測試儀器基礎應用知識總結（二）：十大故障診斷方法

一、儀器儀表電路十大故障診斷方法

　　儀器儀表電路維修在電子類的公司里從來都是不可缺少的一部分。因為只有通過它才能讓原本不合格的產品zui終出廠。然而，維修也是電子公司中zui為復雜的一部分。因為它不僅要運用到許多電子專業知識，有時也需要有豐富的現場經驗。下面就我個人多年來總結的維修經驗與感興趣的朋友分享一下。

　　1、敲擊手壓法

　　經常會遇到儀器運行時好時壞的現象，這種現象絕大多數是由于接觸不良或虛焊造成的。對于這種情況可以采用敲擊與手壓法。

　　所謂的“敲擊”就是對可能產生故障的部位，通過小橡皮鎯頭或其他敲擊物輕輕敲打插件板或部件，看看是否會引起出錯或停機故障。所謂“手壓”就是在故障出現時，關上電源后對插的部件和插頭和座重新用手壓牢，再開機試試是否會消除故障。如果發現敲打一下機殼正常，再敲打又不正常時，zui好先將所有接頭重插牢再試，若傷腦筋不成功，只好另想辦法了。

　　2、觀察法

　　利用視覺、嗅覺、觸覺。某些時候，損壞了的元件會變色、起泡或出現燒焦的斑點；燒壞的器件會產生一些特殊的氣味；短路的芯片會發燙；用肉眼也能觀察到虛焊或脫焊處。

　　3、排除法

　　所謂的排除法是通過拔插機內一些插件板、器件來判斷故障原因的方法。當拔除某一插件板或器件后儀表恢復正常，就說明故障發生在那里。

　　4、替換法

　　要求有兩臺同型號的儀器或有足夠的備件。將一個好的備品與故障機上的同一元器件進行替換，看故障是否消除。

　　5、對比法

　　要求有兩臺同型號的儀表，并有一臺是正常運行的。使用這種方法還要具備必要的設備，例如，萬用表、示波器等。按比較的性質分有，電壓比較、波形比較、靜態阻抗比較、輸出結果比較、電流比較等。

　　具體方法是：讓有故障的儀表和正常儀表在相同情況下運行，而后檢測一些點的信號再比較所測的兩組信號，若有不同，則可以斷定故障出在這里。這種方法要求維修人員具有相當的知識和技能。

　　6、升降溫法

　　有時，儀表工作較長時間，或在夏季工作環境溫度較高時就會出現故障，關機檢查正常，停一段時間再開機又正常，過一會兒又出現故障。這種現象是由于個別IC或元器件性能差，高溫特性參數達不到指標要求所致。為了找出故障原因，可采用升降溫法。

　　所謂降溫，就是在故障出現時，用棉纖將無水酒精在可能出故障的部位抹擦，使其降溫，觀察故障是否消除。所謂升溫就是人為地將環境溫度升高，比如用電烙鐵放近有疑點的部位（注意切不可將溫度升得太高以致損壞正常器件）試看故障是否出現。

　　7、騎肩法

　　騎肩法也稱并聯法。把一塊好的IC芯片安在要檢查的芯片之上，或者把好的元器件（電阻電容、二極管、三極管等）與要檢查的元器件并聯，保持良好接觸，如果故障出自于器件內部開路或接觸不良等原因，則采用這種方法可以排除。

　　8、電容旁路法

　　當某一電路產生比較奇怪的現象，例如顯示器混亂時，可以用電容旁路法確定大概出故障的電路部分。將電容跨接在IC的電源和地端；對晶體管電路跨接在基極輸入端或集電極輸出端，觀察對故障現象的影響。如果電容旁路輸入端無效而旁路它的輸出端時故障現象消失，則確定故障就出現在這一級電路中。

　　9、狀態調整法

　　一般來說，在故障未確定前，不要隨便觸動電路中的元器件，特別是可調整式器件更是如此，例電位器等。但是如果事先采取復參考措施（例如，在未觸動前先做好位置記號或測出電壓值或電阻值等），必要時還是允許觸動的。也許改變之后有時故障會消除。

　　10、隔離法

　　故障隔離法不需要相同型號的設備或備件作比較，而且安全可靠。根據故障檢測流程圖，分割包圍逐步縮小故障搜索范圍，再配合信號對比、部件交換等方法，一般會很快查到故障之所在。

　　二、電子秤傳感器常見問題維護

　　目前在國內的電子秤傳感器常見問題維護是根據大多采用電阻應變式稱重傳感器原理，其應用也越來越普遍電子秤具有稱量快速、顯示直觀、不易磨損等優點，已逐漸取代機械秤。電子秤主要有承重傳力系統、稱重傳感器和顯示儀表組成。常用的電阻應變式稱重傳感器的工作原理是彈性體在外力的作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同發生變形，電阻應變片變形后，它的阻值發生變化，由于應變片是連接成平衡電橋式的，應變片電阻值的變化會引起電橋的不平衡，從面輸出信號，這樣就完成了將外力變換為信號的過程。

　　電子秤出現以下幾種現象，需懷疑是稱重傳感器的故障：

　　（1）電子秤不顯示零，顯示屏不斷閃爍。

　　（2）電子秤顯示零以后，在加放砝碼，不顯示稱量數字。

　　（3）電子秤稱量不準確，顯示的稱量數字與加放的砝碼數量不一致。

　　（4）電子秤重復性不好，加放同一砝碼，有時稱量準確，有時稱量不準確。

　　（5）電子秤空載或加載時，顯示的數字不穩定，漂移或者跳變。

　　這幾種現象都有可能是稱重傳感器的故障。如果能夠準確判斷出故障是在傳感器，這樣就能大大提高工作效率，加快電子秤修理的速度。將需要判斷的傳感器從系統中單獨摘除，分別測量輸入阻抗、輸出阻抗。輸入阻抗正常值為380Ω，輸出阻抗正常值為350Ω，如果測量數據不在此范圍內，該傳感器已經損壞。如輸入阻抗、輸出阻抗有斷路，可先檢查傳感器信號電纜有無斷開的地方，當信號電纜完好時，則為傳感器應變片被燒毀，通常是因為有大電流進入傳感器造成的。當測量輸入阻抗、輸出阻抗阻值不穩定時，可能為信號線絕緣層破裂，絕緣性能下降，或傳感器受潮，使橋路同彈性體絕緣不好。傳感器的零點輸出信號值，一般在（-3mv～2mv）之間。如果遠遠超出此標準范圍，可能是傳感器使用中過載而造成彈性體塑性變形，使傳感器無法使用。如無零點信號或零點輸出信號很小，可能為稱重傳感器內的應變片已從彈性體上脫落或有支撐物支撐秤體造成。

　　三、利用熱電偶和ADC實現高精度溫度測量

　　熱電偶廣泛用于各種溫度檢測。熱電偶設計的zui新進展，以及新標準和算法的出現，大大擴展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測可以在-270°C至+1750°C寬范圍內達到±0.1°C的精度。為充分發揮新型熱電偶能力，需要高分辨率熱電偶溫度測量系統。能夠分辨極小電壓的低噪聲、24位、Σ-Δ模/數轉換器（ADC）非常適合這項任務。數據采集系統（DAS）采用24位ADC評估（EV）板，熱電偶能夠在很寬的溫度范圍內實現溫度測量。熱電偶、鉑電阻溫度檢測器（PRTD）和ADC相結合，可構成高性能溫度測量系統。采用低成本、低功耗ADC的DAS系統，可理想滿足便攜式檢測的應用需求。

　　熱電偶入門

　　托馬斯?塞貝克在1822年發現了熱電偶原理。熱電偶是一種簡單的溫度測量裝置，由兩種不同金屬（金屬1和金屬2）組成（圖1）。塞貝克發現不同的金屬將產生不同的、與溫度梯度有關的電勢。如果這些金屬焊接在一起構成溫度傳感器結（TJUNC，也稱為溫度結），另一端未連接的差分結（TCOLD，作為恒溫參考端）上將呈現出電壓，VOUT，該電壓與焊接結的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓/電荷，無需任何電壓或電流激勵。

　　圖1. 熱電偶簡化電路

　　VOUT溫差（TJUNC - TCOLD）是金屬1及金屬2的金屬類型的函數。該函數在美國國家標準與技術研究院（NIST） ITS-90熱電偶數據庫［1］中嚴格定義，覆蓋了絕大多數實用金屬1和金屬2組合。利用該數據庫，可根據VOUT測量值計算相對溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測量TJUNC，為了確定溫度結的實測溫度，就必須知道冷端溫度（單位為°C、°F或K）。所有現代熱電偶系統都利用另一溫度傳感器（PRTD、硅傳感器等）精密測量冷端溫度，并進行數學補償。

　　圖1所示熱電偶簡化電路的溫度公式為：

　　Tabs = TJUNC + TCOLD（式1）

　　式中：

　　Tabs為溫度結的溫度；

　　TJUNC為溫度結與基準冷端的相對溫度；

　　TCOLD為冷端參考端的溫度。

　　熱電偶的類型各種各樣，但是針對具體的工業或醫療環境可以選擇zui適合的異金屬對兒。這些金屬和/或合金組合被NIST及國際電工委員會標準化，簡寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為常見的熱電偶類型提供了熱電偶參考表［1］。

　　NIST和IEC還為每種熱電偶類型開發了標準數學模型。這些冪級數模型采用獨特的系數組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數都不同［1］。

　　表1所示為部分常見熱電偶類型（J、K、E和S）的例子。

　　表1. 常見的熱電偶類型 Thermocouple TypePositive ConductorNegative ConductorTemperature Range （°C）Seebeck Coefficient at +20°C

　　JChromelConstantan0 to 76051μV/°C

　　KChromelAlumel-200 to +137041μV/°C

　　EChromelConstantan-100 to +100062μV/°C

　　SPlatinum （10% Rhodium）Rhodium0 to 17507μV/°C

　　J型熱電偶具有相對較高的塞貝克系數、高精度和低成本，應用廣泛。這些熱電偶使用相對簡單的線性化算法，即可達到±0.1°C的測量精度。

　　K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業測量領域的應用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達±0.1°C。

　　E型熱電偶的應用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數zui高。E型熱電偶所需的測量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測量精度可達到±0.5°C，需要的線性化計算方法相對復雜。

　　S型熱電偶由鉑和銠組成，這對組合能夠在非常高的氧化環境下實現穩定、可復現的測量。S型熱電偶的塞貝克系數較低，成本相對較高。S型熱電偶的測量精度可達到±1°C，需要的線性化算法相對復雜。

　　應用示例

　　熱電偶電路設計包括具有差分輸入及能夠分辨微小電壓的高分辨率ADC、穩定的低漂移基準，以及準確測量冷端溫度的方法。

　　圖2所示為簡化原理圖。MX7705是一款16位、Σ-Δ ADC，內置可編程增益放大器（PGA），無需外部精密放大器，能夠分辨來自熱電偶的微伏級電壓。冷端溫度利用MAX6627遠端二極管傳感器以及位于熱電偶連接器處、連接成二極管的晶體管測量。MX7705的輸入共模范圍擴展至低于地電勢30mV，可實現有限的負溫度范圍［2］。

　　圖2. 熱電偶測量電路。MX7705測量熱電偶輸出，MAX6627和外部晶體管測量冷端溫度，MAX6002為MX7705提供2.5V精密電壓基準。

　　也有針對具體應用設計的IC，用于熱電偶信號調理。這些IC集成本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和電壓基準。例如，MAX31855為冷端補償熱電偶至數字轉換器，可數字化K、J、N、T或E型熱電偶信號。MAX31855以14位（0.25°C）分辨率測量熱電偶溫度（圖3）。

　　圖3. 集成冷端溫度補償的ADC，轉換熱電偶電壓時無需外部補償。

　　誤差分析

　　冷端補償

　　熱電偶為差分傳感器，利用溫度結和冷端之間的溫差產生輸出電壓。根據式1，只有精密測得冷端溫度（TREF）時，才能得到溫度結的溫度（Tabs）。

　　可利用新型鉑RTD （PRTD）測量冷端溫度。它在很寬的溫度范圍內提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

　　圖4所示為精密DAS的簡化原理圖，采用了MAX11200 （24位、Σ-Δ ADC）評估（EV）板，可實現熱電偶溫度測量。本例中，利用R1 - PT1000 （PTS 1206，1000Ω）測量冷端溫度。該解決方案能夠以±0.30°C或更高精度測量冷端溫度［3］。

　　圖4. 熱電偶DAS簡化圖

　　如圖4所示，MAX11200的GPIO設置為控制精密多路復用器MAX4782，它選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。該方法可利用單個ADC實現熱電偶或PRTD的動態測量。提高了系統精度，降低校準要求。

　　非線性誤差

　　熱電偶為電壓發生裝置。但是，大多數常見熱電偶［2，4］的輸出電壓作為溫度的函數呈現非常高的非線性。

　　圖4和圖5中說明，如果沒有經過適當補償，常見的工業K型熱電偶的非線性誤差會超過數十攝氏度。

　　圖5. K型熱電偶的輸出電壓和溫度關系圖。曲線在-50°C至+350°C范圍內線性度較好；在低于-50°C和高于+350°C時，相對于線性度存在明顯偏差。［1］

　　圖6. 相對于直線逼近的偏差，假設線性輸出為從-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41μV/°C。［1］

　　IEC采用的NIST ITS-90等現代熱電偶標準化處理、查找表和公式數據庫［1］，是當前系統間互換熱電偶類型的基礎。通過這些標準，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經過zui少的系統設計更新或校準即可確保性能指標。

　　NIST ITS-90熱電偶數據庫提供了詳細的查找表。通過使用標準化多項式系數［1］，還可利用多項式在非常寬的溫度范圍內將熱電偶電壓換算成溫度（°C）。

　　根據NIST ITS-90熱電偶數據庫，多項式系數為：

　　T = d0 + d1E + d2E2 + 。.. dNEN（式2）

　　式中：

　　T為溫度，單位為°C；

　　E為VOUT，熱電偶輸出，單位為mV；

　　dN為多項式系數，每一熱電偶的系數是*的；

　　N = 多項式的zui大階數。

　　表2所示為一個K型熱電偶的NIST （NBS）多項式系數。

　　表2. K型熱電偶系數 Type-K Thermocouple Coefficients

　　Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.891 to 00 to 20.64420.644 to 54.886

　　Coefficients

　　d00.0000000E+000.0000000E+00-1.3180580E+02

　　d12.5173462E+012.5083550E+014.8302220E+01

　　d2-1.1662878E+007.8601060E+02-1.6460310E+00

　　d3-1.0833638E+00-2.5031310E-015.4647310E-02

　　d4-8.9773540E-018.3152700E-02-9.6507150E-04

　　d5-3.7342377E-01-1.2280340E-028.8021930E-06

　　d6-8.6632643E-029.8040360E-04-3.1108100E-08

　　d7-1.0450598E-024.4130300E-05—

　　d8-5.1920577E-041.0577340E-06—

　　d9—-1.0527550E-08—

　　Error Range （°C）-0.02 to 0.04-0.05 to 0.04-0.05 to 0.06

　　利用表2中的多項式系數，能夠在-200°C至+1372°C溫度范圍內以優于±0.1°C的精度計算溫度T。大多數常見熱電偶都有不同系數表可用［1］。

　　同樣，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統，能夠以更高精度（低于±0.1°C，相對于±0.7°C）計算溫度。與原來的“單”間隔表進行比較即可看出這點［2］。