در تمام مدارهای الکترونیکی وجود دارد و با افزایش دما افزایش می‌یابد و می‌تواند عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی را محدود کند.
2. نویز فلیکر: نویز فلیکر که به عنوان نویز 1/f یا نویز صورتی نیز شناخته می‌شود، یک نویز با فرکانس پایین است که اغلب در دستگاه‌های الکترونیکی از جمله سنسورها مشاهده می‌شود.
برخلاف نویز سفید که دارای چگالی طیفی توان مسطح در تمام فرکانس‌ها است، نویز فلیکر چگالی طیفی توانی دارد که با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد.
این بدان معناست که نویز فلیکر در فرکانس‌های پایین برجسته‌تر است و با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. نویز فلیکر توسط مکانیسم‌های مختلفی در دستگاه ایجاد می‌شود.
این مکانیسم‌ها معمولاً به خواص فیزیکی دستگاه مربوط می‌شوند و بسته به نوع سنسور می‌توانند متفاوت باشند.
تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی است که بر خروجی سنسور تأثیر می‌گذارد.
نویز Shot ناشی از ماهیت مجزای بارهای الکتریکی است که در مدار جریان دارد.
نویز محیطی می‌تواند توسط عواملی مانند ارتعاشات، نوسانات دما یا تشعشعات الکترومغناطیسی ایجاد شود.
چگونه اثرات نویز راکاهش دهیم؟
چندین تکنیک برای کاهش اثرات نویز در اندازه‌گیری‌های سنسور استفاده می‌شود. در اینجا چند روش متداول از این تکنیک‌ها، به طور خلاصه آورده شده است:
میانگین گیری سیگنال
انجام چندین اندازه گیری و میانگین گیری آنها به کاهش نویز تصادفی کمک می کند. از آنجایی که نویزها به طور کلی ناهمبسته اند، میانگین گیری می تواند به طور موثر اثرات آن را خنثی کند.
فیلترینگ
برای حذف فرکانس‌های ناخواسته از داده‌های سنسور، از فیلترهای سیگنال استفاده می‌شود. فیلترهای پایین گذر می‌توانند نویز فرکانس بالا را کاهش دهند و فیلترهای میان گذر می‌توانند محدوده فرکانس خاصی را جدا کنند.
استفاده از محافظ و زمین
محافظت از سنسور در برابر منابع تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و اطمینان از اتصال زمین مناسب می‌تواند نویز ناشی از عوامل خارجی را کاهش دهد. قرار دادن سنسور در قفس فارادی یا استفاده از کابل‌های محافظ می‌تواند به به حداقل رساندن EMI کمک کند.
کالیبراسیون
کالیبراسیون منظم سنسور می‌تواند خطاها و جابجایی‌های سیستماتیک را در طول زمان نشان دهد. با مقایسه قرائت سنسورها با مراجع مشخص، می‌توانید فاکتورهای تصحیح کننده را برای بهبود دقت اندازه گیری‌ها اعمال کنید.
نمونه برداری‌های مکرر و میانگین گیری
افزایش نرخ نمونه با نمونه برداری‌های مکرر از خروجی سنسور و سپس میانگین گیری چندین نمونه می‌تواند به کاهش نویز کوانتیزاسیون، به ویژه در فرآیندهای تبدیل آنالوگ به دیجیتال کمک کند.
تکنیک های کاهش نویز
تکنیک‌های مختلف پردازش سیگنال دیجیتال، مانند فیلترینگ adaptive، حذف نویز wavelet یا تحلیل فوریه، می‌تواند برای کاهش نویز در اندازه‌گیری‌های حسگر به کار رود.
کنترل محیطی
عوامل محیطی مانند نوسانات دما، ارتعاشات یا میدان‌های الکترومغناطیسی را که می‌توانند باعث ایجاد نویز شوند باید به حداقل رسانده شوند.
موقعیت و جهت قرار گیری سنسور
موقعیت و جهت سنسورها را طوری تنظیم که حساسیت آنها به سیگنال مورد نظر به حداکثر و تداخل منابع نویز به حداقل برسد.
توجه به این نکته مهم است که مناسب‌ترین روش کاهش نویز به ویژگی‌های خاص سنسور، منبع نویز و الزامات پروژه بستگی دارد. آزمایش، تجزیه و تحلیل و درک ماهیت نویز به تعیین بهترین رویکرد برای موقعیت خاص شما کمک میکند.
و در نهایت باید بگوییم که میزان نویز قابل قبول بستگی به کاربرد خاص سنسور و دقت مورد نیاز در اندازه گیری‌ها دارد. در برخی موارد، سطح نویز کم بسیار مهم است، در حالی که در برخی دیگر، نویز ممکن است در محدوده خاصی قابل تحمل باشد. درک ویژگی‌های نویز یک حسگر، از جمله توزیع طیفی و بزرگی آن، برای انتخاب یک سنسور مناسب برای یک کاربرد معین و بهینه سازی اندازه گیری بسیار مهم است.