仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计

      仪器仪表的可靠性进行了分析，阐述了干扰仪器仪表正常工作的因素并对其作了详细分析，针对具体问题提出了具体的解决和预防措施，为提篼仪器仪表可靠性提供了依据。

      在工业生产中，仪器仪表使用过程中有时会发生故障。运用概率统计的方法对其进行定性分析，可以发现其中的内在规律，从而提高仪器仪表抗干扰的可靠性。

仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计

      1、仪器仪表的可靠性分析仪器仪表的可靠性是评价其质量好坏的重要指标之一。可靠性用概率表示时称为可靠度，就是在规定的时间和规定使用条件下，无故障地发挥运行功能的概率。
      我们可以从理论和实际两方面对可靠度进行分析1.1理论可靠度分析设可靠度为R，不可靠度为F），则有R（t）+F（=l（1）（对时间微分，可得故障发生的时间概率，即故障密度函数为由此得故障率为（3）故障率A（表示在时间内尚未发生故障的可靠度RG）在下一单位时间内可能发生故障的条件概率。
      在理论上，正常使用状况下，故障率A（t）是不随时间而变化的，A（=A=常数，因而对（3）式积分可得1可见，随着使用时间的延长，仪器仪表的可靠性是下降的，在安装初期可靠性最高。
      理论可靠性曲线1.2实际可靠度分析实际与理论差别很大。在实际应用中，我们看到仪器仪表往往在安装后短时间内出现故障很多；然后在较长一段时间内相对稳定，故障少；在最后―段时间内故障又大幅增加，仪器仪表可靠性下降。
      实际可靠性曲线由可看出，其特性曲线共分为三段。
      在仪器仪表安装运行初期即~时间内，仪器仪表可靠性较差。分析可知，此时之所以出现故障，多是设计与生产工艺不当造成的。在设计时，元件的选用、逻辑电路的设计本身存在不完善、不匹配的地方。尤其是现在的仪器仪表企业，大多数都是整机厂，其电子元器件等都要外购，而其筛选和老化处理电子元器件的时间和手段相对有限，加上仪器仪表应用单位初期操作人员技术水平及新环境因素的影响，这就造成了在实际应用中，初始阶段仪器仪表可靠性较低，而不同于理论上在初期仪器仪表可靠性最高的分析。
      在仪器仪表运行中间时期即q时间内，仪器仪表可靠性相对平衡，故障少，接近理论状态。
      这是由于在初期故障后，经过修理、维护，仪器仪表元器件都已得到老化处理和考验，机械、光学、电子部件也未受到损耗或衰老，性能趋于稳定，操作人员技术水平也得到了提高，与仪器仪表相配的周围环境也有了改善，从而使这段时间内仪器仪表出现故障少，可靠性高。这一时期偶尔出现的故障，是由于随机因素影响而造成的。但是在此阶段为了提高测量的精度，需要对测试干扰进行重点处理，以达到测量的要求。
      在仪器仪表使用后期即2时间后，仪器仪表故障增多，可靠性大幅下降。这是由于仪器仪表的部分元件经过使用期后损耗严重，已超出了寿命期限，从而造成仪器仪表的部分或全部功能失灵，无法正常工作，需要更换仪器仪表元件或整机。
      2、仪器仪表的抗干扰设计如所示，在阶段，仪器仪表本身可靠性相对平衡。但由于其使用的条件常常是很复杂的，除了有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流存在。这种无关的电压或电流信号我们称之为“干扰”（也叫噪声）。干扰来源有很多种，通常所说的干扰是电气干扰，但是在广义上，热噪声、温度效应、化学效应、振动等都可能给测量带来影响，产生干扰。在测量过程中，如果不能排除这些干扰的影响，仪器仪表就不能够正常工作。
      根据仪器仪表输入端干扰的作用方式，可分为差模干扰（串模干扰）和共模干扰。差模干扰是指干扰信号与有用信号相叠加的一种干扰；共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地点），在信号接收器的两输入端同时出现的干扰。共模干扰只有在转化为差模干扰后，才对测量电路起干扰作用。
      2.1干扰的来源干扰来自于干扰源，它们在仪器仪表内外都可能存在。在仪器仪表外部，一些大功率的用电设备以及电力设备都可能成为干扰源，而在仪器仪表内部的电源变压器、机电器、开关以及电源线等也均可能成为干扰源。
　　干扰的引人方式主要有以下几种。
      2.1.1电磁感应就是磁费合，信号源与仪器仪表之间的连接导线、仪器仪表内部的配线通过磁耦合在电路中形成干扰。像我们在工程中使用的大功率的变压器、交流电机、高压电网等的周围空间中都存在有很强的交变磁场，而仪器仪表的闭合回路处在这种变化的磁场中将会产生感应电势。
      感应电势可用下式计算：（5）：6―磁力线与面积4的垂线的夹角。
      这种磁感应电动势与有用信号串联，当信号源与仪器仪表相距较远时，此情况较为突出。见（a）和（b）。
      为降低感应电动势，5、4或COS等项必须尽中国教育技术装备2005. 36中国教育技术装备2005.10量减小。所以将导线远离这些强用电设备及动力网、调整走线方向以及减小导线回路面积都是必要的。仅由于把两根信号线以短的节距绞合，磁感应电动势就能降为原有的1/10~1/100.（b）I=10A时，=60mV电磁尤合干扰示意。1.2静电感应就是电的耦合，在相对的两物体中，如果其中一物体的电位发生变化，则由于物体间的电容而使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰，它是两电场相互作用的结果。
      电容性耦合干扰当干扰源产生的干扰以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场）耦合。这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源。对于平行导线，由于分布电容较大，容性耦合较严重。在（a）中，导线1和导线2是两条平行线，4和（；2分别是各线对地的分布电容，（：12是两线间分布的辆合电容，h是导线1对地电压，/是导线2对地电阻。由（b）等效电路可得导线1电压通过耦合导线2上产生的电压R为当/1/加（C12+C2）时，（6）式可简化为此时V2按电容分压，这种耦合情况是严重的。
      着耦合电容的增大而增大。
      导线1的电位会在导线2上感应出对地的电压当把两根信号线与动力线平行铺设时，由于动力线到两信号线的距离不相等，分布电容也不相等。
      它在两根信号导线上能产生电位差，有时可达几十毫伏甚至更大。当把信号线扭绞时能使电场在两信号线上产生的电位差大为减小；而在采用静电屏蔽后，能使感应电势减小到原有的1/100通过电磁感应、静电感应所形成的干扰大部分是50Hz的工频干扰电压。其他的高频发生器、带整流子的电机等设备也会产生高频的干扰。由于雷云之间、雷云与大地间的放电，在配线上也能感应出异常电压。
      2.1.3附加热电势和化学电势由于不同金属产生的热电势以及金属腐蚀等原因产生的化学电势，当它处于电回路时会成为干扰。
      这种干扰大多以直流的形式出现。在接线端子板或是干夙继电器等处容易产生热电势。
      导线在磁场中运动时，会产生感应电动势。因此在振动的环境中把信号导线固定是很有必要的。
      以上这4种类型干扰都是和信号相串联，也就是以串模干扰的形式出现。
      2.1.5不同地电位引入的干扰在大地中，各个不同点之间往往存在电位差。
      尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。而在仪器仪表的使用中往往在输入回路会有两个以上的接地点，这样就会把不同接地点的电位差引入仪器仪表。这种地电位差有时能达l~lV，它同时出现在两根信号导线上。见。
      共地尤合干扰电位差通过静电耦合的方式，能在两输入端感应出对地的共同电压，以共模干扰的形式出现。
      由于共模干扰它不和信号相叠加，它不直接对仪器仪表产生影响，但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流。泄漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪器仪表，从而产生干扰。
      2.1.6脉冲电压干扰脉冲电压能够作用于模拟电路之外，还可以对数字电路产生干扰。这些脉冲电压的发生源是开关、电机、继电器这样一些感性负载和产生放电的机器等。
      在了解了各种不同的干扰源之后，我们就可以针对不同的情况采取相应的措施。因为所有的干扰源都是通过一定的耦合通道而对仪器仪表产生影响的，所以我们可以通过切断干扰的耦合通道来抑制干扰。通常采用的方式有信号导线的扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等方法，一般会同时采取多种措施。
      2.2干扰的抑制常用的抗干扰措施比较多。要想抑制干扰，必须对干扰作全面地分析，要在消除或抑制噪声源、破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施。
      消除噪声源是积极主动的措施。从原则上讲，对于噪声源应予以消除。但是，实际上很多的噪声源是难以消除或是不能消除的。如泵运行时电机的电磁干扰就是不能够消除的。这时候就必须采取防护措施来抑制干扰。
      2.2.1串模干扰的抑制串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除。所以应当首先防止它的产生。防止串模干扰的措施一般有以下这些：由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进人回路的串模干扰大为减小。
      为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断干扰源，导线2为信号导线，导线2对地电阻可认为是无限大，并在导线外包裹屏蔽层。我们可以清楚地看到屏蔽层接地和不接地的两种情况。
      中国教育技术装备2005.10 37由于导线2与屏蔽层之间存在有电容Q，在Q上无电流存在，所以导线2感应的电压=e3.如果把屏蔽层接地，6=0，导线2上感应电压也减小到接近于。因此在实际使用中，屏蔽层必须接地，否则对减小感应电压没有效果。不过，如果屏蔽层是非铁磁性材料，那么对于工频的磁场干扰没有屏蔽效果。这时可以通过将信号线穿人铁管中而使导线得到磁屏蔽。
      对于变化速度很慢的直流信号，可以在仪器仪表的输入端加人滤波电路，以使混杂于信号的干扰衰减到最小。但是在实际的工程设计中，这种方法一般很少用，这一点通常在仪器仪表的电路设计过程中就已经考虑了。
      以上的几种方法主要是针对不可避免的干扰场已经形成后的被动抑制措施，但是在实际过程中，我们应当尽量避免干扰场的形成。比如注意将信号导线远离动力线；合理布线，减少杂散磁场的产生；对变压器等电器元件加以磁屏蔽等等。
      2.2.2共模干扰的抑制由于仪器仪表系统信号多为低电平，因此，共模干扰也会使仪器仪表信号产生畸变，带来各种测量的错误。防止共模干扰通常采取的措施如下：通常仪器仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪器仪表系统也需要稳定接地，但是如果接地方式不恰当，将形成地回路导人干扰。如中就是这种情况，两点接地，存在地电位差从而产生共模干扰。因此，仪器仪表回路通常采用在系统处单点接地。但是事实上，信号源侧对地不可能完全绝缘。因此，从这个意义上来说，彻底消除地电位差形成的干扰是不可能的。
      所以，为了提高仪器仪表的抗干扰能力，通常在低电平测量仪器仪表中都把二次仪器仪表“浮地”，也就是将二次仪器仪表与地绝缘，以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进人。在实际应用中，我们通常将屏蔽和接地结合起来应用，往往能够解决大部分的干扰问题。如果将屏蔽层在信号侧与仪器仪表侧均接地，则地电位差会通过屏蔽层形成回路。由于地电阻通常比屏蔽层的电阻小得多，所以在屏蔽层上就会形成电位梯度，并通过屏蔽层与信号导线间的分布电容耦合到信号电路中去，因此屏蔽层也必须一点接地，而且信号导线屏蔽层接地应与系统接地同侧。
      事实上，二次仪器仪表的外壳为了安全是需要接地的。而仪器仪表的输人端与外壳之间一定存在分布电容和漏阻抗，因此浮地不可能把泄漏途径完全切断。这样，在必要的时候，通常采用的是双层屏蔽浮地保护，也就是在仪器仪表的外壳内部再套一个内屏蔽罩。内屏蔽罩与信号输人端以及外壳之间均不做电气连接，内屏蔽层引出一条导线与信号导线的屏蔽层相连接，而信号线的屏蔽在信号源处一点接地。这样可使仪器仪表的输人保护屏蔽及信号屏蔽使信号源稳定起来，处于等电位状态，大大提高仪器仪表抗干扰的能力（具体可参见）。即便这样，其实也是存在一定的泄漏电流的，但是抑制干扰的措施就是为了让干扰信号强度降低至相对与实际信号强度来说可忽略的程度。
      双层屏蔽浮地保护另外，经常采用的抗干扰措施还有隔离，它也是通过阻止干扰回路的形成来抑制干扰。这些方法的作用是叠加的，我们通常会采取其中的一种或几种方法来提高信号测量的抗干扰能力。
      3、结论仪器仪表的使用环境不同，存在的干扰源也就不同。对于工业生产现场使用的测量系统，除了系统自身的干扰外，还应着重考虑电气设备放电干扰和设备接通与断开引起电压或电流急变带来的干扰。
      而对于野外使用的检测系统，抗干扰设计的重点是大气放电、大气辐射和宇宙干扰。抗干扰设计应根据产品的具体使用环境进行具体分析，找出主要干扰因素，选择有针对性的抗干扰措施。

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