智能儀器可靠性以及抗干擾運用應用技術

第六章智能儀器的可靠性與抗干擾技術

一、可靠性概述二、干擾噪聲的認識三、電磁耦合干擾分析方法四、抑制技術與措施一可靠性的基本概念

元件或系統(tǒng)的可靠性元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。智能儀器裝置或系統(tǒng)來，其規(guī)定條件包括環(huán)境溫度和濕度，海拔，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存條件及其它要求等。

失效元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，稱之為失效?？煽啃灾笜嗣枋鲆粋€元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標。常用可靠性指標有：可靠度、失效率和平均無故障時間

常用的可靠性指標

（1）可靠度函數(shù)R(t)

可靠度函數(shù):為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，正常工作的概率。R(t)值可通過壽命試驗得到若以T表示元件或系統(tǒng)的壽命，則事件（T>t）表示元件或系統(tǒng)在[0，t]時間內(nèi)能正常工作，則可靠度函數(shù)為：

若已知元件或系統(tǒng)的壽命T的概率密度函數(shù)，那么對于給定的t，則有隨著時間的推移，T大于t的可能性不斷降低。

R(t)和f(t)的圖形（2）失效率

元件或系統(tǒng)的失效率定義為在t時刻以前一直正常工作的條件下，在t時刻以后單位時間內(nèi)失效的概率，記作，表示為：其中，是時間的函數(shù)。如果T服從指數(shù)分布，則為常數(shù)。

失效率又稱危險率或風險率，其常用單位是10-9/h，記作1非特。根據(jù)上述定義，可得到：⑶失效類型和浴盆曲線

早期失效型：開始時失效率高，隨著時間的推移逐步減小，造成這種失效的主要原因是設計和制造上的缺陷、管理不當、檢驗疏忽等。如圖a所示。偶然失效型：失效率與時間無關，為一個常數(shù)，這是在使用過程中因某種不可預測的隨機因素產(chǎn)生的。如圖b所示。耗損失效型：失效率隨著時間的推移而增大，造成這種失效的主要原因是元件的老化、疲勞、磨損等。如圖c所示。

圖a早期失效曲線

圖b偶然失效曲線圖c耗損失效曲線

浴盆曲線：電力電子裝置或系統(tǒng)的失效曲線是形似浴盆的曲線，稱為浴盆曲線，如圖d所示。系統(tǒng)在使用初期表現(xiàn)為早期失效型，可以通過產(chǎn)品在出廠前的動態(tài)或靜態(tài)老化試驗使其渡過早期失效期。之后，裝置或系統(tǒng)進入到偶然失效期，這是裝置或系統(tǒng)的最佳工作時期。一般希望這段時間的失效率盡可能的小，運行時間盡可能的長。運行后期進入耗損失效期。圖d浴盆曲線

（4）平均無故障時間（MTBF）

作為可修復的智能儀器的壽命T是一個連續(xù)型隨機變量。隨機變量T的數(shù)學期望就是電力電子裝置或系統(tǒng)的平均無故障時間（MeanTimeBetweenFailure——MTBF），即：其中，為壽命T的概率密度函數(shù)。上式可變?yōu)槎蓴_噪聲的認識

干擾源

本征噪聲源、人為噪聲源、自然界干擾源。電磁干擾，光電干擾，機械干擾（摩擦起電、導體在磁場中運動、壓電效應、震顫效應），其它噪聲（電化學作用的化學濕電池，溫度變化等）

三種耦合途徑傳導耦合：通過導體（導線）將噪聲耦合進電路中。最典型的例子是噪聲通過電源線傳入電路。公共阻抗耦合：來自不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，就會產(chǎn)生公共阻抗噪聲耦合。電磁場耦合：只要電荷發(fā)生移動，所有的電路元件、導線都會輻射電磁場，存在來自發(fā)射源的輻射。近場時，分別考慮電場和磁場；遠場時，電磁聯(lián)合輻射。

電容耦合：噪聲源與被干擾電路之間存在著電容通路。顯然，這種電容一般不是人為加上的，而是二者之間的分布電容。干擾脈沖或其他高頻干擾會經(jīng)過分布電容耦合到電子線路中。電磁耦合：由于兩電路之間存在互感而產(chǎn)生的，一個電路中電流的改變引起磁交鏈而耦合到另一電路。若某一電路有干擾，則同樣可以通過互感而耦合到另一電路中。

共地阻抗耦合：表示了一種共地線阻抗耦合。干擾源在Zc上產(chǎn)生的壓降被接收電路接收。共源阻抗耦合：經(jīng)公共電源或工作線路的內(nèi)阻而產(chǎn)生的耦合。干擾源的電流在接收電路公共電抗Zc上的壓降被接收電路所接收形成干擾干擾的三要素

噪聲源產(chǎn)生的噪聲必須經(jīng)過一定的耦合通道，才能夠?qū)﹄娮訙y量系統(tǒng)的正常工作造成不良影響。換句話說，噪聲形成干擾需要同時具備三要素：干擾源、對噪聲敏感的接收電路及噪聲源到接收電路之間的耦合通道。電子系統(tǒng)受到外部電磁干擾電力線雷電電臺電視臺交流供電電路電動機移動通訊移動通信設備天體電磁輻射電子設備的干擾對其它電路系統(tǒng)的影響傳導噪聲電子系統(tǒng)內(nèi)部不同電路單元之間電場耦合磁場耦合公共阻抗

消除干擾源

抑制干擾積極、主動的措施是消除干擾源。要消除干擾源，必須首先確定何處是干擾源。在無法消除干擾源時，可采取抑制措施，在越靠近干擾源的地方采取措施，干擾抑制效果就越好。一般來說，電流或電壓劇變的地方就是干擾源，比如繼電器通斷、電容充電、電機運轉(zhuǎn)、集成電路開關工作等都可能成為干擾源。另外，市電電源也并非理想的50Hz正弦波，而是含有各種頻率的噪聲，是不可忽略的噪聲源。

割斷干擾耦合途徑

對于以“電路”的形式侵入的干擾，可采取諸如提高絕緣性能，采用隔離變壓器、光耦合器等切斷干擾途徑；采用退耦、濾波等手段引導干擾信號的轉(zhuǎn)移；改變接地形式切斷干擾途徑等。對于以“輻射”的形式侵入的干擾，一般采取各種屏蔽措施，如靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁屏蔽等。

提高抗干擾能力

要削弱接收電路對干擾的敏感性，必須提高檢測裝置的抗干擾能力。一般來說，高輸入阻抗的電路比低輸入阻抗的電路易受干擾；模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能力差。一個設計良好的檢測裝置應該具備對有用信號敏感、對干擾信號盡量不敏感的特性。

三電磁場耦合分析方法電磁場麥克斯韋方程分析：三個空間變量（x，y，z）和時間（t）的函數(shù)。電路等效近似分析技術（集總參數(shù)元件）。電容性耦合

～ZiCmENUNAB互感耦合

UNMIN

漏電耦合

UN～RmENBAZi低頻電磁干擾的電路等效近似分析技術（集總參數(shù)元件,消除空間變量）電場被限定在電容器內(nèi)部：關注電壓磁場被限定在電感器內(nèi)部：關注電流電路尺寸相對波長很小例：du/dt=2V/μs分布電容C=2PF近似可得I≈Cdu/dt=4μARi=10KΩ,Vi=40mV電流→磁場→電磁感應互感模型:v=-Mdi/dt

高頻電磁輻射耦合

電磁波波長:λ=波速V/頻率f，波速與傳播介質(zhì)有關；在空氣中大約3×108m/s，1MHz信號的波長300m，1GHz，λ=0.3m.

近場和遠場:源、介質(zhì)、距離r=λ/2π為分界點近場感應場遠場輻射場波阻抗：Z=E/H，在遠場條件下，E/H大小等于介質(zhì)的特性阻抗，如空氣或自由空間E/H=ZO=377Ω近場條件下：電場和磁場分別考慮，高電壓小電流以電場為主；低電壓大電流以磁場為主。電場占優(yōu)：E∝1/r3、H∝1/r2磁場占優(yōu)：E∝1/r2、H∝1/r3屏蔽接地平衡濾波隔離阻抗大小控制電纜設計抵消技術四抑制干擾的主要技術

屏蔽技術

靜電屏蔽；電磁屏蔽；低頻磁屏蔽；驅(qū)動屏蔽

（1）靜電屏蔽處于靜電平衡狀態(tài)下的導體內(nèi)部無電力線，即各點等電位。利用金屬導體的這一性質(zhì)，并加上接地措施，則靜電場的電力線就在接地金屬導體處中斷，從而起到隔離電場的作用。靜電屏蔽可以防止靜電耦合干擾，可消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。

+QA+QAB+QAB在電源變壓器的原邊與副邊繞組之間，插入一個梳齒形導體，并將其接地，以此來防止兩繞組之間的靜電耦合，這是靜電屏蔽的典型應用之一。（2）電磁屏蔽電磁屏蔽的基本原理是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護的電路包圍在其中，利用高頻電磁場對屏蔽金屬的電磁感應作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，用渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響，從而得到屏蔽的效果。它主要用來防止高頻電磁場的影響。電磁屏蔽在屏蔽體上制造一個反向電流is

，其中干擾源在導線上流過的電流方向相反，is產(chǎn)生的磁通與干擾源產(chǎn)生的磁通亦反向，相互抵消故能抑制磁場的耦合。

若將電磁屏蔽導體看作是匝數(shù)為WS的線圈，其電阻、電感分別為rs、Ls，流過的電流為is；線圈的匝數(shù)為Wc，電感為Lc，流過的電流為ic；線圈與屏蔽導體的互感為M，則在高頻情況下，可以認為rs<<ωLs，所以但在低頻時，

rs>>ωLs，所以由上式可知，在低頻時ω值很小，故Is值也很小，這樣一來對低頻的屏蔽效果就很小，所以電磁屏蔽只適用于防止高頻電磁場的影響。

（3）低頻磁屏蔽

低頻磁屏蔽是用來隔離低頻(主要指50Hz)磁場或固定磁場(幅度、方向不隨時間變化，如永久磁鐵產(chǎn)生的磁場)耦合干擾的有效措施。任何通過電流的導線或線圈周圍都存在磁場，它們可能對檢測儀器的信號線或儀器造成磁場耦合干擾。電磁屏蔽對這種低頻磁通干擾的屏蔽效果是很差的，這時必須采用高導磁材料作屏蔽層，以便讓低頻干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層中通過，使內(nèi)部電路免受低頻磁場耦合干擾的影響。低頻磁屏蔽

磁性材料作為屏蔽體，將干擾源與干擾回路隔離。導體1和導體2產(chǎn)生的磁通自成回路，消除了交互耦合。（4）驅(qū)動屏蔽

通過1∶1電壓跟隨器來驅(qū)動屏蔽導體的電位。若1∶1電壓跟隨器是理想的，則導體B與屏蔽層C二者等電位。此時，噪聲源A影響不到導體B。盡管導體B與屏蔽層C之間有寄生電容存在，但因B與C等電位，故此寄生電容不起作用。因此驅(qū)動屏蔽能有效地抑制通過寄生電容的耦合干擾。

對電容傳感器接收信號的驅(qū)動屏蔽。傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，也就消除了寄生電容的影響。

應指出的是，在驅(qū)動屏蔽中所應用的1∶1電壓跟隨器不僅要求其輸出電壓與輸入電壓的幅值相同，而且要求兩者之間的相移為零。另一方面，此電壓跟隨器的輸入阻抗與Zi相并聯(lián)，為減小其并聯(lián)作用，則要求電壓跟隨器的輸入阻抗值應當足夠高。實際上這些要求只能在一定程度上得到滿足。驅(qū)動屏蔽屬于有源屏蔽，只有當線性集成電路出現(xiàn)以后，才有實用價值，目前它已在工程中得到了越來越廣泛的應用。

接地技術接地代表一個系統(tǒng)或一個電路的等電位參考點，接地的目的是為系統(tǒng)或電路的各部分提供一個穩(wěn)定的基準電位，并以低的阻抗為信號電流回流到信號源提供通路。這種地又稱為信號地。指地球的大地。系統(tǒng)或電路的某些部分需要與該地連接，接地的目的是為電氣設備提供一個保護接地，或者是滿足靜電屏蔽的需要。

（1）電子測量系統(tǒng)中的多種地線保護地線：為了安全起見，作為三相四線制電源電網(wǎng)的零線、電氣設備的機殼、底盤以及避雷針等都需要接大地。對于單相電，為了保證用電的安全性，也應采用具有保護接地線的單相三線制配電方式。信號地線：智能儀器中的地線除特別說明是接大地的以外，一般都是指作為電信號的基準電位的信號地線。信號地線分為模擬地和數(shù)字地兩種。模擬地是模擬信號的零電位公共線。因為模擬信號一般較弱，所以對模擬地要求較高。數(shù)字地是數(shù)字信號的零電位公共線。由于數(shù)字信號一般較強，故對數(shù)字地要求可低些。但由于數(shù)字信號處于脈沖工作狀態(tài)，動態(tài)脈沖電流在雜散的接地阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓，即使尚未達到足以影響數(shù)字電路正常工作的程度，但對于微弱的模擬信號來說，往往已成為嚴重的干擾源。為了避免模擬地與數(shù)字地之間的相互干擾，二者應分別設置。信號源地線：信號源地線是傳感器本身的零電位基準公共線。傳感器可看做是測量裝置的信號源。通常傳感器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置則安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內(nèi)，在接地要求上二者不同。

負載地線：負載的電流一般較前級信號大得多，負載地線上的電流在地線中產(chǎn)生的干擾作用也大，因此負載地線和測量放大器的信號地線也有不同的要求。有時二者在電氣上是相互絕緣的，它們之間通過磁耦合或光耦合傳輸信號。

（2）單點接地

獨立地線并聯(lián)一點接地

優(yōu)點：各設備的電位僅與各自的電流和地線電阻有關，不受其他設備的影響，可防止各設備之間相互干擾和地回路的干擾。缺點：若設備很多，需要很多根地線，使接地導線加長，阻抗增大，還會出現(xiàn)各接地導線間的相互耦合，不適用于高頻。

共用地線串聯(lián)一點接地

缺點：A、B、C各點的電位不僅不為零，而且受其它電路的影響，從防止和抑制干擾的角度，這種接地方法不好。

優(yōu)點：這種接地方法的結(jié)構比較簡單，各電路的接地線短，電阻較小，在設備機柜中是常用的一種接地方式。采用這種接地方式要注意把最低電平電路放在靠近A處，以使B點和C點的電位升