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(shù)6-1 檢測系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)6-2 檢測系統(tǒng)的可靠性技術(shù)6-3 系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)6-1 檢測系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)6.1.1 干擾和噪聲源6.1.2 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:空間(電磁感應(yīng))傳輸通道配電系統(tǒng)6.1.1 干擾和噪聲源1.外部干擾（1）串模干擾串模干擾：是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到系統(tǒng)上。來源：高壓輸電線、與信號線平行敷設(shè)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）共模干擾共模干擾：指輸入通道兩個輸入端上共有

2、的干擾電壓。6.1.1 干擾和噪聲源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。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。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(dāng)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：當(dāng)同一電源系統(tǒng)中的可控硅器件通斷時產(chǎn)生的尖峰，通過變壓器的初級與次級間

3、的電容耦合到直流電源中產(chǎn)生的干擾。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。共用同一個電源的附近設(shè)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)字電路的干擾電容性耦合：在數(shù)字電路的元件和元件之間，導(dǎo)線和導(dǎo)線之間，導(dǎo)線和元件之間，導(dǎo)線和結(jié)構(gòu)件之間都存在著分布電容。如果某一導(dǎo)體上的信號電壓通過分布電容使其他導(dǎo)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(guān)電源干擾、空間電磁場干擾、電網(wǎng)浪涌電壓干擾

4、、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。抑制串模干擾的具體措施：信號濾波，信號積分等。6.1.2 抗干擾措施和方法（1）信號濾波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。主要的抗干擾措施是：用低通輸入濾波器濾除交流干擾。常用的低通濾波器：RC濾波器、LC濾波器、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R

5、C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(biāo)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，故常用兩級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為輸入通道的濾波器。6.1.2 抗干擾措施和方法（2）信號積分原理：用雙

6、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。積分式A/D轉(zhuǎn)換器對串模干擾抑制能力為式中，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。6.1.2 抗干擾措施和方法為了使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變換器不能對抗“過零干擾”，在串模干擾較大時，應(yīng)選用雙積分式A/D變換器。6.1.2 抗干擾措施和方法（3）其他措施對于主要來自于電磁感應(yīng)的串模干擾，應(yīng)盡可能早的對被測信號進

7、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。從選擇器件入手。如果串模干擾的變化速度與被測信號相當(dāng)，此時應(yīng)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(yīng)有良好的接地系統(tǒng)；用數(shù)字濾波技術(shù)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為共模干擾引起的等效電壓。（1）浮空方法浮空：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

8、。6.1.2 抗干擾措施和方法6.1.2 抗干擾措施和方法應(yīng)注意：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(dāng)信號源為浮地方式時，屏蔽只接信號源的低電位端。模擬信號的輸入端要相應(yīng)地采取三線采樣開關(guān)。設(shè)計輸入電路時，應(yīng)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：放大器屏蔽罩不可能十分完整；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；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此法對模擬電壓測量和三位或四

9、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。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在大多數(shù)情況下

10、，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）隔離方法隔離方法：利用變壓器或光電耦合器將各種模擬負(fù)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。變壓器：是無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，但性能不及光電耦合器件。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：它的輸入阻抗很低；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；輸入與輸出回路間是在密封條件下進行光耦

11、合，不受外界光的干擾。6.1.2 抗干擾措施和方法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：當(dāng)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(fù)載阻抗的減小而升高。光電耦合器的大多數(shù)參數(shù)受溫度的影響較大。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。光電耦合器的輸入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(guān)量輸入輸出的抗干擾開關(guān)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。輸入電路：采用光電耦合器的開關(guān)量輸入隔離電路。6.1.2 抗干擾

12、措施和方法輸出電路：采用繼電器隔離的開關(guān)量輸出電路。注：在啟停負(fù)荷很大時，應(yīng)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(yīng)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模擬量I/O電路與外界的電氣隔離可用安全柵來實現(xiàn)。安全柵：是有源隔離式的四端網(wǎng)絡(luò)?？垢蓴_屏障應(yīng)設(shè)在最先遇到開關(guān)信號工作的位置上。對A/D轉(zhuǎn)換電路而言，光電耦合設(shè)在A/D芯片和模擬量多路開關(guān)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(yīng)設(shè)在D/A芯片和采樣保持芯片的數(shù)字量信號線上。注：用光電耦合器來隔離輸入

13、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(guān)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(guān)噪聲的抑制降低開關(guān)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

14、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。有三種地線接地方式：安全接地、電源接地、信號接地。設(shè)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(yīng)一點接地。一點接地方式有并聯(lián)一點接地和串聯(lián)一點接地

15、。并聯(lián)方式可以使電路的電流流過導(dǎo)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 抗干擾措施和方法串聯(lián)接地方式：引線少，容易實現(xiàn)，是較常用的接地方式。使用串聯(lián)接地時要注意：各個電路接地線應(yīng)盡量縮短；條件允許時應(yīng)盡可能地加粗導(dǎo)線截面，同時應(yīng)注意支線、干線和總線應(yīng)根據(jù)電流大小按比例地加大。電平較低的子系統(tǒng)應(yīng)距離總地線最近，或者電流較大的子系統(tǒng)應(yīng)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 抗干擾措施和方法超屏蔽變壓器的屏蔽層接地點小信號、高增益多級放大器的接地點屏蔽層與公共端的連接交流地、功率地同信號地不能共用屏蔽地或是機殼地接法6.

16、1.2 抗干擾措施和方法（3）電纜和接插件的屏蔽注意：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(yīng)單獨組合和屏蔽，同時要仔細選擇低電平線的位置。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(yù)留接高低電平引地線的備用端子。設(shè)備上進出電纜的屏蔽應(yīng)保持完整，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(zhǔn)則（1）結(jié)構(gòu)安排電路元件的安裝位置應(yīng)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。電路中的熱源及電磁感應(yīng)耦合元件應(yīng)遠離輸入級。電路復(fù)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

17、級用屏蔽層隔離。當(dāng)電路較小時，應(yīng)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(yīng)盡量遠離并嚴(yán)禁平行走線。直流信號線與交流信號線應(yīng)盡量遠離。放大器各放大級的元件應(yīng)采取一點接地。低電平信號線的地線、干擾源地線和金屬殼的地線應(yīng)分開設(shè)置，最后集中一點接地。輸入電纜的屏蔽層應(yīng)選擇適當(dāng)?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(shù)6.2.1 單機系統(tǒng)的可靠性和偶然出 錯分類6.2.2 排除偶然出錯的方法6.2.3 系統(tǒng)的可靠度和失效率6.2.4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計基礎(chǔ)6.2.5 提

18、高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計方法6.2.6 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(xué)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(shè)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：外設(shè)沒有正確執(zhí)行微機命令；微機產(chǎn)生錯誤命令。6.2.2 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(rèn)為程序走

19、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(wù)的概率。微機應(yīng)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(shè)計基礎(chǔ)1.可靠性指標(biāo)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(biāo)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(xué)模型確定部件的連接關(guān)系，即串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)關(guān)系。4.系統(tǒng)可靠性預(yù)測在系統(tǒng)模型和部件可靠數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計方法1.元器件選擇和篩選（1）元器件選擇原則：

20、在經(jīng)濟條件允許時，應(yīng)盡可能選用 小的器件，否則，首先要考慮滿足可靠性指標(biāo)的要求。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(dāng)?shù)沫h(huán)境應(yīng)力于電子硬件，把其所有缺陷盡可能徹底地激發(fā)出來，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(shè)計方法2.降額技術(shù)絕大部分元器件的失效率隨環(huán)境應(yīng)力的降低而下降，這是降額設(shè)計提高系統(tǒng)可靠度的依據(jù)。降額包括熱、電、機械和其他環(huán)境應(yīng)力。降額方法：（1）熱應(yīng)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(yīng)力降額包括降低電平范圍、負(fù)載、高低電平指標(biāo)。通常取70%的負(fù)載。（3）機

21、械應(yīng)力只用額定值的60%70%。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計方法3.環(huán)境保護（1）熱設(shè)計把熱量輸入降到最小，提供良好的熱傳導(dǎo)、熱輻射和通風(fēng)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)熱器遠離電解電容、LSI芯片等。（2）防潮設(shè)計憎水處理：涂敷硅有機化合物以提高設(shè)備憎水能力。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。防鹽霧、腐蝕、霉菌設(shè)計：用三防涂料涂敷線路板。6.2.5 提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計方法4.系統(tǒng)的簡化和標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)在性能設(shè)計之后，應(yīng)對其進行簡化和標(biāo)準(zhǔn)化。包括硬件簡化、標(biāo)準(zhǔn)化以及軟件優(yōu)化和固化。系統(tǒng)的簡化和標(biāo)準(zhǔn)化對于提高設(shè)備部件的互換性、可靠性和可維修

22、度都是非常必要的。6.2.6 檢測系統(tǒng)的可靠度計算檢測系統(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)。以熱電偶溫度檢測系統(tǒng)為例。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6.2.6 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(shù)6.3.1 故障檢測與診斷基礎(chǔ)6.3.2 故障檢測與診斷原理6.3.3 故障檢測與診斷的數(shù)學(xué)方法6.3.1 故障檢測與診斷基礎(chǔ)1.故障檢測與診斷的目的能及時、正確地對各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預(yù)防或消除故障，提高設(shè)備運行的可靠性、安全性和有效性。保證設(shè)備

23、（系統(tǒng)）發(fā)揮最大的設(shè)計能力，制定合理的檢測維修制度。通過檢測監(jiān)視、故障分析、性能評估等，為設(shè)備（系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。6.3.1 故障檢測與診斷基礎(chǔ)2.故障檢測和診斷的任務(wù)故障檢測的任務(wù)：了解和掌握設(shè)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。故障診斷的任務(wù)：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(shè)備可能要發(fā)生的或已經(jīng)發(fā)生的故障進行預(yù)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(shè)備復(fù)原到正常狀態(tài)。指導(dǎo)設(shè)備（系統(tǒng)）的管理維修6.3.1 故障檢測與診斷基礎(chǔ)3.故障檢測與診斷的基本方法（1）傳統(tǒng)的故障診斷方法首先，利用各種物理、化學(xué)的原理和手段，通過伴隨故障出現(xiàn)的物理和化學(xué)現(xiàn)象，直接檢測故障。其次，利用故障所對應(yīng)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(xué)方法包括基于模式識別的診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等。6.3.2 故障檢測與診斷原理1.