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1、第六章 检测系统的抗干扰与可靠性 技术n6-1 检测系统的抗干扰技术n6-2 检测系统的可靠性技术n6-3 系统故障检测与诊断技术6-1 检测系统的抗干扰技术n6.1.1 干扰和噪声源n6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.1 干扰和噪声源干扰串入系统的渠道主要有三个:n空间(电磁感应)n传输通道n配电系统6.1.1 干扰和噪声源1.外部干扰（1）串模干扰n串模干扰：是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到系统上。n来源：高压输电线、与信号线平行敷设的输电线和大电流控制线所产生的空间电磁场；信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等。（2）共模干扰n共模干扰：指输
2、入通道两个输入端上共有的干扰电压。6.1.1 干扰和噪声源n共模干扰电压可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高。n在检测系统中，检测元件和传感器是分散在生产现场的各个地方，因此，被测信号的参考接地点和检测系统输入信号的参考接地点之间存在一定的电位差，这个电位差就是共模干扰电压。n在测量电路中，被测信号有单端对地输入和双端对地输入两种方式。当存在共模干扰时，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压。6.1.1 干扰和噪声源6.1.1 干扰和噪声源6.1.1 干扰和噪声源（3）电源干扰从电源窜人的干扰一般有：n当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的
3、尖峰，通过变压器的初级与次级间的电容耦合到直流电源中产生的干扰。n附近的继电器动作时产生的浪涌电压，由电源线经变压器级间电容耦合产生的干扰。n共用同一个电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。6.1.1 干扰和噪声源2.数字电路的干扰n电容性耦合：在数字电路的元件和元件之间，导线和导线之间，导线和元件之间，导线和结构件之间都存在着分布电容。如果某一导体上的信号电压通过分布电容使其他导体上的电压受到影响。6.1.1 干扰和噪声源6.1.1 干扰和噪声源（1）内源干扰n内源干扰：由于系统运行所产生的干扰，意即干扰源在内部的干扰。（2）外源干扰n外源干扰：不是由于机器运行所产生的干扰。一般有逆变开关电
4、源干扰、空间电磁场干扰、电网浪涌电压干扰、过程输入输出通道干扰等。6.1.2 抗干扰措施和方法1.串模干扰的抑制n串模干扰的能力用串模抑制比NMRR来衡量式中，Vnm为串模干扰电压；Vnml为仪器输入端由串模干扰引起的等效差模电压。n抑制串模干扰的具体措施：信号滤波，信号积分等。6.1.2 抗干扰措施和方法（1）信号滤波n适用于干扰频谱不同的情况：用低通滤波器来抑制高频串模干扰；用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号的两侧，则用带通滤波器来抑制。n主要的抗干扰措施是：用低通输入滤波器滤除交流干扰。n常用的低通滤波器：RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器。6.1.
5、2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法RC滤波器：结构简单，成本低，但串模抑制比不高，且时间常数RC较大。LC滤波器：串模抑制比教高，但需要绕制电感，体积大，成本高。双T滤波器：对固定频率的干扰具有很高的抑制比，偏离该频率后抑制比迅速减小。主要滤除工频干扰。有源滤波器：可以获得比较理想的频率特性，但有源器件的共模抑制比一般难以满足要求，其本身的噪声也较大。6.1.2 抗干扰措施和方法n通常，仪器仪表的输入滤波器都采用RC滤波器，在选择电阻和电容参数时除了要满足NMRR指标外，还要考虑信号源的内阻抗，兼顾共模抑制比和放大器动态特性的要求，故常用两级阻容低通滤波网络作为输入通道的滤波器。
6、6.1.2 抗干扰措施和方法（2）信号积分n原理：用双积分A/D可以削弱周期性的串模干扰的影响。因为双积分A/D是对输入信号的积分值进行测量，若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零。n积分式A/D转换器对串模干扰抑制能力为n式中，E为串模干扰幅值； 为干扰产生的输出折算到输入端的电压幅值；T为干扰信号周期；T0为A/D变换周期。6.1.2 抗干扰措施和方法n为了使T0与电源频率一致，往往用锁相环实现对T0对T的跟踪；一般V-F型积分式A/D变换器不能对抗“过零干扰”，在串模干扰较大时，应选用双积分式A/D变换器。6.1.2 抗干扰措施和方法（3）其他措
7、施n对于主要来自于电磁感应的串模干扰，应尽可能早的对被测信号进行前置放大，或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。n从选择器件入手。n如果串模干扰的变化速度与被测信号相当，此时应该从根本上消除产生串模干扰的原因。对测量元件或变送器等进行良好的屏蔽；信号线选用带屏蔽层的双胶线或同轴电缆线，并应有良好的接地系统；用数字滤波技术对带有串模干扰的数据进行处理。6.1.2 抗干扰措施和方法2.共模干扰的抑制n共模干扰的能力用共模抑制比CMRR来表示：式中，Vcm为共模干扰电压；Vcml为共模干扰引起的等效电压。（1）浮空方法n浮空：使模拟量通道对共模电压存在高的阻抗，或者说对电源和地存在高阻
8、抗，从而达到抑制共模干扰的目的。可采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制干扰。6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法应注意：n信号线屏蔽曾只允许一端接地，且只能在信号源侧接地，而放大器侧不能接地，当信号源为浮地方式时，屏蔽只接信号源的低电位端。n模拟信号的输入端要相应地采取三线采样开关。n设计输入电路时，应使放大器两输入端对屏蔽罩的绝缘电阻尽量对称，且尽可能减小线路的不平衡电阻。6.1.2 抗干扰措施和方法实际效果下降的原因：n放大器屏蔽罩不可能十分完整；n高温高湿地区，放大器对屏蔽罩、屏蔽罩对机壳以及屏蔽线芯线对屏蔽层的绝缘电阻要大幅度下降；n因系统寄生电容较大，对交流的抗共模干
9、扰能力往往低于直流。（2）采用差动放大器的浮动测量方法n此法对模拟电压测量和三位或四位数字电压表来说已有足够的共模抑制比，但对更高分辨率和灵敏度的检测系统就不够了。6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法n高分辨率高灵敏度的检测系统须采用保护式检测系统。注：保护端能增加对电源频率或更高频率的共模抑制比。6.1.2 抗干扰措施和方法n对于输入端接地的检测系统，可以将保护端与输入电压低端连接，这样几乎可以将共模电流全部旁路在检测电路之外。6.1.2 抗干扰措施和方法例，测量电桥的不平衡电压时，分几种情况进行说明：6.1.2 抗干扰措施和方法将保护端连至低端6.1.2 抗干扰措施和方
10、法保护端与电桥的低端连接6.1.2 抗干扰措施和方法保护端与电桥的地线连接n在大多数情况下，这种连接方法最好，对地线上的共模电压比较高而直流共模电压比较低的情况特别适用。采用驱动保护端的方法6.1.2 抗干扰措施和方法（3）隔离方法n隔离方法：利用变压器或光电耦合器将各种模拟负载与数字信号源隔离开来，即将“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到较有效的抑制。n变压器：是无源器件，结构简单，但性能不及光电耦合器件。n光电耦合器：比变压器抑制干扰的效果更好。6.1.2 抗干扰措施和方法光电耦合器具有很强的抗干扰能力，主因是：n它的输入阻抗很
11、低；n输入回路与输出回路之间的分布电容极小，而绝缘电阻又较大；n输入与输出回路间是在密封条件下进行光耦合，不受外界光的干扰。6.1.2 抗干扰措施和方法n光电耦合的常用电路形式：6.1.2 抗干扰措施和方法光电耦合器使用时要注意：n当工作频率升高时，虽然输入电压幅值不变，但输出却要下降。光电耦合器的最高工频随负载阻抗的减小而升高。n光电耦合器的大多数参数受温度的影响较大。n使用时输入端反向电压不能超过6V，且输入特性的正向死区较大。n光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。6.1.2 抗干扰措施和方法3.过程通道的抗干扰（1）开关量输入输出的抗干扰n开关量输入输出回路主要采用隔离
12、器件切断其公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。n输入电路：采用光电耦合器的开关量输入隔离电路。6.1.2 抗干扰措施和方法n输出电路：采用继电器隔离的开关量输出电路。注：在启停负荷很大时，应采用小型继电器的触点控制中间继电器或交流接触器的线包回路；适用于控制响应速度不高的启停操作。6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法（2）模拟量输入输出电路的抗干扰n模拟量I/O电路与外界的电气隔离可用安全栅来实现。n安全栅：是有源隔离式的四端网络。n抗干扰屏障应设在最先遇到开关信号工作的位置上。对A/D转换电路而言，光电耦合设在A/D芯片和模拟量多路开关芯片
13、这两类电路的数字量信号线上；对D/A转换电路而言，应设在D/A芯片和采样保持芯片的数字量信号线上。n注：用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号全部隔离。6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法6.1.2 抗干扰措施和方法4.电源与电网干扰的抑制（1）抑制电网干扰的措施措施一：采用能抑制交流电源干扰的计算机系统源。措施二：采用不间断电源UPS。它除了有很强的抗电网干扰能力外，更主要的是万一电网断电，它能以极短的时间切换到后备电源上去。措施三：以开关式直流稳压电源代替各种稳压电源。6.1.2 抗干扰措施和方法6.1
14、.2 抗干扰措施和方法（2）印刷电路板电源开 关噪声的抑制n降低开关噪声的方法：以短线向各印刷电路板并行供电，且电路板里的电源线采用格子形状或用多层板，做成网眼结构。在电路板上的每个IC都接入高频特性好的旁路电容器。6.1.2 抗干扰措施和方法5.地线系统干扰的抑制n地线：指电路中的某一点，用做电路中其他被测电位的参考点。一个电路系统中可能同时存在着几个接地点，这些接地点可能处于相同电位，也可能处于不同电位。n有三种地线接地方式：安全接地、电源接地、信号接地。n设计时要以下三点：接地方式的选择、接地位置的选择、电缆和接插件的屏蔽。6.1.2 抗干扰措施和方法（1）接地方式的选择n接地的方式有一
15、点接地和多点接地之分。多点接地一般适用于10MHz的高频电路；低于1MHz的低频电路应一点接地。n一点接地方式有并联一点接地和串联一点接地。n并联方式可以使电路的电流流过导线时所产生的压降互不影响，但实现起来较麻烦；6.1.2 抗干扰措施和方法n串联接地方式：引线少，容易实现，是较常用的接地方式。n使用串联接地时要注意：各个电路接地线应尽量缩短；条件允许时应尽可能地加粗导线截面，同时应注意支线、干线和总线应根据电流大小按比例地加大。电平较低的子系统应距离总地线最近，或者电流较大的子系统应距离总地线较近。6.1.2 抗干扰措施和方法（2）接地位置的选择n电源变压器静电屏蔽层的接地点6.1.2 抗
16、干扰措施和方法n超屏蔽变压器的屏蔽层接地点n小信号、高增益多级放大器的接地点n屏蔽层与公共端的连接n交流地、功率地同信号地不能共用n屏蔽地或是机壳地接法6.1.2 抗干扰措施和方法（3）电缆和接插件的屏蔽注意：n高电平线和低电平线不要走同一条电缆；不得已时，高电平线应单独组合和屏蔽，同时要仔细选择低电平线的位置。n高电平线和低电平线不要使用同一接插件。不得已时，要将高低电平端子分立两端，中间预留接高低电平引地线的备用端子。n设备上进出电缆的屏蔽应保持完整，电缆和屏蔽体要经插件连接。6.1.2 抗干扰措施和方法6.电路工艺准则（1）结构安排n电路元件的安装位置应尽量根据信号的传输顺序排成一直线走
17、向，即输入级放大级信号转换级输出级，各级元件不要混合交叉。n电路中的热源及电磁感应耦合元件应远离输入级。n电路复杂，单元较多，可按单元分块装配，必要时将输入级与高频振荡级用屏蔽层隔离。当电路较小时，应考虑合理利用空间，对较重元件加固定支架。6.1.2 抗干扰措施和方法（2）布线原则n输入级的弱信号线与输出级的强信号线，以及可能引起寄生耦合的线，都应尽量远离并严禁平行走线。直流信号线与交流信号线应尽量远离。n放大器各放大级的元件应采取一点接地。低电平信号线的地线、干扰源地线和金属壳的地线应分开设置，最后集中一点接地。n输入电缆的屏蔽层应选择适当的接地点。不同电缆的信号线要互相交织，禁忌平行。6-
18、2 检测系统的可靠性技术n6.2.1 单机系统的可靠性和偶然出 错分类n6.2.2 排除偶然出错的方法n6.2.3 系统的可靠度和失效率n6.2.4 系统可靠性设计基础n6.2.5 提高系统可靠性的设计方法n6.2.6 检测系统的可靠度计算6.2.1 单机系统的可靠性和偶然 出错分类1.单机系统可靠性的数学描述为：式中， 为单机系统可靠性；RA为微机可靠率；RB为数据采集及接口可靠率；RC为外设部分可靠率；RD为被测对象可靠率。2.偶然出错主要表现在：n外设没有正确执行微机命令；n微机产生错误命令。6.2.2 排除偶然出错的方法1. 对于上述两种偶然出错常用“指令重新执行”方法。2.常用的检错
19、方法有：（1）检错-纠错编码n检错-纠错编码就是在被传递的信息码上增加编码，用以检测或纠正错误。（2）硬件时间监护n硬件时间监护又称子程序定时，它规定每一个子程序的执行时间，如果超时则认为程序走错了方向，并通过硬件使程序重新执行该子程序。6.2.3 系统的可靠度和失效率n系统的可靠度R(t)：指在规定的时间内系统完成规定任务的概率。n微机应用系统失效特性曲线分三个阶段：早期失效、寿命期、损耗期。6.2.4 系统可靠性设计基础1.可靠性指标根据生产工艺、测试要求以及元器件现状来确定。2.可靠性分配根据系统的可靠性模型，将可靠性指标分配给每一个部件的失效率，直到分配给元器件的失效率。3.建立系统的
20、可靠性数学模型确定部件的连接关系，即串联、并联、串-并联关系。4.系统可靠性预测在系统模型和部件可靠数据的基础上进行的。6.2.5 提高系统可靠性的设计方法1.元器件选择和筛选（1）元器件选择原则：n在经济条件允许时，应尽可能选用 小的器件，否则，首先要考虑满足可靠性指标的要求。n尽量选用集成度高的元器件。（2）筛选的基本思想 选择若干典型环境因素，施加适当的环境应力于电子硬件，把其所有缺陷尽可能彻底地激发出来，然后再加以更换，同时又不使良好的硬件受到损伤或性能衰退。6.2.5 提高系统可靠性的设计方法2.降额技术n绝大部分元器件的失效率随环境应力的降低而下降，这是降额设计提高系统可靠度的依据
21、。n降额包括热、电、机械和其他环境应力。n降额方法：（1）热应力降额指元器件实用温度低于额定温度，一般取额定值的60%75%；（2）电应力降额包括降低电平范围、负载、高低电平指标。通常取70%的负载。（3）机械应力只用额定值的60%70%。6.2.5 提高系统可靠性的设计方法3.环境保护（1）热设计n把热量输入降到最小，提供良好的热传导、热辐射和通风条件，最大限度的降低机内的温升；正确安排元器件，使主要发热器远离电解电容、LSI芯片等。（2）防潮设计n憎水处理：涂敷硅有机化合物以提高设备憎水能力。n密封：对要求具有较强防潮能力的部件采用专门的箱体密封或充气密封。n防盐雾、腐蚀、霉菌设计：用三防
22、涂料涂敷线路板。6.2.5 提高系统可靠性的设计方法4.系统的简化和标准化n系统在性能设计之后，应对其进行简化和标准化。n包括硬件简化、标准化以及软件优化和固化。n系统的简化和标准化对于提高设备部件的互换性、可靠性和可维修度都是非常必要的。6.2.6 检测系统的可靠度计算n检测系统或仪表有两种故障状态：一种是完全不能工作的故障状态；另一种是还能工作但系统已失去所要求的精度状态。n以热电偶温度检测系统为例。6.2.6 检测系统的可靠度计算6.2.6 检测系统的可靠度计算6.2.6 检测系统的可靠度计算6.2.6 检测系统的可靠度计算6-3 系统故障检测与诊断技术n6.3.1 故障检测与诊断基础n
23、6.3.2 故障检测与诊断原理n6.3.3 故障检测与诊断的数学方法6.3.1 故障检测与诊断基础1.故障检测与诊断的目的n能及时、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性。n保证设备（系统）发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度。n通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备（系统）结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。6.3.1 故障检测与诊断基础2.故障检测和诊断的任务n故障检测的任务：了解和掌握设备的运行状态，对运行状态进行评估，并判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态做出报警。n故障诊断的任
24、务：根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数、环境条件以及运行历史，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质等，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出对策措施，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。n指导设备（系统）的管理维修6.3.1 故障检测与诊断基础3.故障检测与诊断的基本方法（1）传统的故障诊断方法n首先，利用各种物理、化学的原理和手段，通过伴随故障出现的物理和化学现象，直接检测故障。n其次，利用故障所对应的征兆来诊断故障。（2）故障的智能诊断方法将人工智能的理论和方法用于故障诊断。（3）故障诊断的数学方法包括基于模式识别的诊断方法、神经网络、小
25、波变换等。6.3.2 故障检测与诊断原理1.故障分类（1）按故障存在的程度分暂时性故障和永久性故障（2）按故障发生、发展进程分突发性故障和渐发性故障（3）按故障严重程度分破坏性故障和非破坏性故障（4）按故障发生的原因分外因故障和内因故障（5）按故障相关性分相关故障和非相关故障6.3.2 故障检测与诊断原理2.故障模型（1）逻辑级的故障模型固定型模型、元件短路或开路模型、线间桥接模型（2）数据结构级的故障模型独立差错、算术差错、单向差错、b邻接差错、b位突发差错（3）软件故障和软件差错非法转移、误转移、死循环、空间溢出、数据执行、无理数据（4）系统级的故障模型6.3.2 故障检测与诊断原理3.故
26、障的基本特性：层次性、传播性、放射性、相关性、延时性、不确定性。4.故障检测方法（1）振动和噪声的故障检测振动法、特征分析法、模态分析与参数识别法、冲击能量与冲击脉冲测定法、声学法。（2）材料裂纹及缺陷损伤的故障诊断超声波探伤法、射线探伤法、渗透探伤法、磁粉探伤法、涡流探伤法、激光全息检测法、微波检测技术、声发射技术。（3）设备零部件材料的磨损及腐蚀故障诊断6.3.2 故障检测与诊断原理光纤内窥技术和油液分析技术（4）温度、压力、流量变化引起的故障诊断5.故障诊断技术n设备故障诊断的内容：状态监测、分析诊断和故障预测。n实施过程包括：信号采集、信号处理、状态识别和诊断决策。6.3.2 故障检测与诊断原理6.3.3 故障检测与诊断的数学方法1.模式识别诊断方法（1）数据获取 （2）预处理（3）特征提取和选择 （4）分类和识别（5）分析决策与维护管理6.3.3 故障检测与诊断的数学方法2.故障树分析与诊断n故障树分析：是针对某个特定的不希望事件的演绎推理分析，将系统故障形成的原因进行由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法。（1）故障树分析使用的符号（2）故障树的建造及表达n确定顶事件和边界条件n逐层展开建树n故障树的化简
