仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计 牟向阳

仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计牟向阳

摘要：随着当前相关技术手段的不断进步与发展，仪器仪表系统在工业生产中

的应用范围日渐增大，与此同时，仪器仪表的应用条件却愈发苛刻，怎样能够提

高系统运行可靠性与促进抗干扰性能的全面提升，现已成为仪器仪表设备的研究

的一项关键性内容，本文主就针对仪器的可靠性设计与抗干扰设计展开分析。

关键词：仪器仪表；抗干扰；设计

1仪器仪表的可靠性分析

仪器仪表是工业生产中的重要部件，决定了工业生产系统的控制水平。在仪

器仪表可靠性分析上，需要以两项内容为主：a保障仪器仪表内部组成元件的性能，促使其达到可靠性的标准；b优化仪器仪表的结构设计，在保障仪器仪表准

确应用的基础上实现可靠性。在仪器仪表可靠性方向发展的过程中，逐渐简化了

内部的系统结构，但是仪器仪表的控制性仍旧保持规范状态。仪器仪表可靠性的

依据是根据其在工业生产中的应用提出的，用于控制仪器仪表可靠性设计的整个

过程，尤其是仪器仪表内部元件、部件的安装设计，有利于排除不稳定因素的影响，保障仪器仪表在工业生产中的可靠性。对于仪器仪表可靠性分析的方法主要

有以下这些：

元器件应力法：元器件应力法是目前仪器仪表的主要预计方法。用于电子产

品中电子元器件的故障预计，是基于概率统计，在一定的标准和环境测试条件下，通过实验，对结果进行统计而得出的故障发生概率。

在概率统计中，利用威布尔分布根据分析工作中实际故障情况合理调整相关

参数，确保寿命分布类型与威布尔分布相吻合。威布尔分布有点估计与区间估计，其中的方法众多，而图估计是实际工作中最为常用的方法。图估计要求使用描点、连线、作图的方法来对确定分布类型的未知参数进行估计。

1可靠性结构模型

采用元器件应力法预计仪器仪表的可靠性，元器件具有同等重要性，既任何

一个元器件的失效都会导致整机失效。根据功能模块划分，建立串联可靠性模型。

模型未考虑机壳、铭牌、导线、螺钉、PCB 板和焊点的可靠性，未考虑软件

可靠性。

工作失效率预计模型

工作失效率预计模型为：λP=λbπEπQπK，式中：

λP —工作失效率，10-6／h；λb —基本失效率，10-6／h；πE —环境系数；πQ —质量系数；πK —种类系数。

例如：按照该模型可以算出贴片三极管和报警继电器的失效率。

2仪器仪表的抗干扰设计

在抗干扰设计方面，由于仪器仪表使用外部条件较为复杂，在实际运行过程

中除有用信号外还会受到外部其他电流信号的干扰，而这种干扰的来源是较为广

泛的，因而为了保证仪器仪表能够正常运行，在设计阶段设计人员应该采取相应

的措施将相关干扰因素排除，这样才能保证仪器仪表系统正常运行。

1干扰源

干扰的产生与干扰源密切相关，在其内部及外部均有发生的可能性。在仪器

仪表外部，部分大功率的用电设备与电力设备均存在成为干扰源的可能，仪器仪

表内部电源继电器、变压器、开关等也可能是干扰源。干扰引入方式具体可分成

以下几类：a静电感应。在互相对应的两物体内，若某一物体的电位出现了改变，则会因为物体间的电容而导致另一物体电位也产生改变。干扰源是经由电容性耦

合于回路当中所产生的干扰，其为两电场的互相作用所产生出的结果。b电磁感应：仪器仪表和信号源的连接导线、仪器仪表内部配线经由磁耦合从而在电路内

部产生干扰。工程项目中经常应用到的大功率变压器、交流电机等均存在强烈的

交变磁场，仪器仪表本身的闭合回路也正是基于此种类型的交变磁场，仪器仪表

闭合回路所产生的干扰正是处于此类变化性的磁场内所产生出的感应电势。c振动：导线在磁场内部运动时，会形成一定的感应电动势，因而处于振动环境当中

将信号导线能够维持良好的稳定性十分必要。

2.2仪器仪表抗干扰设计措施

抗干扰措施主要有以下几方面：

a电源干扰是仪器仪表中一个主要的干扰源, 尤其是在高压低压并存、模数混

合的多电源电路中，各电源使用DC-DC变换隔离。光耦隔离，由于没有直接的电

信号的连接, 没有共地点, 所以隔离了干扰的传递.另一方面, 光耦是一种能量传递

器件,由于一般的干扰作用时间短, 能量通常很小,不足以使发光器件发光而产生电

信号, 所以也就隔离了干扰的传递。尤其是对于高低压混合电路中高压部分和低

压部分, 可以很好的隔离前后级相互干扰。图1给出采用光耦隔离输入输出通道

和CPU 的例子。

b串膜屏蔽设计，是利用屏蔽法提升仪器仪表的抗干扰能力。利用金屑网对

信号导线进行包裹处理，然后在外部设计绝缘层，可以隔断电场耦合。同时，屏

蔽设计方式还能有效减少电磁与静电感应所带来的干扰问题。在设计屏蔽层时，

使屏蔽接地，提升屏蔽的效率和质量，如果不能接地，则影响屏蔽层的使用质量。 c滤波设计法，利用滤波设计法提升仪器仪表的抗干扰能力，对仪器仪表的

运行变化情况进行分析，计算出直流信号数据，然后利用滤波阻隔各类干扰信号，如图2所示。另外，在电源变压器的初级采用“双绕组扼流圈”的滤波线路，它阻

断高频干扰信号，进行高频隔离，而且能够抑制外界空间电磁场的干扰。

图1用光电耦合对CPU实施隔离

图2 自适应滤波器

d在PCB板的设计中，可以通过分层、恰当的布局布线和安装实现PCB的抗ESD设计。如，缩短高频元件之间的连线，减少分布参数和相互的电磁干扰，输

入和输出端加线间地线，避免近距离平行。

结语:随着仪器仪表应用范围和技术含量的不断提升，仪器仪表系统的使用条

件或环境也趋向严格，外部环境不同对仪器仪表运行的干扰也不同，因而在对仪

器仪表系统进行设计和测试过程中，除了要根据仪器仪表本身进行设计外还要结

合相应的使用环境来进行优化设计和具体分析，将具体条件下的主要干扰因素找出，从而有针对性地设计抗干扰措施，保证仪器仪表系统能够顺利进行。

参考文献

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