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(jì)過(guò)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(yùn)行質(zhì)量，降低其運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題?；诖?，本文通過(guò)分析儀器儀表的可靠性和抗干擾性設(shè)計(jì)，希望能對(duì)儀器儀表設(shè)計(jì)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(lèi)號(hào)：TH702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)越高。在儀器儀表使用過(guò)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(duì)儀器儀表的可靠性和抗干擾性的設(shè)計(jì)和研究，通過(guò)對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)室所用儀器儀表會(huì)定期按照計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而對(duì)其可靠性進(jìn)行檢測(cè)，確保設(shè)備數(shù)據(jù)可靠[3]。但是，對(duì)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(guò)程中由于操作方法和使用環(huán)境的影響，最終會(huì)嚴(yán)重影響儀器儀表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并且對(duì)這些儀器儀表并無(wú)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(huì)使用各類(lèi)儀器儀表對(duì)所使用的儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，這種校準(zhǔn)方法無(wú)法保障所得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論，最終會(huì)使工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，因此在對(duì)儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)必須對(duì)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(duì)儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要著重對(duì)其可靠性和抗干擾能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保儀表的設(shè)計(jì)效益[5]。

1 儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)

儀器儀表可靠性是評(píng)估其質(zhì)量的重要參數(shù)，加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)能有效提高儀器儀表的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要提高儀表元件的可靠性，同時(shí)要確保儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，在滿(mǎn)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(jì)儀表的過(guò)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(gè)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(gè)人素質(zhì)決定的。在施工過(guò)程中，操作人員若對(duì)儀器儀表的性能不熟悉，容易導(dǎo)致儀表?yè)p傷，特別是在儀表安裝過(guò)程中，沒(méi)有按照操作說(shuō)明進(jìn)行儀器儀表的安裝操作，對(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān)管，會(huì)導(dǎo)致儀器儀表在生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(jì)

儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)在儀器儀表的生產(chǎn)中具有重要意義，本研究以L(fǎng)J6010標(biāo)準(zhǔn)源為例進(jìn)行研究，具體設(shè)計(jì)策略如下[9]。

1.2.1 儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)依據(jù)。儀器儀表的可靠性決定生產(chǎn)質(zhì)量和水平。對(duì)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(mǎn)足可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、儀器儀表結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)源于生產(chǎn)，用于設(shè)計(jì)全過(guò)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(jì)算偏差數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)策略。首先，利用數(shù)學(xué)計(jì)算法規(guī)范儀器儀表元件的可靠性。各個(gè)元件以失效率為可靠性評(píng)價(jià)參數(shù)，計(jì)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(gè)元件在整個(gè)儀器儀表中的通用失效率，10-6/h；[πQi]主要是指第i個(gè)元件在整個(gè)儀器儀表中的通用系數(shù)；[Ni]主要是指i元件在整個(gè)儀器儀表中的數(shù)量；[n]主要是指整個(gè)儀器儀表中元件數(shù)量。

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

其次，利用壓力法預(yù)測(cè)儀器儀表的可靠性可有效保障元件的準(zhǔn)確度。主要是對(duì)儀器儀表的應(yīng)力法失效率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(jì)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(guò)元件失效率和儀器儀表的應(yīng)力法失效率計(jì)算，能有效調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)模塊，從而評(píng)價(jià)儀器儀表的可靠性是否滿(mǎn)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(jì)模塊，提高其可靠性。

2 儀器儀表抗干擾設(shè)計(jì)

2.1 儀器儀表干擾源分析

在對(duì)儀器儀表抗干擾設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)，由于其正常運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而會(huì)嚴(yán)重影響儀器儀表的穩(wěn)定性，所以對(duì)設(shè)計(jì)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(yùn)行的穩(wěn)定性，檢測(cè)過(guò)程需要結(jié)合變成和程序存儲(chǔ)空間，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，將字符高位以0補(bǔ)齊8位，從而可形成4個(gè)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(jì)

儀器儀表抗干擾的方法較多，具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行全面分析，重點(diǎn)分析噪聲源、干擾途徑和接收電路對(duì)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(huì)造成信號(hào)畸變，嚴(yán)重影響儀器儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具體規(guī)避措施如下。①確保信號(hào)源外殼及儀器儀表的安全，保證系統(tǒng)和信號(hào)源接地的穩(wěn)定性，采用單點(diǎn)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(guò)程中，在外殼的內(nèi)部再添加一層屏蔽罩，罩體、信號(hào)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(hào)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(duì)于儀器儀表而言，串模干擾和被測(cè)信號(hào)同等重要，一旦儀器儀表在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)串模干擾，就會(huì)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(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)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(duì)于直流信號(hào)而言，由于其變化的速率比較緩慢，所以在儀器儀表的信號(hào)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(hào)的影響，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該方法的應(yīng)用比較少。

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

③信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)的扭絞。信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)的扭絞能有效降低信號(hào)回路包圍面積，同時(shí)能保證兩根信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)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(chǎng)和電場(chǎng)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(dòng)的抑制措施。對(duì)于儀器儀表而言，在其運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法規(guī)避的干擾場(chǎng)時(shí)，可采用上述方法抑制干擾場(chǎng)。因此，在儀器儀表的實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)防止儀器儀表干擾場(chǎng)的產(chǎn)生。例如，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)將信號(hào)線(xiàn)和儀器儀表的動(dòng)力線(xiàn)分離，兩者之間必須確保存在一定的科學(xué)距離。同時(shí)，在儀器儀表內(nèi)部布線(xiàn)時(shí)，一定要采用科學(xué)合理的布線(xiàn)規(guī)則進(jìn)行布線(xiàn)，降低磁場(chǎng)的出現(xiàn)概率。

3 可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)。

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

4 結(jié)語(yǔ)

由于儀器儀表的工作環(huán)境存在較大差異性，所以?xún)x器儀表的抗干擾源也存在較大差異。對(duì)于常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)而言，除了要測(cè)定儀器儀表本身的干擾因素外，還需對(duì)電器裝備放電干擾及通電、斷電干擾進(jìn)行分析。在對(duì)儀器儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試的過(guò)程中，要依據(jù)儀器儀表的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)其所處的工作環(huán)境進(jìn)行分析，這樣才能及時(shí)找出儀器儀表工作過(guò)程中的干擾因素，并且在對(duì)儀器儀表抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，從而有效提高儀器儀表的可靠性和抗干擾性。

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