第六章智能儀器的可靠性與抗干擾技術(shù)

一、可靠性概述二、干擾噪聲的認(rèn)識(shí)三、電磁耦合干擾分析方法四、抑制技術(shù)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(shí)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(chǔ)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(shí)，稱之為失效?？煽啃灾笜?biāo)描述一個(gè)元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標(biāo)。常用可靠性指標(biāo)有：可靠度、失效率和平均無故障時(shí)間

常用的可靠性指標(biāo)

（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(shí)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(yàn)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(shí)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(duì)于給定的t，則有隨著時(shí)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(shí)刻以前一直正常工作的條件下，在t時(shí)刻以后單位時(shí)間內(nèi)失效的概率，記作，表示為：其中，是時(shí)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(xiǎn)率或風(fēng)險(xiǎn)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(shí)失效率高，隨著時(shí)間的推移逐步減小，造成這種失效的主要原因是設(shè)計(jì)和制造上的缺陷、管理不當(dāng)、檢驗(yàn)疏忽等。如圖a所示。偶然失效型：失效率與時(shí)間無關(guān)，為一個(gè)常數(shù)，這是在使用過程中因某種不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)因素產(chǎn)生的。如圖b所示。耗損失效型：失效率隨著時(shí)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(dòng)態(tài)或靜態(tài)老化試驗(yàn)使其渡過早期失效期。之后，裝置或系統(tǒng)進(jìn)入到偶然失效期，這是裝置或系統(tǒng)的最佳工作時(shí)期。一般希望這段時(shí)間的失效率盡可能的小，運(yùn)行時(shí)間盡可能的長。運(yùn)行后期進(jìn)入耗損失效期。圖d浴盆曲線

（4）平均無故障時(shí)間（MTBF）

作為可修復(fù)的智能儀器的壽命T是一個(gè)連續(xù)型隨機(jī)變量。隨機(jī)變量T的數(shù)學(xué)期望就是電力電子裝置或系統(tǒng)的平均無故障時(shí)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(rèn)識(shí)

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(jī)械干擾（摩擦起電、導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)、壓電效應(yīng)、震顫效應(yīng)），其它噪聲（電化學(xué)作用的化學(xué)濕電池，溫度變化等）

三種耦合途徑傳導(dǎo)耦合：通過導(dǎo)體（導(dǎo)線）將噪聲耦合進(jìn)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(gè)公共阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生公共阻抗噪聲耦合。電磁場(chǎng)耦合：只要電荷發(fā)生移動(dòng)，所有的電路元件、導(dǎo)線都會(huì)輻射電磁場(chǎng)，存在來自發(fā)射源的輻射。近場(chǎng)時(shí)，分別考慮電場(chǎng)和磁場(chǎng)；遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，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(huì)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(gè)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(cè)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(shí)具備三要素：干擾源、對(duì)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(tái)電視臺(tái)交流供電電路電動(dòng)機(jī)移動(dòng)通訊移動(dòng)通信設(shè)備天體電磁輻射電子設(shè)備的干擾對(duì)其它電路系統(tǒng)的影響傳導(dǎo)噪聲電子系統(tǒng)內(nèi)部不同電路單元之間電場(chǎng)耦合磁場(chǎng)耦合公共阻抗

消除干擾源

抑制干擾積極、主動(dòng)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(shí)，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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、集成電路開關(guān)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(duì)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(dǎo)干擾信號(hào)的轉(zhuǎn)移；改變接地形式切斷干擾途徑等。對(duì)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(duì)干擾的敏感性，必須提高檢測(cè)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(gè)設(shè)計(jì)良好的檢測(cè)裝置應(yīng)該具備對(duì)有用信號(hào)敏感、對(duì)干擾信號(hào)盡量不敏感的特性。

三電磁場(chǎng)耦合分析方法電磁場(chǎng)麥克斯韋方程分析：三個(gè)空間變量（x，y，z）和時(shí)間（t）的函數(shù)。電路等效近似分析技術(shù)（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(shù)（集總參數(shù)元件,消除空間變量）電場(chǎng)被限定在電容器內(nèi)部：關(guān)注電壓磁場(chǎng)被限定在電感器內(nèi)部：關(guān)注電流電路尺寸相對(duì)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(chǎng)→電磁感應(yīng)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(guān)；在空氣中大約3×108m/s，1MHz信號(hào)的波長300m，1GHz，λ=0.3m.

近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng):源、介質(zhì)、距離r=λ/2π為分界點(diǎn)近場(chǎng)感應(yīng)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)波阻抗：Z=E/H，在遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)條件下：電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別考慮，高電壓小電流以電場(chǎng)為主；低電壓大電流以磁場(chǎng)為主。電場(chǎng)占優(yōu)：E∝1/r3、H∝1/r2磁場(chǎng)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(shè)計(jì)抵消技術(shù)四抑制干擾的主要技術(shù)

屏蔽技術(shù)

靜電屏蔽；電磁屏蔽；低頻磁屏蔽；驅(qū)動(dòng)屏蔽

（1）靜電屏蔽處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部無電力線，即各點(diǎn)等電位。利用金屬導(dǎo)體的這一性質(zhì)，并加上接地措施，則靜電場(chǎng)的電力線就在接地金屬導(dǎo)體處中斷，從而起到隔離電場(chǎng)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(gè)梳齒形導(dǎo)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(yīng)用之一。（2）電磁屏蔽電磁屏蔽的基本原理是采用導(dǎo)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(hù)的電路包圍在其中，利用高頻電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽金屬的電磁感應(yīng)作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，用渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消或減弱干擾磁場(chǎng)的影響，從而得到屏蔽的效果。它主要用來防止高頻電磁場(chǎng)的影響。電磁屏蔽在屏蔽體上制造一個(gè)反向電流is

，其中干擾源在導(dǎo)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(chǎng)的耦合。

若將電磁屏蔽導(dǎo)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(dǎo)體的互感為M，則在高頻情況下，可以認(rèn)為rs<<ωLs，所以但在低頻時(shí)，

rs>>ωLs，所以由上式可知，在低頻時(shí)ω值很小，故Is值也很小，這樣一來對(duì)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(chǎng)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(chǎng)或固定磁場(chǎng)(幅度、方向不隨時(shí)間變化，如永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng))耦合干擾的有效措施。任何通過電流的導(dǎo)線或線圈周圍都存在磁場(chǎng)，它們可能對(duì)檢測(cè)儀器的信號(hào)線或儀器造成磁場(chǎng)耦合干擾。電磁屏蔽對(duì)這種低頻磁通干擾的屏蔽效果是很差的，這時(shí)必須采用高導(dǎo)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(chǎng)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(dǎo)體1和導(dǎo)體2產(chǎn)生的磁通自成回路，消除了交互耦合。（4）驅(qū)動(dòng)屏蔽

通過1∶1電壓跟隨器來驅(qū)動(dòng)屏蔽導(dǎo)體的電位。若1∶1電壓跟隨器是理想的，則導(dǎo)體B與屏蔽層C二者等電位。此時(shí)，噪聲源A影響不到導(dǎo)體B。盡管導(dǎo)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(dòng)屏蔽能有效地抑制通過寄生電容的耦合干擾。

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

應(yīng)指出的是，在驅(qū)動(dòng)屏蔽中所應(yīng)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(yīng)當(dāng)足夠高。實(shí)際上這些要求只能在一定程度上得到滿足。驅(qū)動(dòng)屏蔽屬于有源屏蔽，只有當(dāng)線性集成電路出現(xiàn)以后，才有實(shí)用價(jià)值，目前它已在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

接地技術(shù)接地代表一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)電路的等電位參考點(diǎn)，接地的目的是為系統(tǒng)或電路的各部分提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位，并以低的阻抗為信號(hào)電流回流到信號(hào)源提供通路。這種地又稱為信號(hào)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(shè)備提供一個(gè)保護(hù)接地，或者是滿足靜電屏蔽的需要。

（1）電子測(cè)量系統(tǒng)中的多種地線保護(hù)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(shè)備的機(jī)殼、底盤以及避雷針等都需要接大地。對(duì)于單相電，為了保證用電的安全性，也應(yīng)采用具有保護(hù)接地線的單相三線制配電方式。信號(hào)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(hào)的基準(zhǔn)電位的信號(hào)地線。信號(hào)地線分為模擬地和數(shù)字地兩種。模擬地是模擬信號(hào)的零電位公共線。因?yàn)槟M信號(hào)一般較弱，所以對(duì)模擬地要求較高。數(shù)字地是數(shù)字信號(hào)的零電位公共線。由于數(shù)字信號(hào)一般較強(qiáng)，故對(duì)數(shù)字地要求可低些。但由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)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(dá)到足以影響數(shù)字電路正常工作的程度，但對(duì)于微弱的模擬信號(hào)來說，往往已成為嚴(yán)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(yīng)分別設(shè)置。信號(hào)源地線：信號(hào)源地線是傳感器本身的零電位基準(zhǔn)公共線。傳感器可看做是測(cè)量裝置的信號(hào)源。通常傳感器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而顯示、記錄等測(cè)量裝置則安裝在離現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)，在接地要求上二者不同。

負(fù)載地線：負(fù)載的電流一般較前級(jí)信號(hào)大得多，負(fù)載地線上的電流在地線中產(chǎn)生的干擾作用也大，因此負(fù)載地線和測(cè)量放大器的信號(hào)地線也有不同的要求。有時(shí)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(hào)。

（2）單點(diǎn)接地

獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地

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

共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地

缺點(diǎn)：A、B、C各點(diǎn)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(diǎn)：這種接地方法的結(jié)構(gòu)比較簡單，各電路的接地線短，電阻較小，在設(shè)備機(jī)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(diǎn)和C點(diǎn)的電位升