第六章檢測系統(tǒng)的抗干擾與可靠性

1、第六章 檢測系統(tǒng)的抗干擾與可靠性 技術n6-1 檢測系統(tǒng)的抗干擾技術n6-2 檢測系統(tǒng)的可靠性技術n6-3 系統(tǒng)故障檢測與診斷技術6-1 檢測系統(tǒng)的抗干擾技術n6.1.1 干擾和噪聲源n6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.1 干擾和噪聲源干擾串入系統(tǒng)的渠道主要有三個:n空間(電磁感應)n傳輸通道n配電系統(tǒng)6.1.1 干擾和噪聲源1.外部干擾（1）串模干擾n串模干擾：是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到系統(tǒng)上。n來源：高壓輸電線、與信號線平行敷設的輸電線和大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場；信號源本身固有的漂移、紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓濾波效果不良等。（2）共模干擾n共模干擾：指輸

2、入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓。6.1.1 干擾和噪聲源n共模干擾電壓可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高。n在檢測系統(tǒng)中，檢測元件和傳感器是分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方，因此，被測信號的參考接地點和檢測系統(tǒng)輸入信號的參考接地點之間存在一定的電位差，這個電位差就是共模干擾電壓。n在測量電路中，被測信號有單端對地輸入和雙端對地輸入兩種方式。當存在共模干擾時，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓。6.1.1 干擾和噪聲源6.1.1 干擾和噪聲源6.1.1 干擾和噪聲源（3）電源干擾從電源竄人的干擾一般有：n當同一電源系統(tǒng)中的可控硅器件通斷時產(chǎn)生的

3、尖峰，通過變壓器的初級與次級間的電容耦合到直流電源中產(chǎn)生的干擾。n附近的繼電器動作時產(chǎn)生的浪涌電壓，由電源線經(jīng)變壓器級間電容耦合產(chǎn)生的干擾。n共用同一個電源的附近設備接通或斷開時產(chǎn)生的干擾。6.1.1 干擾和噪聲源2.數(shù)字電路的干擾n電容性耦合：在數(shù)字電路的元件和元件之間，導線和導線之間，導線和元件之間，導線和結(jié)構(gòu)件之間都存在著分布電容。如果某一導體上的信號電壓通過分布電容使其他導體上的電壓受到影響。6.1.1 干擾和噪聲源6.1.1 干擾和噪聲源（1）內(nèi)源干擾n內(nèi)源干擾：由于系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的干擾，意即干擾源在內(nèi)部的干擾。（2）外源干擾n外源干擾：不是由于機器運行所產(chǎn)生的干擾。一般有逆變開關電

4、源干擾、空間電磁場干擾、電網(wǎng)浪涌電壓干擾、過程輸入輸出通道干擾等。6.1.2 抗干擾措施和方法1.串模干擾的抑制n串模干擾的能力用串模抑制比NMRR來衡量式中，Vnm為串模干擾電壓；Vnml為儀器輸入端由串模干擾引起的等效差模電壓。n抑制串模干擾的具體措施：信號濾波，信號積分等。)(lg20dBVVNMRRlnmnm6.1.2 抗干擾措施和方法（1）信號濾波n適用于干擾頻譜不同的情況：用低通濾波器來抑制高頻串模干擾；用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號的兩側(cè)，則用帶通濾波器來抑制。n主要的抗干擾措施是：用低通輸入濾波器濾除交流干擾。n常用的低通濾波器：RC濾波器、LC濾

5、波器、雙T濾波器及有源濾波器。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法RC濾波器：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但串模抑制比不高，且時間常數(shù)RC較大。LC濾波器：串模抑制比教高，但需要繞制電感，體積大，成本高。雙T濾波器：對固定頻率的干擾具有很高的抑制比，偏離該頻率后抑制比迅速減小。主要濾除工頻干擾。有源濾波器：可以獲得比較理想的頻率特性，但有源器件的共模抑制比一般難以滿足要求，其本身的噪聲也較大。6.1.2 抗干擾措施和方法n通常，儀器儀表的輸入濾波器都采用RC濾波器，在選擇電阻和電容參數(shù)時除了要滿足NMRR指標外，還要考慮信號源的內(nèi)阻抗，兼顧共模抑制比和放大器動態(tài)特性的要求，故常用兩級

6、阻容低通濾波網(wǎng)絡作為輸入通道的濾波器。6.1.2 抗干擾措施和方法（2）信號積分n原理：用雙積分A/D可以削弱周期性的串模干擾的影響。因為雙積分A/D是對輸入信號的積分值進行測量，若干擾信號是周期性的而積分時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零。n積分式A/D轉(zhuǎn)換器對串模干擾抑制能力為n式中，E為串模干擾幅值； 為干擾產(chǎn)生的輸出折算到輸入端的電壓幅值；T為干擾信號周期；T0為A/D變換周期。)/sin(/lg20)/lg(2000TTTTUENMRRininU6.1.2 抗干擾措施和方法n為了使T0與電源頻率一致，往往用鎖相環(huán)實現(xiàn)對T0對T的跟蹤；一般V-F型積分式A/D變換器

7、不能對抗“過零干擾”，在串模干擾較大時，應選用雙積分式A/D變換器。6.1.2 抗干擾措施和方法（3）其他措施n對于主要來自于電磁感應的串模干擾，應盡可能早的對被測信號進行前置放大，或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。n從選擇器件入手。n如果串模干擾的變化速度與被測信號相當，此時應該從根本上消除產(chǎn)生串模干擾的原因。對測量元件或變送器等進行良好的屏蔽；信號線選用帶屏蔽層的雙膠線或同軸電纜線，并應有良好的接地系統(tǒng)；用數(shù)字濾波技術對帶有串模干擾的數(shù)據(jù)進行處理。6.1.2 抗干擾措施和方法2.共模干擾的抑制n共模干擾的能力用共模抑制比CMRR來表示：式中，Vcm為共模干擾電壓；Vcml

8、為共模干擾引起的等效電壓。（1）浮空方法n浮空：使模擬量通道對共模電壓存在高的阻抗，或者說對電源和地存在高阻抗，從而達到抑制共模干擾的目的?？刹捎酶〉剌斎腚p層屏蔽放大器來抑制干擾。)(lg20dBVVCMRRlcmcm6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法應注意：n信號線屏蔽曾只允許一端接地，且只能在信號源側(cè)接地，而放大器側(cè)不能接地，當信號源為浮地方式時，屏蔽只接信號源的低電位端。n模擬信號的輸入端要相應地采取三線采樣開關。n設計輸入電路時，應使放大器兩輸入端對屏蔽罩的絕緣電阻盡量對稱，且盡可能減小線路的不平衡電阻。6.1.2 抗干擾措施和方法實際效果下降的原因：n放大器屏蔽

9、罩不可能十分完整；n高溫高濕地區(qū)，放大器對屏蔽罩、屏蔽罩對機殼以及屏蔽線芯線對屏蔽層的絕緣電阻要大幅度下降；n因系統(tǒng)寄生電容較大，對交流的抗共模干擾能力往往低于直流。（2）采用差動放大器的浮動測量方法n此法對模擬電壓測量和三位或四位數(shù)字電壓表來說已有足夠的共模抑制比，但對更高分辨率和靈敏度的檢測系統(tǒng)就不夠了。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法n高分辨率高靈敏度的檢測系統(tǒng)須采用保護式檢測系統(tǒng)。注：保護端能增加對電源頻率或更高頻率的共模抑制比。6.1.2 抗干擾措施和方法n對于輸入端接地的檢測系統(tǒng)，可以將保護端與輸入電壓低端連接，這樣幾乎可以將共模電流全部旁路在檢測電路之外。

10、6.1.2 抗干擾措施和方法例，測量電橋的不平衡電壓時，分幾種情況進行說明：6.1.2 抗干擾措施和方法將保護端連至低端6.1.2 抗干擾措施和方法保護端與電橋的低端連接6.1.2 抗干擾措施和方法保護端與電橋的地線連接n在大多數(shù)情況下，這種連接方法最好，對地線上的共模電壓比較高而直流共模電壓比較低的情況特別適用。采用驅(qū)動保護端的方法6.1.2 抗干擾措施和方法（3）隔離方法n隔離方法：利用變壓器或光電耦合器將各種模擬負載與數(shù)字信號源隔離開來，即將“模擬地”與“數(shù)字地”斷開，被測信號通過變壓器耦合或光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不成回路而得到較有效的抑制。n變壓器：是無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，但性

11、能不及光電耦合器件。n光電耦合器：比變壓器抑制干擾的效果更好。6.1.2 抗干擾措施和方法光電耦合器具有很強的抗干擾能力，主因是：n它的輸入阻抗很低；n輸入回路與輸出回路之間的分布電容極小，而絕緣電阻又較大；n輸入與輸出回路間是在密封條件下進行光耦合，不受外界光的干擾。6.1.2 抗干擾措施和方法n光電耦合的常用電路形式：6.1.2 抗干擾措施和方法光電耦合器使用時要注意：n當工作頻率升高時，雖然輸入電壓幅值不變，但輸出卻要下降。光電耦合器的最高工頻隨負載阻抗的減小而升高。n光電耦合器的大多數(shù)參數(shù)受溫度的影響較大。n使用時輸入端反向電壓不能超過6V，且輸入特性的正向死區(qū)較大。n光電耦合器的輸入

12、部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源。6.1.2 抗干擾措施和方法3.過程通道的抗干擾（1）開關量輸入輸出的抗干擾n開關量輸入輸出回路主要采用隔離器件切斷其公共地線，實現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈沖。n輸入電路：采用光電耦合器的開關量輸入隔離電路。6.1.2 抗干擾措施和方法n輸出電路：采用繼電器隔離的開關量輸出電路。注：在啟停負荷很大時，應采用小型繼電器的觸點控制中間繼電器或交流接觸器的線包回路；適用于控制響應速度不高的啟停操作。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法（2）模擬量輸入輸出電路的抗干擾n模擬量I/O電路與外界的電氣隔離可用安全柵來實現(xiàn)。

13、n安全柵：是有源隔離式的四端網(wǎng)絡。n抗干擾屏障應設在最先遇到開關信號工作的位置上。對A/D轉(zhuǎn)換電路而言，光電耦合設在A/D芯片和模擬量多路開關芯片這兩類電路的數(shù)字量信號線上；對D/A轉(zhuǎn)換電路而言，應設在D/A芯片和采樣保持芯片的數(shù)字量信號線上。n注：用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號全部隔離。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法4.電源與電網(wǎng)干擾的抑制（1）抑制電網(wǎng)干擾的措施措施一：采用能抑制交流電源干擾的計算機系統(tǒng)源。措施二：采用不間斷電源UPS。它除了有很強的抗電網(wǎng)干擾能

14、力外，更主要的是萬一電網(wǎng)斷電，它能以極短的時間切換到后備電源上去。措施三：以開關式直流穩(wěn)壓電源代替各種穩(wěn)壓電源。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法（2）印刷電路板電源開 關噪聲的抑制n降低開關噪聲的方法：以短線向各印刷電路板并行供電，且電路板里的電源線采用格子形狀或用多層板，做成網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)。在電路板上的每個IC都接入高頻特性好的旁路電容器。6.1.2 抗干擾措施和方法5.地線系統(tǒng)干擾的抑制n地線：指電路中的某一點，用做電路中其他被測電位的參考點。一個電路系統(tǒng)中可能同時存在著幾個接地點，這些接地點可能處于相同電位，也可能處于不同電位。n有三種地線接地方式：安全接地、電源接地、

15、信號接地。n設計時要以下三點：接地方式的選擇、接地位置的選擇、電纜和接插件的屏蔽。6.1.2 抗干擾措施和方法（1）接地方式的選擇n接地的方式有一點接地和多點接地之分。多點接地一般適用于10MHz的高頻電路；低于1MHz的低頻電路應一點接地。n一點接地方式有并聯(lián)一點接地和串聯(lián)一點接地。n并聯(lián)方式可以使電路的電流流過導線時所產(chǎn)生的壓降互不影響，但實現(xiàn)起來較麻煩；6.1.2 抗干擾措施和方法n串聯(lián)接地方式：引線少，容易實現(xiàn)，是較常用的接地方式。n使用串聯(lián)接地時要注意：各個電路接地線應盡量縮短；條件允許時應盡可能地加粗導線截面，同時應注意支線、干線和總線應根據(jù)電流大小按比例地加大。電平較低的子系統(tǒng)應

16、距離總地線最近，或者電流較大的子系統(tǒng)應距離總地線較近。6.1.2 抗干擾措施和方法（2）接地位置的選擇n電源變壓器靜電屏蔽層的接地點6.1.2 抗干擾措施和方法n超屏蔽變壓器的屏蔽層接地點n小信號、高增益多級放大器的接地點n屏蔽層與公共端的連接n交流地、功率地同信號地不能共用n屏蔽地或是機殼地接法6.1.2 抗干擾措施和方法（3）電纜和接插件的屏蔽注意：n高電平線和低電平線不要走同一條電纜；不得已時，高電平線應單獨組合和屏蔽，同時要仔細選擇低電平線的位置。n高電平線和低電平線不要使用同一接插件。不得已時，要將高低電平端子分立兩端，中間預留接高低電平引地線的備用端子。n設備上進出電纜的屏蔽應保持

17、完整，電纜和屏蔽體要經(jīng)插件連接。6.1.2 抗干擾措施和方法6.電路工藝準則（1）結(jié)構(gòu)安排n電路元件的安裝位置應盡量根據(jù)信號的傳輸順序排成一直線走向，即輸入級放大級信號轉(zhuǎn)換級輸出級，各級元件不要混合交叉。n電路中的熱源及電磁感應耦合元件應遠離輸入級。n電路復雜，單元較多，可按單元分塊裝配，必要時將輸入級與高頻振蕩級用屏蔽層隔離。當電路較小時，應考慮合理利用空間，對較重元件加固定支架。6.1.2 抗干擾措施和方法（2）布線原則n輸入級的弱信號線與輸出級的強信號線，以及可能引起寄生耦合的線，都應盡量遠離并嚴禁平行走線。直流信號線與交流信號線應盡量遠離。n放大器各放大級的元件應采取一點接地。低電平信

18、號線的地線、干擾源地線和金屬殼的地線應分開設置，最后集中一點接地。n輸入電纜的屏蔽層應選擇適當?shù)慕拥攸c。不同電纜的信號線要互相交織，禁忌平行。6-2 檢測系統(tǒng)的可靠性技術n6.2.1 單機系統(tǒng)的可靠性和偶然出 錯分類n6.2.2 排除偶然出錯的方法n6.2.3 系統(tǒng)的可靠度和失效率n6.2.4 系統(tǒng)可靠性設計基礎n6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設計方法n6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算6.2.1 單機系統(tǒng)的可靠性和偶然 出錯分類1.單機系統(tǒng)可靠性的數(shù)學描述為：式中， 為單機系統(tǒng)可靠性；RA為微機可靠率；RB為數(shù)據(jù)采集及接口可靠率；RC為外設部分可靠率；RD為被測對象可靠率。2.偶然出錯主要表現(xiàn)在

19、：n外設沒有正確執(zhí)行微機命令；n微機產(chǎn)生錯誤命令。DCBARRRRRR6.2.2 排除偶然出錯的方法1. 對于上述兩種偶然出錯常用“指令重新執(zhí)行”方法。2.常用的檢錯方法有：（1）檢錯-糾錯編碼n檢錯-糾錯編碼就是在被傳遞的信息碼上增加編碼，用以檢測或糾正錯誤。（2）硬件時間監(jiān)護n硬件時間監(jiān)護又稱子程序定時，它規(guī)定每一個子程序的執(zhí)行時間，如果超時則認為程序走錯了方向，并通過硬件使程序重新執(zhí)行該子程序。6.2.3 系統(tǒng)的可靠度和失效率n系統(tǒng)的可靠度R(t)：指在規(guī)定的時間內(nèi)系統(tǒng)完成規(guī)定任務的概率。n微機應用系統(tǒng)失效特性曲線分三個階段：早期失效、壽命期、損耗期。6.2.4 系統(tǒng)可靠性設計基礎1.可

20、靠性指標根據(jù)生產(chǎn)工藝、測試要求以及元器件現(xiàn)狀來確定。2.可靠性分配根據(jù)系統(tǒng)的可靠性模型，將可靠性指標分配給每一個部件的失效率，直到分配給元器件的失效率。3.建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型確定部件的連接關系，即串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)關系。4.系統(tǒng)可靠性預測在系統(tǒng)模型和部件可靠數(shù)據(jù)的基礎上進行的。NiiNKMTBF116.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設計方法1.元器件選擇和篩選（1）元器件選擇原則：n在經(jīng)濟條件允許時，應盡可能選用 小的器件，否則，首先要考慮滿足可靠性指標的要求。n盡量選用集成度高的元器件。（2）篩選的基本思想 選擇若干典型環(huán)境因素，施加適當?shù)沫h(huán)境應力于電子硬件，把其所有缺陷盡可能徹底地激發(fā)出

21、來，然后再加以更換，同時又不使良好的硬件受到損傷或性能衰退。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設計方法2.降額技術n絕大部分元器件的失效率隨環(huán)境應力的降低而下降，這是降額設計提高系統(tǒng)可靠度的依據(jù)。n降額包括熱、電、機械和其他環(huán)境應力。n降額方法：（1）熱應力降額指元器件實用溫度低于額定溫度，一般取額定值的60%75%；（2）電應力降額包括降低電平范圍、負載、高低電平指標。通常取70%的負載。（3）機械應力只用額定值的60%70%。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設計方法3.環(huán)境保護（1）熱設計n把熱量輸入降到最小，提供良好的熱傳導、熱輻射和通風條件，最大限度的降低機內(nèi)的溫升；正確安排元器件，使主要發(fā)熱器

22、遠離電解電容、LSI芯片等。（2）防潮設計n憎水處理：涂敷硅有機化合物以提高設備憎水能力。n密封：對要求具有較強防潮能力的部件采用專門的箱體密封或充氣密封。n防鹽霧、腐蝕、霉菌設計：用三防涂料涂敷線路板。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設計方法4.系統(tǒng)的簡化和標準化n系統(tǒng)在性能設計之后，應對其進行簡化和標準化。n包括硬件簡化、標準化以及軟件優(yōu)化和固化。n系統(tǒng)的簡化和標準化對于提高設備部件的互換性、可靠性和可維修度都是非常必要的。6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算n檢測系統(tǒng)或儀表有兩種故障狀態(tài)：一種是完全不能工作的故障狀態(tài)；另一種是還能工作但系統(tǒng)已失去所要求的精度狀態(tài)。n以熱電偶溫度檢測系統(tǒng)為例。6.

23、2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算6-3 系統(tǒng)故障檢測與診斷技術n6.3.1 故障檢測與診斷基礎n6.3.2 故障檢測與診斷原理n6.3.3 故障檢測與診斷的數(shù)學方法6.3.1 故障檢測與診斷基礎1.故障檢測與診斷的目的n能及時、正確地對各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預防或消除故障，提高設備運行的可靠性、安全性和有效性。n保證設備（系統(tǒng)）發(fā)揮最大的設計能力，制定合理的檢測維修制度。n通過檢測監(jiān)視、故障分析、性能評估等，為設備（系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。6.3.1 故障檢

24、測與診斷基礎2.故障檢測和診斷的任務n故障檢測的任務：了解和掌握設備的運行狀態(tài)，對運行狀態(tài)進行評估，并判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài)，并對狀態(tài)進行顯示和記錄，對異常狀態(tài)做出報警。n故障診斷的任務：根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)、環(huán)境條件以及運行歷史，對設備可能要發(fā)生的或已經(jīng)發(fā)生的故障進行預報和分析、判斷，確定故障的性質(zhì)等，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及其后果，提出對策措施，并加以實施，最終使設備復原到正常狀態(tài)。n指導設備（系統(tǒng)）的管理維修6.3.1 故障檢測與診斷基礎3.故障檢測與診斷的基本方法（1）傳統(tǒng)的故障診斷方法n首先，利用各種物理、化學的原理和手段，通過伴隨故障出現(xiàn)的物理和化學現(xiàn)象，直接檢測故障。n其次，利用故障所對應的征兆來診斷故障。（2）故障的智能診斷方法將人工智能的理論和方法用于故障診斷。（3）故障診斷的數(shù)學方法包括基于模式識別的診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波變換等。