探究测控仪器如何减少干扰因素产生

发布时间：2020-08-21

　　摘要：针对测控仪器在实际运行过程中存在的故障问题，从软件、硬件可靠性角度以及运行环境综合分析判断干扰因素产生成因，提出了相应的抗干扰技术措施，同时指出，常用的测控仪器抗干扰技术分为软件抗干扰和硬件抗干扰，合理运用能够全面提高测控仪器的可靠性以及测控系统的智能性，并有效降低意外事故的发生概率。

　　关键词：软件抗干扰;硬件抗干扰;测控仪器

　　时至今日，测控仪器已经基本实现了信息化控制，采用的计算机测控系统，将计算机作为测控仪器的基本控制器，以采样调节的方式，对测控生产过程进行控制以及巡回检测，当代工业生产、环境测控具有高集成度、高复杂性等基本特征，信息化控制作为自动化控制系统发展的高级阶段，其综合了控制理论、计算机理论、测控理论等专业知识，在业界，DCS、FCS、CIMS等系统均得到了广泛应用。现代智能化测控系统，必须采用多样化的措施才能够保证测控仪器的抗干扰能力以及系统的故障恢复能力，从而满足测控可靠性方面的需求。采用计算机控制在测控体系，其可靠性和硬件、软件有一定关联，但是目前诸多从业者对测控仪器抗干扰技术应用缺乏足够重视，形成这一问题的主要原因为：一是软件运行异常测试技术本身有一定的复杂性，这往往涉及到软件原理以及运行环境抗干扰原理，需综合涉及;二是干扰问题的发生本身具有一定的随机性;三是无法确定测控仪器在运行过程中实际受到的内外环境影响，出现故障或其他异常基本是不可避免的现象[1]。鉴于此，为进一步提高测控仪器的可靠性，就需要对测控仪器抗干扰技术进行深入分析。

　　一、干扰对测控仪器的影响以及可靠性相关概念

　　许多实验室在使用测控仪器的过程中，常受到干扰影响，测控仪器不能正常运作，干扰根据其物理机理可大致分为：放电干扰、频振荡干扰、浪涌干扰。根据传导模式，可将这些干扰问题大致分为，共模干扰、串模干扰。根据波形分类，可将其分为持续的正弦波干扰、偶发性脉冲电压干扰。而这些干扰根据耦合方式也可进一步细分为电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合等。干扰问题的发生将会直接影响测控仪器的正常运作，或影响最终测控数据，一是数据采集误差加大干扰侵入测量单元模拟信号的输入通道，数据采集误差不断累积，从而导致测控仪器采集误差失控;二是测控仪器数据采集的逻辑处理因素受到外界环境影响，从而直接导致输出数据误差加大;三是在计算机测控体系中，RAM本身具有可被读写的基本特征，在干扰因素的影响下，RAM的数据有可能受到篡改，尽管表格以及控制程序基于储存器EPROM运行，这些数据通常不会受到破坏以及影响，但是内部RAM却可能受到外部影响发生变化，一方面会直接改变数据;另一方面会改变定时器、串行口、计数器的工作状态;四是测控仪器信息化控制程序市场，信息化控制体系中的CPU程序技术器关系着测控仪器的运作逻辑，若是外界干扰导致计数器运行数值发生变化，就会影响程序的运行逻辑，从而导致测控仪器执行状态错乱[2-3]。

　　期刊推荐：《电子技术与软件工程》(半月刊)创刊于2012年，由中国电子学会主办。旨在全方位推广信息时代下电气、电力、电工科学意识;关注电子各专业技术以及最新科研成果和进展;介绍软件工程、科技、信息技术在社会各领域的应用，关注科技传播与公民科学文化素质的提升。

　　测控仪器可靠性技术涉及到多个方面内容，尤其是在信息化测控已经全面普及的今天，测控仪器可靠性技术不仅仅和仪器的制造、安装、维护有直接关系 ，同时还和使用人员的技术水平，生产监控质量体系等有直接关系，可靠性设计应充分考虑到影响设备性能的相关因素，通过精心设计系统，全面提高测控体系的抗干扰能力。比如，在一般信息化测控体系内，不仅存在弱电设备，同时还存在诸多强电设备，形成一个强弱电、数字、模拟体系共同工作的系统，高速变化的数字信号若是运作失常，就会导致模拟信号发生改变，若是电流发生剧烈变化，就会导致强弱电体系受到影响，甚至还会直接对固体组间造成危害。由此分析，测控仪器可靠性设计可大致分为两个方面的内容，一是合理选择元器件，选择抗干扰能力强，功耗较小可满足测控要求的元器件;二是在软件、硬件方面提高系统结构的可靠性，合理采用去耦电路、合理布置电路，削弱外部干扰对测控体系的影响。采取冗余结构，提高测控系统受到干扰时的可靠性等等[4-5]。

　　二、测控仪器减少抗干扰因素的具体措施

　　(一)硬件抗干扰

　　干扰问题产生于具体的干扰源，根据测控仪器系统干扰源分类，可将测控仪器干扰分为外部干扰、内部干扰。内部干扰主要是由元器件本身、电路结构等因素引起;外部干扰主要是由使用环境、测控仪器使用条件引起。

　　一是抗串模干扰，测控仪器串模干扰可细分为横向干扰、正态干扰，串模干扰主要是因测控仪器长线传输互感电流、电路静电耦合、电容静电耦合、空间磁场干扰引发。对此，可考虑在测控仪器信号传输通道上，采用光电隔离器，实现各个元器件的电气化隔离;考虑到一半测控仪器的继电器线圈、触点之间并没有电气连接，故可采取相应的继电器隔离措施;可在电源变压器的进线端、出线端增加电源滤波器设备，达到消除电路瞬便噪声的效果;在信号传输通道中，串入过压保护电路，只要稳压管、限流电阻等参数合理确定，就可避免电压噪声对测控仪器造成影响[6]。

　　二是共模抗干扰，为避免共模干扰产生强烈干扰信号，信息化测控仪器的设计，应尽可能做到电路对称以及电路平衡;共模干扰主要形成原因是被测信号源接地点与计算机A/D转换器之间存在一定的电位差问题，建议考虑实际情况，采用大规格导线，将接地点进行短接处理，以达到见效电位差的目的;通过提高共模抑制比来实现高质量测控，具体可在信号放大极采用差动放大器来实现。

　　(二)软件抗干扰

　　一是数据传输通道抗干扰，若是测控仪器传感器位置距离显示系统、采集系统的较远，外部干扰就会相对严重，尤其是采用高精度A/D转换器的电压测量电路，就经常出现窄脉冲干扰问题以及工频电网串模干扰问题，这些干扰有可能大幅度扭曲测控仪器被测信号，严重甚至会引发硅闸闭锁现象，此时应切断电源，重新通电进行处理。在干扰预防方面，建议综合考虑使用算术平均法，软件算法对某一个数字连续进行采样同时计算平均值，以平均值来判断测控结果，以达到抑制随机干扰的效果;根据测控规律，采用比较取舍法，通过重复采样，取相同数据作为基准参考，然后对这些参数进行比较，确定中间值为测控结果。

　　二是输出通道抗干扰，该方面建议采用计算机软件冗余设计，将测控条件确定为重复采样，并实时刷新信号输出状态，从而达到将偶发性误差及时控制的目的;在硬件设计方面也可设计输出状态采集回路，优化输出数据寄存单元，当干扰发生以及干扰侵入后，及时比较实际输出和寄存单元状态是否存在差异。

　　结束语：

　　综上所述，测控仪器的抗干扰问题关系着测控体系的稳定运作以及测控结果的准确性，建议广大从业者对抗干扰给予足够的重视，在实际工作中从硬件优化、软件优化两个方面从采取措施，以保证测控仪器体系的高质量运行。——论文作者：周信荣