第六章：智能仪器可靠性与抗干扰技术

第六章智能仪器的可靠性与抗干扰技术一、可靠性概述二、干扰噪声的认识三、电磁耦合干扰分析方法四、抑制技术与措施一可靠性的基本概念元件或系统的可靠性元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。智能仪器装置或系统来，其规定条件包括环境温度和湿度，海拔，电磁环境，电网状况，储存条件及其它要求等。失效元件、装置或系统不能完成规定的功能时，称之为失效。可靠性指标描述一个元件、装置或系统的可靠程度的数量化的指标。常用可靠性指标有：可靠度、失效率和平均无故障时间常用的可靠性指标（1）可靠度函数R(t)可靠度函数:为元件或系统在规定时间内和规定的使用条件下，正常工作的概率。R(t)值可通过寿命试验得到若以T表示元件或系统的寿命，则事件（Tt）表示元件或系统在[0，t]时间内能正常工作，则可靠度函数为：若已知元件或系统的寿命T的概率密度函数，那么对于给定的t，则有tf010tttTPtR，，tdttftR随着时间的推移，T大于t的可能性不断降低。R(t)和f(t)的图形（2）失效率元件或系统的失效率定义为在t时刻以前一直正常工作的条件下，在t时刻以后单位时间内失效的概率，记作，表示为：ttttttTtPttTtlim0其中，是时间的函数。如果T服从指数分布，则为常数。失效率又称危险率或风险率，其常用单位是10-9/h，记作1非特。tRtftdttRdtlntdtttR0exp根据上述定义，可得到：⑶失效类型和浴盆曲线早期失效型：开始时失效率高，随着时间的推移逐步减小，造成这种失效的主要原因是设计和制造上的缺陷、管理不当、检验疏忽等。如图a所示。偶然失效型：失效率与时间无关，为一个常数，这是在使用过程中因某种不可预测的随机因素产生的。如图b所示。耗损失效型：失效率随着时间的推移而增大，造成这种失效的主要原因是元件的老化、疲劳、磨损等。如图c所示。图a早期失效曲线图b偶然失效曲线图c耗损失效曲线浴盆曲线：电力电子装置或系统的失效曲线是形似浴盆的曲线，称为浴盆曲线，如图d所示。系统在使用初期表现为早期失效型，可以通过产品在出厂前的动态或静态老化试验使其渡过早期失效期。之后，装置或系统进入到偶然失效期，这是装置或系统的最佳工作时期。一般希望这段时间的失效率尽可能的小，运行时间尽可能的长。运行后期进入耗损失效期。图d浴盆曲线（4）平均无故障时间（MTBF）作为可修复的智能仪器的寿命T是一个连续型随机变量。随机变量T的数学期望就是电力电子装置或系统的平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure——MTBF），即：0dtttfTE其中，为寿命T的概率密度函数。上式可变为tf0dttR二干扰噪声的认识干扰源本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源。电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等）三种耦合途径传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。电容耦合：噪声源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是二者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰会经过分布电容耦合到电子线路中。电磁耦合：由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。共地阻抗耦合：表示了一种共地线阻抗耦合。干扰源在Zc上产生的压降被接收电路接收。共源阻抗耦合：经公共电源或工作线路的内阻而产生的耦合。干扰源的电流在接收电路公共电抗Zc上的压降被接收电路所接收形成干扰干扰的三要素噪声源产生的噪声必须经过一定的耦合通道，才能够对电子测量系统的正常工作造成不良影响。换句话说，噪声形成干扰需要同时具备三要素：干扰源、对噪声敏感的接收电路及噪声源到接收电路之间的耦合通道。电子系统受到外部电磁干扰电力线雷电电台电视台交流供电电路电动机移动通讯移动通信设备天体电磁辐射电子设备的干扰对其它电路系统的影响传导噪声电子系统内部不同电路单元之间电场耦合磁场耦合公共阻抗消除干扰源抑制干扰积极、主动的措施是消除干扰源。要消除干扰源，必须首先确定何处是干扰源。在无法消除干扰源时，可采取抑制措施，在越靠近干扰源的地方采取措施，干扰抑制效果就越好。一般来说，电流或电压剧变的地方就是干扰源，比如继电器通断、电容充电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。另外，市电电源也并非理想的50Hz正弦波，而是含有各种频率的噪声，是不可忽略的噪声源。割断干扰耦合途径对于以“电路”的形式侵入的干扰，可采取诸如提高绝缘性能，采用隔离变压器、光耦合器等切断干扰途径；采用退耦、滤波等手段引导干扰信号的转移；改变接地形式切断干扰途径等。对于以“辐射”的形式侵入的干扰，一般采取各种屏蔽措施，如静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽等。提高抗干扰能力要削弱接收电路对干扰的敏感性，必须提高检测装置的抗干扰能力。一般来说，高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。一个设计良好的检测装置应该具备对有用信号敏感、对干扰信号尽量不敏感的特性。三电磁场耦合分析方法电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量（x，y，z）和时间（t）的函数。电路等效近似分析技术（集总参数元件）。电容性耦合～ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU互感耦合NNMIjUUNMIN漏电耦合NimiNEZRZUUN～RmENBAZi低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件,消除空间变量）电场被限定在电容器内部：关注电压磁场被限定在电感器内部：关注电流电路尺寸相对波长很小例：du/dt=2V/μs分布电容C=2PF近似可得I≈Cdu/dt=4μARi=10KΩ,Vi=40mV电流→磁场→电磁感应互感模型:v=-Mdi/dt高频电磁辐射耦合电磁波波长:λ=波速V/频率f，波速与传播介质有关；在空气中大约3×108m/s，1MHz信号的波长300m，1GHz，λ=0.3m.近场和远场:源、介质、距离r=λ/2π为分界点近场感应场远场辐射场波阻抗：Z=E/H，在远场条件下，E/H大小等于介质的特性阻抗，如空气或自由空间E/H=ZO=377Ω近场条件下：电场和磁场分别考虑，高电压小电流以电场为主；低电压大电流以磁场为主。电场占优：E∝1/r3、H∝1/r2磁场占优：E∝1/r2、H∝1/r3屏蔽接地平衡滤波隔离阻抗大小控制电缆设计抵消技术四抑制干扰的主要技术屏蔽技术静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽；驱动屏蔽（1）处于静电平衡状态下的导体内部无电力线，即各点等电位。利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线就在接地金属导体处中断，从而起到隔离电场的作用。静电屏蔽可以防止静电耦合干扰，可消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。+QA+QAB+QAB在电源变压器的原边与副边绕组之间，插入一个梳齿形导体，并将其接地，以此来防止两绕组之间的静电耦合，这是静电屏蔽的典型应用之一。（2）电磁屏蔽电磁屏蔽的基本原理是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中，利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果。它主要用来防止高频电磁场的影响。电磁屏蔽在屏蔽体上制造一个反向电流is，其中干扰源在导线上流过的电流方向相反，is产生的磁通与干扰源产生的磁通亦反向，相互抵消故能抑制磁场的耦合。若将电磁屏蔽导体看作是匝数为WS的线圈，其电阻、电感分别为rs、Ls，流过的电流为is；线圈的匝数为Wc，电感为Lc，流过的电流为ic；线圈与屏蔽导体的互感为M，则jcsssLrMIjI在高频情况下，可以认为rsωLs，所以cccsccsccssIKWIWWKILLKILMI但在低频时，rsωLs，所以cssIrMjI由上式可知，在低频时ω值很小，故Is值也很小，这样一来对低频的屏蔽效果就很小，所以电磁屏蔽只适用于防止高频电磁场的影响。（3）低频磁屏蔽低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)耦合干扰的有效措施。任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场，它们可能对检测仪器的信号线或仪器造成磁场耦合干扰。电磁屏蔽对这种低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的，这时必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层中通过，使内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。低频磁屏蔽磁性材料作为屏蔽体，将干扰源与干扰回路隔离。导体1和导体2产生的磁通自成回路，消除了交互耦合。（4）驱动屏蔽通过1∶1电压跟随器来驱动屏蔽导体的电位。若1∶1电压跟随器是理想的，则导体B与屏蔽层C二者等电位。此时，噪声源A影响不到导体B。尽管导体B与屏蔽层C之间有寄生电容存在，但因B与C等电位，故此寄生电容不起作用。因此驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。对电容传感器接收信号的驱动屏蔽。传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，也就消除了寄生电容的影响。应指出的是，在驱动屏蔽中所应用的1∶1电压跟随器不仅要求其输出电压与输入电压的幅值相同，而且要求两者之间的相移为零。另一方面，此电压跟随器的输入阻抗与Zi相并联，为减小其并联作用，则要求电压跟随器的输入阻抗值应当足够高。实际上这些要求只能在一定程度上得到满足。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性集成电路出现以后，才有实用价值，目前它已在工程中得到了越来越广泛的应用。接地技术接地代表一个系统或一个电路的等电位参考点，接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位，并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这种地又称为信号地。指地球的大地。系统或电路的某些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。（1）电子测量系统中的多种地线保护地线：为了安全起见，作为三相四线制电源电网的零线、电气设备的机壳、底盘以及避雷针等都需要接大地。对于单相电，为了保证用电的安全性，也应采用具有保护接地线的单相三线制配电方式。信号地线：智能仪器中的地线除特别说明是接大地的以外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。信号地线分为模拟地和数字地两种。模拟地是模拟信号的零电位公共线。因为模拟信号一般较弱，所以对模拟地要求较高。数字地是数字信号的零电位公共线。由于数字信号一般较强，故对数字地要求可低些。但由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟信号来说，往往已成为严重的干扰源。为了避免模拟地与数字地之间的相互干扰，二者应分别设置。信号源地线：信号源地线是传感器本身的零电位基准公共线。传感器可看做是测量装置的信号源。通常传感器安装在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内，在接地要求上二者不同。负载地线：负载的电流一般较前级信号大得多，负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用也大，因此负载地线和测量放大器的信号地线也有不同的要求。有时二者在电气上是相互绝缘的，它们之间通过磁耦合或光耦合传输信号。（2）单点接地独立地线并联一点接地优点：各设备的电位仅与各自的电流和地线电阻有关，不受其他设备的影响，可防止各设备之间相互干扰和地回路的干扰。缺