噪声和噪声滤波

在高精度测量系统中，可实现的位置稳定性并不仅仅由传感器分辨率决定。整个信号链的噪声特性同样重要。理想的传感器信号在静止状态下应完全恒定，但在实际测量系统中始终会出现微小的统计波动。这些波动称为噪声，并会导致即使在被测对象静止时，也会输出略有差异的位置值。

在 METIRIO® 等光学编码器中，会生成模拟正弦和余弦信号，并通过相位计算从这些信号中确定位置。因此，这些信号中的波动会直接传递到计算得到的位置。由此产生的位置噪声不仅取决于读数头本身，还取决于后续的评估电子电路、数字化处理、位置计算以及可能的滤波级。

描述噪声时通常使用 RMS 值。它表示统计波动的有效强度，非常适合用于比较不同的测量配置或滤波配置。此外，有时也会给出峰峰值。但该值并不表示噪声的固定限值，而是取决于测量时间、带宽和采样率等因素。

噪声的频率成分

噪声由不同频率范围内的信号成分组成。除了例如可能由机械漂移或环境影响引起的低频成分外，也会出现较高频率的成分。因此，为了更准确地描述系统的噪声特性，通常会考察噪声谱密度。

图 1 以示意方式显示了特定频率成分对总噪声的贡献程度。RMS 值取决于测量信号中包含哪些频率成分。所考察的带宽越大，越多的噪声成分就可能对最终的 RMS 噪声产生贡献。这清楚地说明了为什么测量系统的带宽对观测到的噪声至关重要：如果采集更大的频率范围，更多噪声成分也可能对测量值产生影响。如果降低带宽，在许多情况下，可测量的噪声会下降。

图 1：幅度谱密度（ASD）的示意图。降低带宽会缩小对测得的 RMS 噪声产生贡献的频率范围。

滤波器及其作用

滤波器用于有针对性地降低信号中的特定频率成分。对于许多位置测量而言，低通滤波器尤为重要。它们允许缓慢的信号变化通过，并衰减高频成分。因此，在静止状态或缓慢运动时，可以显著降低位置噪声。

不过，滤波器不仅作用于噪声，也作用于整个测量信号。如果滤波带宽选择得过低，快速运动、加速度或振动可能会被削弱，或以延迟方式显示。此时，测得的位置虽然更加平稳，但可能不再完整反映实际运动。

因此，滤波的选择始终是在较低噪声和足够动态特性之间进行权衡。对于静态测量或缓慢定位任务，更强的滤波可能是有利的。相反，对于快速运动、高动态控制或振动分析，则必须保留更大的带宽。

作为整体系统的信号链

在高分辨率测量系统中，观测到的位置噪声由多个组件的相互作用产生。这些组件包括传感器、模拟输入级、数字处理、位置计算，以及必要时的其他滤波器。

图 2 显示了光学位置测量系统的简化信号链。由此产生的位置噪声并不仅由读数头决定，还受到可选模拟滤波、后续电子电路和位置输出的影响。根据集成方式，可能会使用不同的控制器、接口模块或附加滤波级。

图 2：光学位置测量系统的简化信号链。由此产生的位置噪声受 METIRIO® 读数头、可选模拟滤波、后续电子电路和位置输出的影响。

配置背景下的噪声值

因此，始终在相应配置的背景下考量噪声值非常重要。单个数值并不能自动描述传感器在每种应用中的性能。更准确地说，它表示在特定测量条件下、使用特定带宽和特定评估电子电路时所达到的噪声水平。

当传感器集成到闭环控制中时，这种系统性考量尤为重要。经过强滤波的位置信号可能看起来非常稳定，但同时也会影响控制的动态行为。因此，根据具体应用，需要对噪声、延迟、带宽和运动曲线进行综合优化。

面向应用的噪声滤波

最佳滤波方式取决于具体的测量任务。对于静止的轴，通常优先考虑尽可能高的位置稳定性。在这种情况下，降低带宽有助于减少高频噪声成分。相反，在连续运动中，滤波带宽必须足够高，以便在没有明显衰减的情况下采集位置变化。

对于振动或加速系统，需要特别谨慎。滤波器不仅会衰减特定频率成分，而且根据信号处理的结构，还可能影响动态行为。因此，应始终根据实际应用检查滤波器设置，尤其是在测量信号用于主动控制时。

图 3 显示了滤波作用在时域中的表现。对于静止的轴，未滤波的位置信号会围绕其平均值波动。低通滤波器会衰减快速信号成分，因此滤波后的信号看起来更加平稳。该图有意展示了噪声降低的效果。在动态应用中，还必须额外检查需要为运动、控制或振动分析保留哪一带宽。

图 3：时域中滤波作用的示意图。低通滤波可减少位置信号中的快速波动，从而降低可见的位置噪声。合适的滤波带宽取决于应用的动态特性。

作为测量架构一部分的噪声与滤波

因此，SmarAct Metrology 并不将噪声和滤波孤立地看待，而是将其视为整个测量架构的一部分。目标是使传感器技术、评估电子电路和信号处理相互协调，从而为相应应用实现分辨率、稳定性和动态特性的最佳组合。

METIRIO® 与高精度位置反馈

METIRIO® 是一款用于高分辨率位置测量的紧凑型光学编码器。

为了实现面向应用的集成解决方案，SmarAct 提供具有不同截止频率的低通滤波器，因此可将噪声滤波调整到适合静态测量、缓慢定位任务或具有更高动态特性的应用。

由此，可以根据具体应用对位置测量进行有针对性的调整——从稳定的静止测量到高动态控制过程。