仪器仪表的可靠性及抗干扰设计

何涛 陈建民 朱惠玉

摘 要：仪器仪表的可靠性和抗干扰性直接影响工业生产的效果和质量。因此，技术人员在仪器仪表设计过程中一定要全面分析其可靠性和干扰因素，保证仪器仪表的运行质量，降低其运行过程中存在的问题。基于此，本文通过分析仪器仪表的可靠性和抗干扰性设计，希望能对仪器仪表设计管理提供指导和参考。

关键词：仪器仪表；可靠性；抗干扰性

中图分类号：TH702 文献标识码：A 文章编号：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

随着科技的进步，仪器仪表的使用频率越来越高。在仪器仪表使用过程中，仪器仪表的可靠性及抗干扰性直接影响工业生产的效率和质量。因此，为了有效提高工业生产效率和质量，必须加强对仪器仪表的可靠性和抗干扰性的设计和研究，通过对仪器仪表的可靠性和抗干扰因素进行研究，提高元件可靠性和抗干扰能力，从而为工业生产保驾护航。在现代化的工业生产中，仪器仪表技术直接关乎生产水平和能力，所以工业生产对仪器仪表的可靠性和稳定性要求比较高[1]。选择仪器仪表的主要标准就是其可靠性，不同仪表均具有可靠性特性[2]。

实验室所用仪器仪表会定期按照计量标准进行校准，从而对其可靠性进行检测，确保设备数据可靠[3]。但是，对于高频率使用的仪器仪表而言，其容易损坏，且稳定性差，使用过程中由于操作方法和使用环境的影响，最终会严重影响仪器仪表的准确性和稳定性，并且對这些仪器仪表并无法定期进行校准[4]。在工业生产中，有些操作人员会使用各类仪器仪表对所使用的仪器仪表进行校准，这种校准方法无法保障所得到的数据的准确性，甚至会出现错误的结论，最终会使工业生产造成严重损失，因此在对仪器仪表进行校准时必须对其进行可靠性控制。

仪器仪表的可靠性直接关乎工业生产能力，只有提高其可靠性，才能提高生产能力。在对仪表进行设计时，要着重对其可靠性和抗干扰能力进行设计，确保仪表的设计效益[5]。

1 仪器仪表可靠性设计

仪器仪表可靠性是评估其质量的重要参数，加强可靠性设计能有效提高仪器仪表的质量。在设计过程中，要提高仪表元件的可靠性，同时要确保仪器仪表结构设计的合理性，在满足仪器仪表功能完整的情况下，尽可能优化系统结构，综合分析仪表性能和可靠性指标。为了保证仪器仪表具有较强的可靠性，在设计仪表的过程中，应综合考虑不利数值，确保仪表系统的可靠性[6]。

1.1 仪器仪表可靠性影响因素研究

1.1.1 操作人员的个人素质。仪器仪表的可靠性在很大程度上是由操作人员的个人素质决定的。在施工过程中，操作人员若对仪器仪表的性能不熟悉，容易导致仪表损伤，特别是在仪表安装过程中，没有按照操作说明进行仪器仪表的安装操作，对仪器仪表造成操作伤害[7]。只有提高操作人员的基本素质，才能有效提高仪器仪表的可靠性。

1.1.2 对仪器仪表监管不到位。仪器仪表安装调试完成后，如果不对其进行维护保养和监管，会导致仪器仪表在生产过程中出现故障，甚至会严重影响仪器仪表的稳定性[8]。只有加强对仪器仪表的监管，才能有效提高企业收益，促进企业提升生产质量。

1.2 仪器仪表可靠性设计

仪器仪表可靠性设计在仪器仪表的生产中具有重要意义，本研究以LJ6010标准源为例进行研究，具体设计策略如下[9]。

1.2.1 仪器仪表可靠性设计依据。仪器仪表的可靠性决定生产质量和水平。对仪器仪表的可靠性分析主要包括：仪器仪表组成元件性能满足可靠性设计标准、仪器仪表结构满足可靠性设计标准。仪器仪表可靠性设计依据来源于生产，用于设计全过程，能有效排除可靠性影响因素。主要依据如下[10]：①仪器仪表需以生产需求为依据；②分析影响因素，计算偏差数据，优化设计数据；③注重仪器仪表元件之间的协调配合。

1.2.2 仪器仪表可靠性设计策略。首先，利用数学计算法规范仪器仪表元件的可靠性。各个元件以失效率为可靠性评价参数，计算公式为：

[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个元件在整个仪器仪表中的通用失效率，10-6/h；[πQi]主要是指第i个元件在整个仪器仪表中的通用系数；[Ni]主要是指i元件在整个仪器仪表中的数量；[n]主要是指整个仪器仪表中元件数量。

通过式（1）可以确定仪器仪表中元件的性质，同时可以分析元件的可靠性。

其次，利用压力法预测仪器仪表的可靠性可有效保障元件的准确度。主要是对仪器仪表的应力法失效率进行计算，计算公式为：

[λp=λbπE×πR×πA×πS2×πC] （2）

式中：[λp]主要是指仪器仪表的应力法失效率；[λb]主要是指仪器仪表的故障率；[πE]主要是指仪器仪表的环境系数；[πR]主要指仪器仪表的电流因子；[πA]主要是指仪器仪表的应力因子；[πS2]主要是指仪器仪表的电压因子；[πC]主要是指仪器仪表的配置因子。

分析公式（2）的计算结果可有效降低仪器仪表的故障频率，保障仪器仪表的稳定性。

最后，通过元件失效率和仪器仪表的应力法失效率计算，能有效调整整个系统模块，从而评价仪器仪表的可靠性是否满足技术要求指标。根据仪器仪表的使用需求，改进设计模块，提高其可靠性。

2 仪器仪表抗干扰设计

2.1 仪器仪表干扰源分析

在对仪器仪表抗干扰设计过程中，需要分析其干扰源的分布。由于仪器仪表受外界影响较大，所以需要对其运转过程中的干扰源进行分析。具体干扰源引入方式包括静电感应和电磁感应。此外，设备和仪表在正常工作时，由于其正常运转会产生感应电动势，从而会严重影响仪器仪表的稳定性，所以对设计人员而言，应该准确分析仪器仪表的干扰源，有效提高仪器仪表的稳定性。图1为超声波探伤仪自检系统的构成。为提高该装置运行的稳定性，检测过程需要结合变成和程序存储空间，优化程序设计，将字符高位以0补齐8位，从而可形成4个8位二进制数值0X45、0XE1、0X10、0X11，这种操作能有效提高该仪器的抗干扰性。

2.2 仪器仪表抗干扰设计

仪器仪表抗干扰的方法较多，具体设计过程中，需要对其进行全面分析，重点分析噪声源、干扰途径和接收电路对仪器仪表抗干扰性能的影响。

2.2.1 共模干扰抑制。共模干扰会造成信号畸变，严重影响仪器仪表的正常运转，具体规避措施如下。①确保信号源外壳及仪器仪表的安全，保证系统和信号源接地的稳定性，采用单点接地可有效规避共模干扰，提高仪器仪表的抗干扰能力。②双层屏蔽浮地保护。在仪器仪表的加工过程中，在外壳的内部再添加一层屏蔽罩，罩体、信号输出端、仪器外壳采用电气连接。采用上述方法可有效保障信号的稳定性，提高仪器仪表的抗干扰能力。

2.2.2 串模干扰抑制。对于仪器仪表而言，串模干扰和被测信号同等重要，一旦仪器仪表在运行过程中出现串模干扰，就会严重影响仪器仪表的稳定性，而且这种串模干扰是很难消除的。因此，在仪器仪表设计过程中，要重点分析仪器仪表的串模干扰抑制能力，主要规避手段和方式如下。

①滤波。对于直流信号而言，由于其变化的速率比较缓慢，所以在仪器仪表的信号输入端增加新的增滤波电路。这种处理方法可有效降低干扰信号的影响，但在设计过程中，该方法的应用比较少。

②屏蔽。在仪器仪表使用过程中，电场的干扰是最常见的。为了有效规避仪器仪表内部的电场干扰，可将仪器仪表中的各种信号导线用金属进行包裹处理。常规的规避方法是在导线外部采用金属网进行包裹，主要的目的是屏蔽信号导线外部的“场”。

③信号导线的扭绞。信号导线的扭绞能有效降低信号回路包围面积，同时能保证两根信号导线相距干扰源的距离一致，还能保证分布电容一致，从而有效降低磁场和电场的相互作用，最终可有效抑制串模干扰。

上述方法均属于被动的抑制措施。对于仪器仪表而言，在其运行过程中出现无法规避的干扰场时，可采用上述方法抑制干扰场。因此，在仪器仪表的实际使用过程中，应防止仪器仪表干扰场的产生。例如，在实际应用过程中，应将信号线和仪器仪表的动力线分离，两者之间必须确保存在一定的科学距离。同时，在仪器仪表内部布线时，一定要采用科学合理的布线规则进行布线，降低磁场的出现概率。

3 可靠性和抗干扰设计发展

仪器仪表一般采用集成电子电路系统。集成电路经常是在比较弱的电信号下工作，但受控制的系统又经常是强电设备，这样就很容易产生各种干扰信号。

虽然对仪表的可靠性和抗干扰设计提出了具体的改善措施，但在实际设计中仍存在较多问题，严重影响仪器仪表的质量。因此，在后期发展过程中，应重视仪器仪表可靠性和抗干扰性的设计，降低研发成本，提高设计质量，合理优化方案，同时从根本上解决影响仪器仪表稳定性和抗干扰性的问题，提高仪器仪表的质量。

4 结语

由于仪器仪表的工作环境存在较大差异性，所以仪器仪表的抗干扰源也存在较大差异。对于常规的工业生产而言，除了要测定仪器仪表本身的干扰因素外，还需对电器装备放电干扰及通电、断电干扰进行分析。在对仪器仪表进行设计和测试的过程中，要依据仪器仪表的特征进行设计，针对其所处的工作环境进行分析，这样才能及时找出仪器仪表工作过程中的干扰因素，并且在对仪器仪表抗干扰设计时进行专项设计，从而有效提高仪器仪表的可靠性和抗干扰性。

参考文献：

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[4]余岑.仪器仪表的可靠性及抗干扰设计[J].电子技术与软件工程，2017（6）：92.

[5]武照云，李丽，吴立辉，等.智能仪表可靠性优化设计方法研究[J].科技创新与生产力，2017（3）：112-113，116.

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[10]张涛，姜印平，李刚，等.智能仪表可靠性设计的研究[J].自动化仪表，1998（10）：41-43.