RMS噪声越低越好吗？从频域角度理解位置测量带宽与滤波｜精密运动测量技术

比较位置传感器时，RMS噪声是工程师经常关注的一个指标。但如果两个数据手册分别写着：“0.X nm RMS”和“X nm RMS”，能不能直接判断前者性能更好？答案取决于它们的测试带宽。测量噪声包含不同的频率成分，而RMS值本质上与纳入统计的频率范围有关。扩大带宽，更多噪声成分可能进入测量；降低带宽，则可以通过滤除部分高频成分获得更低的RMS值。因此，讨论位置噪声时，带宽是不能被省略的条件。
一、测量噪声，不能只看一个数字即使被测对象保持静止，实际测量得到的位置值也可能存在微小的统计波动。描述这种噪声时，RMS（均方根）是一个常用指标，可以描述统计波动的有效强度，并用于比较不同测量或滤波配置。二、为什么带宽会影响噪声？测量中的噪声包含不同的频率成分。通过幅度谱密度（Amplitude Spectral Density，ASD），可以观察不同频率范围内的噪声特性，以及它们对整体噪声的贡献。https://fagao.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/uploads/editor/20260915/1789446070338227.png这也解释了为什么测量带宽会影响RMS噪声。当测量带宽增大时，更宽频率范围内的噪声成分会被纳入测量，并可能对最终的RMS噪声产生贡献。反过来，限制带宽则可以减少部分高频噪声的影响，从而降低测得的位置噪声。https://fagao.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/uploads/editor/20260915/1789446078946764.png所以，在比较不同的噪声参数之前，还应该考虑到：这些数据是在怎样的带宽和测量条件下得到的？如果条件不同，仅仅比较两个噪声数字，并不能完整反映实际的测量表现。三、滤波越强，数据就越好吗？既然降低带宽能够减少部分噪声，是否意味着滤波越强越好？低通滤波器（Low-pass Filter）可以让较慢的信号变化通过，同时衰减较高频率的成分。对于静态测量或缓慢运动而言，这可以降低位置噪声，让测量值更加稳定。https://fagao.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/uploads/editor/20260915/1789446087244629.png但滤波作用于整个测量信号。当被测对象发生快速运动、加速度变化或振动时，这些真实的位置变化同样可能包含较高频率的成分。如果滤波带宽设置得过低，它们可能受到衰减，或者在测量结果中出现延迟。因此，更平滑的位置曲线，并不意味着在所有应用中都代表更合适的测量结果。四、不同测量任务，需要不同选择对于静态位置测量或缓慢定位，更强的滤波可以帮助降低位置噪声。而对于连续或快速运动、高动态控制以及振动分析，则需要保留足够的带宽，以捕捉实际的位置变化。这也是SmarAct在精密计量中看待噪声的重要方式：最终的位置噪声并不只取决于传感器。从传感器产生信号，到模拟输入、数字处理、位置计算、滤波，再到最终的位置输出，整个信号链都会影响测量表现。https://fagao.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/uploads/editor/20260915/1789446098706103.png高精度测量真正需要关注的，并不是孤立地追求一个尽可能小的噪声数字，而是根据具体应用，在噪声、带宽、滤波和动态特性之间找到合适的平衡。https://fagao.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/uploads/editor/20260915/1789446113642157.png>以SmarAct的METIRIO®光学编码器为例，其用于高分辨率位置测量。针对不同应用需求，SmarAct可提供具有不同截止频率的低通滤波器，使测量配置能够面向不同的噪声和动态要求进行选择。从电子测量系统的角度看，最终输出的位置数据经历了多个环节：传感器信号 → 模拟前端 → ADC → 数字处理 → 滤波 → 位置计算。每个环节都可能影响最终的噪声和动态表现。低通滤波能够有效减少部分高频噪声，但它同时会改变系统的频率响应。如果截止频率过低，真实的高速位移或振动信号也可能受到衰减。因此，工程上更加有意义的问题不是“怎样获得最低RMS噪声”，而是：在应用需要的带宽范围内，系统能够做到多低的噪声？这一评价方式，比脱离带宽单独比较一个噪声数字更有实际意义。本文转载自公众号：SmarAct德国高精技术方案