儀器儀表的可靠性及抗干擾設(shè)計

何濤 陳建民 朱惠玉

摘 要：儀器儀表的可靠性和抗干擾性直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效果和質(zhì)量。因此，技術(shù)人員在儀器儀表設(shè)計過程中一定要全面分析其可靠性和干擾因素，保證儀器儀表的運行質(zhì)量，降低其運行過程中存在的問題?；诖?，本文通過分析儀器儀表的可靠性和抗干擾性設(shè)計，希望能對儀器儀表設(shè)計管理提供指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞：儀器儀表；可靠性；抗干擾性

中圖分類號：TH702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0051-03

Reliability and Anti-jamming Design of Instruments and Meters

HE Tao1 CHEN Jianmin2 ZHU Huiyu3

（1.Henan Relations Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000；2. Henan Hongchang Electronics Co.， Ltd.， Xuchang Henan 461500；

3. Henan Province Productivity Promotion Center ，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The reliability and anti-interference of instruments directly affect the effect and quality of industrial production. Therefore， technicians in the process of instrument design must fully analyze its reliability and disturbance factors， ensure the operation quality of the instrument， reduce the problems in the operation process. Based on this， this paper analyzed the reliability and anti-interference design of the instrument， hoping to provide guidance and reference for the design and management of the instrument.

Keywords： instrumentation；reliability；anti-interference

隨著科技的進(jìn)步，儀器儀表的使用頻率越來越高。在儀器儀表使用過程中，儀器儀表的可靠性及抗干擾性直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。因此，為了有效提高工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，必須加強(qiáng)對儀器儀表的可靠性和抗干擾性的設(shè)計和研究，通過對儀器儀表的可靠性和抗干擾因素進(jìn)行研究，提高元件可靠性和抗干擾能力，從而為工業(yè)生產(chǎn)保駕護(hù)航。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，儀器儀表技術(shù)直接關(guān)乎生產(chǎn)水平和能力，所以工業(yè)生產(chǎn)對儀器儀表的可靠性和穩(wěn)定性要求比較高[1]。選擇儀器儀表的主要標(biāo)準(zhǔn)就是其可靠性，不同儀表均具有可靠性特性[2]。

實驗室所用儀器儀表會定期按照計量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而對其可靠性進(jìn)行檢測，確保設(shè)備數(shù)據(jù)可靠[3]。但是，對于高頻率使用的儀器儀表而言，其容易損壞，且穩(wěn)定性差，使用過程中由于操作方法和使用環(huán)境的影響，最終會嚴(yán)重影響儀器儀表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并且對這些儀器儀表并無法定期進(jìn)行校準(zhǔn)[4]。在工業(yè)生產(chǎn)中，有些操作人員會使用各類儀器儀表對所使用的儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，這種校準(zhǔn)方法無法保障所得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，甚至?xí)霈F(xiàn)錯誤的結(jié)論，最終會使工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，因此在對儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)時必須對其進(jìn)行可靠性控制。

儀器儀表的可靠性直接關(guān)乎工業(yè)生產(chǎn)能力，只有提高其可靠性，才能提高生產(chǎn)能力。在對儀表進(jìn)行設(shè)計時，要著重對其可靠性和抗干擾能力進(jìn)行設(shè)計，確保儀表的設(shè)計效益[5]。

1 儀器儀表可靠性設(shè)計

儀器儀表可靠性是評估其質(zhì)量的重要參數(shù)，加強(qiáng)可靠性設(shè)計能有效提高儀器儀表的質(zhì)量。在設(shè)計過程中，要提高儀表元件的可靠性，同時要確保儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，在滿足儀器儀表功能完整的情況下，盡可能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合分析儀表性能和可靠性指標(biāo)。為了保證儀器儀表具有較強(qiáng)的可靠性，在設(shè)計儀表的過程中，應(yīng)綜合考慮不利數(shù)值，確保儀表系統(tǒng)的可靠性[6]。

1.1 儀器儀表可靠性影響因素研究

1.1.1 操作人員的個人素質(zhì)。儀器儀表的可靠性在很大程度上是由操作人員的個人素質(zhì)決定的。在施工過程中，操作人員若對儀器儀表的性能不熟悉，容易導(dǎo)致儀表損傷，特別是在儀表安裝過程中，沒有按照操作說明進(jìn)行儀器儀表的安裝操作，對儀器儀表造成操作傷害[7]。只有提高操作人員的基本素質(zhì)，才能有效提高儀器儀表的可靠性。

1.1.2 對儀器儀表監(jiān)管不到位。儀器儀表安裝調(diào)試完成后，如果不對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān)管，會導(dǎo)致儀器儀表在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障，甚至?xí)?yán)重影響儀器儀表的穩(wěn)定性[8]。只有加強(qiáng)對儀器儀表的監(jiān)管，才能有效提高企業(yè)收益，促進(jìn)企業(yè)提升生產(chǎn)質(zhì)量。

1.2 儀器儀表可靠性設(shè)計

儀器儀表可靠性設(shè)計在儀器儀表的生產(chǎn)中具有重要意義，本研究以LJ6010標(biāo)準(zhǔn)源為例進(jìn)行研究，具體設(shè)計策略如下[9]。

1.2.1 儀器儀表可靠性設(shè)計依據(jù)。儀器儀表的可靠性決定生產(chǎn)質(zhì)量和水平。對儀器儀表的可靠性分析主要包括：儀器儀表組成元件性能滿足可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、儀器儀表結(jié)構(gòu)滿足可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。儀器儀表可靠性設(shè)計依據(jù)來源于生產(chǎn)，用于設(shè)計全過程，能有效排除可靠性影響因素。主要依據(jù)如下[10]：①儀器儀表需以生產(chǎn)需求為依據(jù)；②分析影響因素，計算偏差數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)；③注重儀器儀表元件之間的協(xié)調(diào)配合。

1.2.2 儀器儀表可靠性設(shè)計策略。首先，利用數(shù)學(xué)計算法規(guī)范儀器儀表元件的可靠性。各個元件以失效率為可靠性評價參數(shù)，計算公式為：

[λGS=λGiπQi×Ni×n] （1）

式中：[λGS]主要是指元件失效率，10-6/h；[λGi]主要是指第i個元件在整個儀器儀表中的通用失效率，10-6/h；[πQi]主要是指第i個元件在整個儀器儀表中的通用系數(shù)；[Ni]主要是指i元件在整個儀器儀表中的數(shù)量；[n]主要是指整個儀器儀表中元件數(shù)量。

通過式（1）可以確定儀器儀表中元件的性質(zhì)，同時可以分析元件的可靠性。

其次，利用壓力法預(yù)測儀器儀表的可靠性可有效保障元件的準(zhǔn)確度。主要是對儀器儀表的應(yīng)力法失效率進(jìn)行計算，計算公式為：

[λp=λbπE×πR×πA×πS2×πC] （2）

式中：[λp]主要是指儀器儀表的應(yīng)力法失效率；[λb]主要是指儀器儀表的故障率；[πE]主要是指儀器儀表的環(huán)境系數(shù)；[πR]主要指儀器儀表的電流因子；[πA]主要是指儀器儀表的應(yīng)力因子；[πS2]主要是指儀器儀表的電壓因子；[πC]主要是指儀器儀表的配置因子。

分析公式（2）的計算結(jié)果可有效降低儀器儀表的故障頻率，保障儀器儀表的穩(wěn)定性。

最后，通過元件失效率和儀器儀表的應(yīng)力法失效率計算，能有效調(diào)整整個系統(tǒng)模塊，從而評價儀器儀表的可靠性是否滿足技術(shù)要求指標(biāo)。根據(jù)儀器儀表的使用需求，改進(jìn)設(shè)計模塊，提高其可靠性。

2 儀器儀表抗干擾設(shè)計

2.1 儀器儀表干擾源分析

在對儀器儀表抗干擾設(shè)計過程中，需要分析其干擾源的分布。由于儀器儀表受外界影響較大，所以需要對其運轉(zhuǎn)過程中的干擾源進(jìn)行分析。具體干擾源引入方式包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。此外，設(shè)備和儀表在正常工作時，由于其正常運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而會嚴(yán)重影響儀器儀表的穩(wěn)定性，所以對設(shè)計人員而言，應(yīng)該準(zhǔn)確分析儀器儀表的干擾源，有效提高儀器儀表的穩(wěn)定性。圖1為超聲波探傷儀自檢系統(tǒng)的構(gòu)成。為提高該裝置運行的穩(wěn)定性，檢測過程需要結(jié)合變成和程序存儲空間，優(yōu)化程序設(shè)計，將字符高位以0補(bǔ)齊8位，從而可形成4個8位二進(jìn)制數(shù)值0X45、0XE1、0X10、0X11，這種操作能有效提高該儀器的抗干擾性。

2.2 儀器儀表抗干擾設(shè)計

儀器儀表抗干擾的方法較多，具體設(shè)計過程中，需要對其進(jìn)行全面分析，重點分析噪聲源、干擾途徑和接收電路對儀器儀表抗干擾性能的影響。

2.2.1 共模干擾抑制。共模干擾會造成信號畸變，嚴(yán)重影響儀器儀表的正常運轉(zhuǎn)，具體規(guī)避措施如下。①確保信號源外殼及儀器儀表的安全，保證系統(tǒng)和信號源接地的穩(wěn)定性，采用單點接地可有效規(guī)避共模干擾，提高儀器儀表的抗干擾能力。②雙層屏蔽浮地保護(hù)。在儀器儀表的加工過程中，在外殼的內(nèi)部再添加一層屏蔽罩，罩體、信號輸出端、儀器外殼采用電氣連接。采用上述方法可有效保障信號的穩(wěn)定性，提高儀器儀表的抗干擾能力。

2.2.2 串模干擾抑制。對于儀器儀表而言，串模干擾和被測信號同等重要，一旦儀器儀表在運行過程中出現(xiàn)串模干擾，就會嚴(yán)重影響儀器儀表的穩(wěn)定性，而且這種串模干擾是很難消除的。因此，在儀器儀表設(shè)計過程中，要重點分析儀器儀表的串模干擾抑制能力，主要規(guī)避手段和方式如下。

①濾波。對于直流信號而言，由于其變化的速率比較緩慢，所以在儀器儀表的信號輸入端增加新的增濾波電路。這種處理方法可有效降低干擾信號的影響，但在設(shè)計過程中，該方法的應(yīng)用比較少。

②屏蔽。在儀器儀表使用過程中，電場的干擾是最常見的。為了有效規(guī)避儀器儀表內(nèi)部的電場干擾，可將儀器儀表中的各種信號導(dǎo)線用金屬進(jìn)行包裹處理。常規(guī)的規(guī)避方法是在導(dǎo)線外部采用金屬網(wǎng)進(jìn)行包裹，主要的目的是屏蔽信號導(dǎo)線外部的“場”。

③信號導(dǎo)線的扭絞。信號導(dǎo)線的扭絞能有效降低信號回路包圍面積，同時能保證兩根信號導(dǎo)線相距干擾源的距離一致，還能保證分布電容一致，從而有效降低磁場和電場的相互作用，最終可有效抑制串模干擾。

上述方法均屬于被動的抑制措施。對于儀器儀表而言，在其運行過程中出現(xiàn)無法規(guī)避的干擾場時，可采用上述方法抑制干擾場。因此，在儀器儀表的實際使用過程中，應(yīng)防止儀器儀表干擾場的產(chǎn)生。例如，在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)將信號線和儀器儀表的動力線分離，兩者之間必須確保存在一定的科學(xué)距離。同時，在儀器儀表內(nèi)部布線時，一定要采用科學(xué)合理的布線規(guī)則進(jìn)行布線，降低磁場的出現(xiàn)概率。

3 可靠性和抗干擾設(shè)計發(fā)展

儀器儀表一般采用集成電子電路系統(tǒng)。集成電路經(jīng)常是在比較弱的電信號下工作，但受控制的系統(tǒng)又經(jīng)常是強(qiáng)電設(shè)備，這樣就很容易產(chǎn)生各種干擾信號。

雖然對儀表的可靠性和抗干擾設(shè)計提出了具體的改善措施，但在實際設(shè)計中仍存在較多問題，嚴(yán)重影響儀器儀表的質(zhì)量。因此，在后期發(fā)展過程中，應(yīng)重視儀器儀表可靠性和抗干擾性的設(shè)計，降低研發(fā)成本，提高設(shè)計質(zhì)量，合理優(yōu)化方案，同時從根本上解決影響儀器儀表穩(wěn)定性和抗干擾性的問題，提高儀器儀表的質(zhì)量。

4 結(jié)語

由于儀器儀表的工作環(huán)境存在較大差異性，所以儀器儀表的抗干擾源也存在較大差異。對于常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)而言，除了要測定儀器儀表本身的干擾因素外，還需對電器裝備放電干擾及通電、斷電干擾進(jìn)行分析。在對儀器儀表進(jìn)行設(shè)計和測試的過程中，要依據(jù)儀器儀表的特征進(jìn)行設(shè)計，針對其所處的工作環(huán)境進(jìn)行分析，這樣才能及時找出儀器儀表工作過程中的干擾因素，并且在對儀器儀表抗干擾設(shè)計時進(jìn)行專項設(shè)計，從而有效提高儀器儀表的可靠性和抗干擾性。

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