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儀器儀表的可靠性分析及抗干擾設(shè)計
核心提示： □李傳偉性進(jìn)行了分析，闡述了干擾儀器儀表正常工作的因素并對其作了詳細(xì)分析，針對具體問題提出了具體的解決和預(yù)防措施，為提篼儀器儀表可靠性提供了依據(jù)。 在工業(yè)生產(chǎn)中，儀器儀表使用過程中有時會發(fā)生故障
□李傳偉性進(jìn)行了分析，闡述了干擾儀器儀表正常工作的因素并對其作了詳細(xì)分析，針對具體問題提出了具體的解決和預(yù)防措施，為提篼儀器儀表可靠性提供了依據(jù)。
在工業(yè)生產(chǎn)中，儀器儀表使用過程中有時會發(fā)生故障。運(yùn)用概率統(tǒng)計的方法對其進(jìn)行定性分析，可以發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)在規(guī)律，從而提高儀器儀表的可靠性。
1儀器儀表的可靠性分析儀器儀表的可靠性是評價其質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。可靠性用概率表示時稱為可靠度，就是在規(guī)定的時間和規(guī)定使用條件下，*地發(fā)揮運(yùn)行功能的概率。
我們可以從理論和實(shí)際兩方面對可靠度進(jìn)行分析1.1理論可靠度分析設(shè)可靠度為R，不可靠度為F），則有R（t）+F（=l（1）（對時間微分，可得故障發(fā)生的時間概率，即故障密度函數(shù)為由此得故障率為（3）故障率A（表示在時間內(nèi)尚未發(fā)生故障的可靠度RG）在下一單位時間內(nèi)可能發(fā)生故障的條件概率。
在理論上，正常使用狀況下，故障率A（t）是不隨時間而變化的，A（=A=常數(shù)，因而對（3）式積分可得1可見，隨著使用時間的延長，儀器儀表的可靠性是下降的，在安裝初期可靠性zui高。
理論可靠性曲線1.2實(shí)際可靠度分析實(shí)際與理論差別很大。在實(shí)際應(yīng)用中，我們看到儀器儀表往往在安裝后短時間內(nèi)出現(xiàn)故障很多；然后在較長一段時間內(nèi)相對穩(wěn)定，故障少；在zui后―段時間內(nèi)故障又大幅增加，儀器儀表可靠性下降。
經(jīng)過總結(jié)，可靠性特性曲線發(fā)生變化，如所示。
實(shí)際可靠性曲線由可看出，其特性曲線共分為三段。
在儀器儀表安裝運(yùn)行初期即~時間內(nèi)，儀器儀表可靠性較差。分析可知，此時之所以出現(xiàn)故障，多是設(shè)計與生產(chǎn)工藝不當(dāng)造成的。在設(shè)計時，元件的選用、邏輯電路的設(shè)計本身存在不完善、不匹配的地方。尤其是現(xiàn)在的儀器儀表企業(yè)，大多數(shù)都是整機(jī)廠，其電子元器件等都要外購，而其篩選和老化處理電子元器件的時間和手段相對有限，加上儀器儀表應(yīng)用單位初期操作人員技術(shù)水平及新環(huán)境因素的影響，這就造成了在實(shí)際應(yīng)用中，初始階段儀器儀表可靠性較低，而不同于理論上在初期儀器儀表可靠性zui高的分析。
在儀器儀表運(yùn)行中間時期即q時間內(nèi)，儀器儀表可靠性相對平衡，故障少，接近理論狀態(tài)。
這是由于在初期故障后，經(jīng)過修理、維護(hù)，儀器儀表元器件都已得到老化處理和考驗(yàn)，機(jī)械、光學(xué)、電子部件也未受到損耗或衰老，性能趨于穩(wěn)定，操作人員技術(shù)水平也得到了提高，與儀器儀表相配的周圍環(huán)境也有了改善，從而使這段時間內(nèi)儀器儀表出現(xiàn)故障少，可靠性高。這一時期偶爾出現(xiàn)的故障，是由于隨機(jī)因素影響而造成的。但是在此階段為了提高測量的精度，需要對測試干擾進(jìn)行重點(diǎn)處理，以達(dá)到測量的要求。
在儀器儀表使用后期即2時間后，儀器儀表故障增多，可靠性大幅下降。這是由于儀器儀表的部分元件經(jīng)過使用期后損耗嚴(yán)重，已超出了壽命期限，從而造成儀器儀表的部分或全部功能失靈，無法正常工作，需要更換儀器儀表元件或整機(jī)。
2儀器儀表的抗干擾設(shè)計如所示，在階段，儀器儀表本身可靠性相對平衡。但由于其使用的條件常常是很復(fù)雜的，除了有用的信號外，經(jīng)常會出現(xiàn)一些與被測信號無關(guān)的電壓或電流存在。這種無關(guān)的電壓或電流信號我們稱之為“干擾”（也叫噪聲）。干擾來源有很多種，通常所說的干擾是電氣干擾，但是在廣義上，熱噪聲、溫度效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、振動等都可能給測量帶來影響，產(chǎn)生干擾。在測量過程中，如果不能排除這些干擾的影響，儀器儀表就不能夠正常工作。
根據(jù)儀器儀表輸入端干擾的作用方式，可分為差模干擾（串模干擾）和共模干擾。差模干擾是指干擾信號與有用信號相疊加的一種干擾；共模干擾是相對于公共的電位基準(zhǔn)地（接地點(diǎn)），在信號接收器的兩輸入端同時出現(xiàn)的干擾。共模干擾只有在轉(zhuǎn)化為差模干擾后，才對測量電路起干擾作用。
2.1干擾的來源干擾來自于干擾源，它們在儀器儀表內(nèi)外都可能存在。在儀器儀表外部，一些大功率的用電設(shè)備以及電力設(shè)備都可能成為干擾源，而在儀器儀表內(nèi)部的電源變壓器、機(jī)電器、開關(guān)以及電源線等也均可能成為干擾源。
干擾的引人方式主要有以下幾種。
2.1.1電磁感應(yīng)就是磁費(fèi)合，信號源與儀器儀表之間的連接導(dǎo)線、儀器儀表內(nèi)部的配線通過磁耦合在電路中形成干擾。像我們在工程中使用的大功率的變壓器、交流電機(jī)、高壓電網(wǎng)等的周圍空間中都存在有很強(qiáng)的交變磁場，而儀器儀表的閉合回路處在這種變化的磁場中將會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。
感應(yīng)電勢可用下式計算：（5）：6―磁力線與面積4的垂線的夾角。
這種磁感應(yīng)電動勢與有用信號串聯(lián)，當(dāng)信號源與儀器儀表相距較遠(yuǎn)時，此情況較為突出。見（a）和（b）。
為降低感應(yīng)電動勢，5、4或COS等項必須盡中國教育技術(shù)裝備2005. 36中國教育技術(shù)裝備2005.10量減小。所以將導(dǎo)線遠(yuǎn)離這些強(qiáng)用電設(shè)備及動力網(wǎng)、調(diào)整走線方向以及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的。僅由于把兩根信號線以短的節(jié)距絞合，磁感應(yīng)電動勢就能降為原有的1/10~1/100.（b）I=10A時，=60mV電磁尤合干擾示意。1.2靜電感應(yīng)就是電的耦合，在相對的兩物體中，如果其中一物體的電位發(fā)生變化，則由于物體間的電容而使另一物體的電位也發(fā)生變化。干擾源是通過電容性的耦合在回路中形成干擾，它是兩電場相互作用的結(jié)果，如中所示。
電容性耦合干擾當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾以電壓形式出現(xiàn)時，干擾源與信號電路之間就存在容性（電場）耦合。這時干擾電壓線電容耦合到信號電路，形成干擾源。對于平行導(dǎo)線，由于分布電容較大，容性耦合較嚴(yán)重。在（a）中，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2是兩條平行線，4和（；2分別是各線對地的分布電容，（：12是兩線間分布的輛合電容，h是導(dǎo)線1對地電壓，/是導(dǎo)線2對地電阻。由（b）等效電路可得導(dǎo)線1電壓通過耦合導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓R為當(dāng)/1/加（C12+C2）時，（6）式可簡化為此時V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴(yán)重的。
著耦合電容的增大而增大。
中，導(dǎo)線1的電位會在導(dǎo)線2上感應(yīng)出對地的電壓當(dāng)把兩根信號線與動力線平行鋪設(shè)時，由于動力線到兩信號線的距離不相等，分布電容也不相等。
它在兩根信號導(dǎo)線上能產(chǎn)生電位差，有時可達(dá)幾十毫伏甚至更大。當(dāng)把信號線扭絞時能使電場在兩信號線上產(chǎn)生的電位差大為減小；而在采用靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢減小到原有的1/100通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)所形成的干擾大部分是50Hz的工頻干擾電壓。其他的高頻發(fā)生器、帶整流子的電機(jī)等設(shè)備也會產(chǎn)生高頻的干擾。由于雷云之間、雷云與大地間的放電，在配線上也能感應(yīng)出異常電壓。
2.1.3附加熱電勢和化學(xué)電勢由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢以及金屬腐蝕等原因產(chǎn)生的化學(xué)電勢，當(dāng)它處于電回路時會成為干擾。
這種干擾大多以直流的形式出現(xiàn)。在接線端子板或是干夙繼電器等處容易產(chǎn)生熱電勢。
導(dǎo)線在磁場中運(yùn)動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。因此在振動的環(huán)境中把信號導(dǎo)線固定是很有必要的。
以上這4種類型干擾都是和信號相串聯(lián)，也就是以串模干擾的形式出現(xiàn)。
2.1.5不同地電位引入的干擾在大地中，各個不同點(diǎn)之間往往存在電位差。
尤其在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)這些設(shè)備的絕緣性能較差時，這一電位差更大。而在儀器儀表的使用中往往在輸入回路會有兩個以上的接地點(diǎn)，這樣就會把不同接地點(diǎn)的電位差引入儀器儀表。這種地電位差有時能達(dá)l~lV，它同時出現(xiàn)在兩根信號導(dǎo)線上。見。
共地尤合干擾電位差通過靜電耦合的方式，能在兩輸入端感應(yīng)出對地的共同電壓，以共模干擾的形式出現(xiàn)。
由于共模干擾它不和信號相疊加，它不直接對儀器儀表產(chǎn)生影響，但它能通過測量系統(tǒng)形成到地的泄漏電流。泄漏電流通過電阻的耦合就能直接作用于儀器儀表，從而產(chǎn)生干擾。
2.1.6脈沖電壓干擾脈沖電壓能夠作用于模擬電路之外，還可以對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾。這些脈沖電壓的發(fā)生源是開關(guān)、電機(jī)、繼電器這樣一些感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的機(jī)器等。
在了解了各種不同的干擾源之后，我們就可以針對不同的情況采取相應(yīng)的措施。因?yàn)樗械母蓴_源都是通過一定的耦合通道而對儀器儀表產(chǎn)生影響的，所以我們可以通過切斷干擾的耦合通道來抑制干擾。通常采用的方式有信號導(dǎo)線的扭絞、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離等方法，一般會同時采取多種措施。
2.2干擾的抑制常用的抗干擾措施比較多。要想抑制干擾，必須對干擾作全面地分析，要在消除或抑制噪聲源、破壞干擾途徑和削弱接收電路對噪聲干擾的敏感性這三個方面采取措施。
消除噪聲源是積極主動的措施。從原則上講，對于噪聲源應(yīng)予以消除。但是，實(shí)際上很多的噪聲源是難以消除或是不能消除的。如泵運(yùn)行時電機(jī)的電磁干擾就是不能夠消除的。這時候就必須采取防護(hù)措施來抑制干擾。
2.2.1串模干擾的抑制串模干擾與被測信號所處的地位相同，因此一旦產(chǎn)生串模干擾，就不容易消除。所以應(yīng)當(dāng)首先防止它的產(chǎn)生。防止串模干擾的措施一般有以下這些：由于把信號導(dǎo)線扭絞在一起能使信號回路包圍的面積大為減少，而且是兩根信號導(dǎo)線到干擾源的距離能大致相等，分布電容也能大致相同，所以能使由磁場和電場通過感應(yīng)耦合進(jìn)人回路的串模干擾大為減小。
為了防止電場的干擾，可以把信號導(dǎo)線用金屬包起來。通常的做法是在導(dǎo)線外包一層金屬網(wǎng)（或者鐵磁材料），外套絕緣層。屏蔽的目的就是隔斷干擾源，導(dǎo)線2為信號導(dǎo)線，導(dǎo)線2對地電阻可認(rèn)為是無限大，并在導(dǎo)線外包裹屏蔽層。我們可以清楚地看到屏蔽層接地和不接地的兩種情況。
中國教育技術(shù)裝備2005.10 37由于導(dǎo)線2與屏蔽層之間存在有電容Q，在Q上無電流存在，所以導(dǎo)線2感應(yīng)的電壓=e3.如果把屏蔽層接地，6=0，導(dǎo)線2上感應(yīng)電壓也減小到接近于。因此在實(shí)際使用中，屏蔽層必須接地，否則對減小感應(yīng)電壓沒有效果。不過，如果屏蔽層是非鐵磁性材料，那么對于工頻的磁場干擾沒有屏蔽效果。這時可以通過將信號線穿人鐵管中而使導(dǎo)線得到磁屏蔽。
對于變化速度很慢的直流信號，可以在儀器儀表的輸入端加人濾波電路，以使混雜于信號的干擾衰減到zui小。但是在實(shí)際的工程設(shè)計中，這種方法一般很少用，這一點(diǎn)通常在儀器儀表的電路設(shè)計過程中就已經(jīng)考慮了。
以上的幾種方法主要是針對不可避免的干擾場已經(jīng)形成后的被動抑制措施，但是在實(shí)際過程中，我們應(yīng)當(dāng)盡量避免干擾場的形成。比如注意將信號導(dǎo)線遠(yuǎn)離動力線；合理布線，減少雜散磁場的產(chǎn)生；對變壓器等電器元件加以磁屏蔽等等。
2.2.2共模干擾的抑制由于儀器儀表系統(tǒng)信號多為低電平，因此，共模干擾也會使儀器儀表信號產(chǎn)生畸變，帶來各種測量的錯誤。防止共模干擾通常采取的措施如下：通常儀器儀表和信號源外殼為安全起見都接大地，保持零電位。信號源電路以及儀器儀表系統(tǒng)也需要穩(wěn)定接地，但是如果接地方式不恰當(dāng)，將形成地回路導(dǎo)人干擾。如中就是這種情況，兩點(diǎn)接地，存在地電位差從而產(chǎn)生共模干擾。因此，儀器儀表回路通常采用在系統(tǒng)處單點(diǎn)接地。但是事實(shí)上，信號源側(cè)對地不可能*絕緣。因此，從這個意義上來說，*消除地電位差形成的干擾是不可能的。
所以，為了提高儀器儀表的抗*力，通常在低電平測量儀器儀表中都把二次儀器儀表“浮地”，也就是將二次儀器儀表與地絕緣，以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進(jìn)人。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常將屏蔽和接地結(jié)合起來應(yīng)用，往往能夠解決大部分的干擾問題。如果將屏蔽層在信號側(cè)與儀器儀表側(cè)均接地，則地電位差會通過屏蔽層形成回路。由于地電阻通常比屏蔽層的電阻小得多，所以在屏蔽層上就會形成電位梯度，并通過屏蔽層與信號導(dǎo)線間的分布電容耦合到信號電路中去，因此屏蔽層也必須一點(diǎn)接地，而且信號導(dǎo)線屏蔽層接地應(yīng)與系統(tǒng)接地同側(cè)。
事實(shí)上，二次儀器儀表的外殼為了安全是需要接地的。而儀器儀表的輸人端與外殼之間一定存在分布電容和漏阻抗，因此浮地不可能把泄漏途徑*切斷。這樣，在必要的時候，通常采用的是雙層屏蔽浮地保護(hù)，也就是在儀器儀表的外殼內(nèi)部再套一個內(nèi)屏蔽罩。內(nèi)屏蔽罩與信號輸人端以及外殼之間均不做電氣連接，內(nèi)屏蔽層引出一條導(dǎo)線與信號導(dǎo)線的屏蔽層相連接，而信號線的屏蔽在信號源處一點(diǎn)接地。這樣可使儀器儀表的輸人保護(hù)屏蔽及信號屏蔽使信號源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)，大大提高儀器儀表抗干擾的能力（具體可參見）。即便這樣，其實(shí)也是存在一定的泄漏電流的，但是抑制干擾的措施就是為了讓干擾信號強(qiáng)度降低至相對與實(shí)際信號強(qiáng)度來說可忽略的程度。
雙層屏蔽浮地保護(hù)另外，經(jīng)常采用的抗干擾措施還有隔離，它也是通過阻止干擾回路的形成來抑制干擾。這些方法的作用是疊加的，我們通常會采取其中的一種或幾種方法來提高信號測量的抗*力。
3結(jié)論儀器儀表的使用環(huán)境不同，存在的干擾源也就不同。對于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用的測量系統(tǒng)，除了系統(tǒng)自身的干擾外，還應(yīng)著重考慮電氣設(shè)備放電干擾和設(shè)備接通與斷開引起電壓或電流急變帶來的干擾。
而對于野外使用的檢測系統(tǒng)，抗干擾設(shè)計的重點(diǎn)是大氣放電、大氣輻射和宇宙干擾。抗干擾設(shè)計應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的具體使用環(huán)境進(jìn)行具體分析，找出主要干擾因素，選擇有針對性的抗干擾措施。