第8章 可靠性

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可靠性
2、失效率（故障率） 指智能仪表运行到t时刻后单位时间内发生故障的仪 表台数与t时刻完好仪表台数之比。 失效率λ(t)：λ(t)= N[R(t)-R(t+Δt)]/[NR(t)*Δt] 将上式写成微分形式得： 对上式积分得：
可见其符合指数规律。当某一时间的可靠性R(t)已知 时失效率可用下式计算：λ=γ/T，智能仪器的平均失效率 与元器件失效有相同的变化规律，其“浴盆曲线”如图。
数字芯片，密封好、焊点少、失效率低。
5、变被动为主动：方案设计时，对易遭受干扰的环 节主动采取可靠性保障措施，以免出现问题时被动应付。 抗干扰技术和容错技术是重要的主动措施。
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8.2 元器件的可靠性
一、元器件选用
1、分立半导体器件的选用
主要考虑电压应力、电流应力、工作频率、型号互换。
①电压应力:指器件承受电压的极限值，如过压会出现瞬 时击穿和永久性击穿。器件性能的分散性和感性负载易造成 击穿。 ②电流应力:指器件承受的最大电流。电流大时器件超过 允许温度将失效。对功率器件降低等级使用、散热措施。
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2、抗干扰电源设计
采取措施：①LC低通滤波：吸收电网尖峰电流和高次 谐波；②隔离变压器：阻断初次级干扰；③整流元件并电容： 消弱通断时的高频干扰，保护整流元件；④滤波电容：滤掉 干扰（瓷片滤高频、电解滤低频）。 不必设计，直接选用高性能电源。
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4、集成芯片选择
集成芯片性能优越、稳定性好、分散性小、可靠性高， 所以应优先选用。分为模拟和数字芯片。 ①数字芯片：实现功能、速度、电压范围、信号状态与 电平阈值、关门电阻、扇出系数、最高工作功率、单门延 时、噪声容限、工作温度范围、功耗、封装形式。 选择：首先是合适级别的产品，其次重要指标是速度 和功耗。74LS器件速度较快，功耗较大；CMOS器件电源
③工作频率:器件频率应合适，工作频率超过上限频率则 性能下降或失效，高频器件低频工作噪声系数将增大。
④型号互换:器件互换性强，互换参数应匹配。
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2、电阻和电位器选用 按材料分：合金型、薄膜型、合成型。 ①阻值稳定性：材料老化阻值缓慢变化，受温度影响阻 值变化。精密电路中温漂系数很重要。 ②工作频率：高频工作时，参数受分布电容、趋肤效应、 介质损耗、引线电感等影响。 ③功率：承受的功率超过额定值时，会因温度升高而失 效，可降额使用。 ④噪声：微弱信号电路中，噪声值得重视。 特点：同类电位器比电阻的性能和可靠性差，失效率大 10—100倍，故少用、采取容错措施（开路、短路）；性能 为： 高碳膜→金属膜→精密合金箔电阻低；绕线电阻稳定 性最好，用于精密测量中。
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第八章 可靠性设计
第一节 可靠性设计基础 第二节 元器件的可靠性 第三节 电磁兼容性设计 第四节 软件抗干扰技术 第五节 软件可靠性设计 第六节 智能仪表自诊断技术
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智能仪表除了具有优良的性能(如精度、量程)、强大的
功能 (如显示、可操作性、信号输出)及较低的成本外，从 应用的角度可靠性是最重要的指标。可靠性不高----仪表故
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2、元器件筛选 筛选是留用寿命长、离散性小的元器件。
①筛选方案：根据不同器件的失效模式和机理制定筛选项 目、应力施加条件、筛选尺度等。
②筛选设备：专用设备—价高、利用率低，难具备此条件。 基本条件—高温存储、功率老化、关键指标测试、比较。委托 筛选—可靠性要求极高，无法完成可委托专门机构进行。
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4、平均修复时间和可用性
平均修复时间MTTR：
可用性---仪表能按要求 正常工作的概率，也就 是仪器的使用效率。可 用性A与MTBF和MTTR 之间的关系为：
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二、影响可靠性的因素
影响可靠性的因素统称为干扰，有外部和内部。
1、外部干扰
如图示。
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①电网干扰：电网的高次谐波、尖峰脉冲，电压大幅波 动等形成干扰。
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8.1
可靠性设计基础
一、可靠性的基本概念
分析仪表的可靠性，用统计规律去描述系统随机
出现的故障，统计方法来描述维修时间的长短，定量 的可靠性指标。
1、可靠度
可靠率指在规定条件下和规定时间内智能仪表完 成所规定任务的成功率。 可靠率R(t)： R(t)= S(t)/N
不可靠率Q(t)： Q(t)= F(t)/N
2、避免片面高性能和多功能：在现有技术条件下， 注意处理好高指标、多功能和可靠性的关系。
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3、合理划分软硬件功能：软件具有硬件无法比拟的
功能，不存在失效性，应以软代硬。但软件负担过重，
CPU时间资源不允许，开发的难度增大不易保证软件的可 靠性。可使用可编程芯片，简化硬件提高可靠性。 4、数字代模拟电路：数字电路稳定性好、抗干扰能 力强、易集成制造、易标准化设计；多采用集成度高的
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二、电源抗干扰设计
供电线路是干扰主要入侵途径，微机对电源干扰又非
常敏感。设计抗干扰的直流稳压电源常用措施：
1、微机系统与产生干扰设备分开供电 ①与大功率设备分开供电，避免动力线上电压波动、 尖峰、谐波干扰，照明线路相对干扰小些。 ②低功耗仪表用电池供电。 ③不能分开供电的机电一体化设备，使用抗干扰性能 良好的电源。
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①静电干扰：通过电容效应耦合的静电场干扰。如仪表 周围设备聚集电荷的泄放、电场通过寄生电容的耦合等。
②磁场耦合干扰：仪表相邻的电流线路产生的磁场对仪 表电路的耦合造成的干扰。如动力线、电机、继电器。 ③电磁辐射干扰：仪表所处空间电磁波引起的干扰。如 电器设备和开关产生的电火花、无线电磁辐射、闪电等。
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3、电容器选用 介质不同分：无机、有机、电解介质三类。 ①频率范围：电容工作在交流状态，存在固有的谐振频 率（自身、引线电感），须工作频率小于谐振频率，介质 限制了频率，没有高低频特性都好的电容器。高频用瓷、 云母介质；中频用有机聚合物介质；低频用电解介质。
②容量稳定性：温度和制造工艺影响稳定性。聚苯乙烯 最好；高频云母优于瓷介质；低频胆介质优于铝电解。 ③噪声性能：漏电产生噪声，损耗角正切值小的电容噪 声小。电解电容噪声最大。 ④电压负荷：随着频率增大承受的电压下降。承受电压 高无机→聚合物→电解低。 ⑤承受功率：电源滤波中应考虑功率问题。 电容对电路性能和可靠性影响大的多，容易失效。
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四、方案设计时可靠性的原则
仪表系统的方案：根据性能指标、功能要求确定系 统结构形式、软硬件分工、具体硬件形式等。方案基本 决定了系统的可靠性。 遵循以下原则：
1、简化方案：在满足性能指标、功能的前提下，减 少元器件、简化结构就降低了失效率。但提高可靠性的 如抗干扰、容错、冗余设计是必要的。
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仪表系统典型的失效率曲线 (a)经典浴盆曲线 (b)新浴盆曲线
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3、平均故障间隔时间 平均故障间隔时间MTBF用来描述可修复的仪表； 平均无故障时间MTTF用于描述不可修复的仪表。它与 可靠率R(t)之间的关系为：
只要知道产品的失效率，就很容易获得平均故障间 隔时间MTBF。 由上式可得到：
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8.3 电磁兼容性设计
智能仪表最常见最直接的干扰是电磁干扰，不管来自 内部还是外部，都会影响测量精度或系统无法正常工作。 消除或减弱电磁干扰，使仪表在电磁干扰环境中能正常工 作，即电磁兼容设计。
一、电磁干扰的分析
产生电磁干扰须具备三个条件：干扰源、传输或耦合
通道、敏感接受单元。
1、干扰种类 从干扰源和传播方式的不同分5类。
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2、内部干扰
①元器件失效：各种各样的元器件都有自己的失效率， 是不可避免的。可筛选元件、改善制造工艺、选用大规模 集成电路降低失效率。 ②内部电磁干扰：内部各单元间、 信号线间、信号线 与电源、地间不可避免存在电磁干扰。 ③电气互联故障干扰：器件、单元间电器上的互联， 如焊、接插件、信号线影响仪表可靠性，维修时应首先检 查此类故障。 ④软件故障干扰：软件设计不周密使在某特殊情况下 不能正确处理，电磁干扰和错误操作都以软件故障形式表 现出来。
③效益：筛选要付出人力、物力、财力、时间，淘汰等品 又增加成本，但统计表明：如工业品元器件筛选损失30元，不 筛选时，电路板调试时元件失效损失达190元、整机调试时元 件的失效率损失达340元。可见筛选的重要。
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三、降额设计
降额设计：器件的额定参数乘小于1的系数后使用。降
低元器件承受的应力，考虑了器件参数的分散性、工作环境
3、半导体器件 一般要求温度低于50度，系数取0.6。 ①晶体管和稳压管：系数=实际功耗/25度额定功耗。 ②二极管和可控硅：系数=平均正向电流/25度额定电流。 ③光电器件：系数=平均正向电流/25度额定正向电流，并乘 以最大允许结温的系数。 4、微处理器和总线
①微处理器的主频：主频高工作速度高，但主频高功耗增 加、传输线不能太长、总线容性负载能力下降，接近最高主频 时可靠性降低。故在满足要求时，对最高频率采取降额设计。 ②总线负载：一般系统采用总线结构，考虑负载引起信号 电平和边沿变化，负载和连线分布电容引起信号延迟和畸变， 总线负载的降额系数应小于0.6。加驱动器也要降额。
变化等因素。根据不同器件失效模型对主要应力进行降额。 1、电阻 对与工作环境温度相关的功率降额。当低于65度时系数 取0.1—0.6。小于0.1反而不利驱潮气，失效率增大。
2、电容器
对电压降额。工作电压应是交流峰值与直流电压之和，
一般系数小于0.6，温度低于50度（特别是电解电容）。