周鵬斌,馬喜宏,李建軍,石安利

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

惡劣環(huán)境下慣性儀表的使用,通常與彈體同步裝配,隨彈體發(fā)射、飛行、并實時記錄彈體的動態(tài)信息。該類產(chǎn)品在實際應(yīng)用中通常會承受瞬時高溫、高沖擊等惡劣工作環(huán)境,因此,如何改善和提高慣性儀表在惡劣環(huán)境下的可靠性已成為一個不容忽視的問題。目前在國內(nèi)外,將可靠性強化試驗用于慣性儀表的公司或科研單位很少,一般仍延續(xù)的是傳統(tǒng)環(huán)境模擬試驗,此試驗弊端在于其周期長、費用高,且不能完全暴露慣性儀表設(shè)計和生產(chǎn)中的所有缺陷[1]。本文針對此問題,在設(shè)計和生產(chǎn)階段,將可靠性強化試驗方法引入到新研制的各類慣性儀表中以此來快速暴露產(chǎn)品本身的缺陷并提高慣性儀表的可靠性。

1 可靠性強化試驗技術(shù)

1.1 實驗原理

可靠性強化試驗技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué),它把故障和失效當(dāng)作主要研究對象,通過對試樣施加單一的或綜合的極限環(huán)境應(yīng)力,快速激發(fā)出產(chǎn)品潛在缺陷,從而在很短的時間內(nèi)獲得試驗結(jié)果,大大縮短試驗時間,提高試驗效率。它不像傳統(tǒng)的可靠性試驗通過被動的環(huán)境模擬后再增加設(shè)計裕度,來確保產(chǎn)品通過鑒定試驗與驗證試驗,而是主動地激發(fā)缺陷,并且要求激發(fā)得越徹底越好[2]。彈載慣性儀表的可靠性強化試驗是在不改變傳感器失效機(jī)理的前提下提高慣性儀表的試驗應(yīng)力水平,使其在比正常使用環(huán)境苛刻的試驗條件下工作,從而使慣性儀表可靠性的薄弱環(huán)節(jié)(如傳感器敏感元件、集成電路模塊以及其他零部件)快速地發(fā)生失效。通過縮短試驗時間,就達(dá)到了快速評價慣性儀表可靠性水平的目的。

1.2 可靠性強化試驗過程及方法

對新研制的產(chǎn)品來說,可靠性強化試驗包括高加速壽命試驗(HALT)/高加速應(yīng)力篩選(HASS),HALT/HASS是一個整體。HALT采用步進(jìn)應(yīng)力的方法進(jìn)行試驗,故 HALT又稱步進(jìn)應(yīng)力試驗。HALT試驗是以步進(jìn)方式對產(chǎn)品施加一系列單應(yīng)力(如溫度、溫度循環(huán)、多軸隨機(jī)振動、電應(yīng)力等)和綜合應(yīng)力,并逐步增加強度直至產(chǎn)品失效的過程。在HALT過程中對發(fā)生的每一個失效都進(jìn)行根本原因分析(Root Cause Analy-sis),不斷進(jìn)行試驗、分析、驗證和改進(jìn)。HALT是進(jìn)行HASS的前提,只有完成了適當(dāng)?shù)腍ALT,而且所發(fā)現(xiàn)的問題均已得到解決,才允許進(jìn)行HASS[3]。G K Hobbs博士認(rèn)為不管采用什么篩選方法,篩選過程總要消耗產(chǎn)品一部分疲勞壽命,如果使用應(yīng)力和損壞應(yīng)力之間的余量很小,就根本不能運用任何應(yīng)力篩選方法進(jìn)行篩選。因此必須根據(jù)HALT得到的工作極限和損壞極限,摸清產(chǎn)品的設(shè)計余量,以此來制訂HASS方案,確定HASS的應(yīng)力量級,以保證篩選所消耗的疲勞壽命的量是可以接受的[4]。

2 彈載慣性儀表可靠性強化試驗方案

2.1 彈載慣性儀表的可靠性強化試驗方法

2.1.1 HALT試驗

HALT試驗應(yīng)在設(shè)計階段進(jìn)行,以發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段的薄弱環(huán)節(jié),并加以改進(jìn),從而提高產(chǎn)品的可靠性。根據(jù)慣性儀表自身的特點,并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的可靠性強化試驗設(shè)備,HALT試驗共分為兩個主要部分:高溫步進(jìn)應(yīng)力、高沖擊步進(jìn)應(yīng)力。在HALT試驗中將可找到產(chǎn)品在高溫及高沖擊環(huán)境下的工作極限與破壞極限[5]。

1)高溫步進(jìn)應(yīng)力

投入試驗樣本3個,從60℃開始,步長為+10℃,溫變率為設(shè)備最高升溫速率。每個溫度段在達(dá)到溫度穩(wěn)定時間后,開始測試功能和性能,之后進(jìn)行5次上下電功能測試,保證每次上下電后,功能、性能可完全恢復(fù)。試驗直至找到被測產(chǎn)品的工作極限(產(chǎn)品的工作極限是指施加時能引起產(chǎn)品故障,去除后能恢復(fù)正常工作的那個環(huán)境應(yīng)力),當(dāng)找到工作極限后將步長改為+2℃,直至找到破壞極限(產(chǎn)品的破壞極限是指產(chǎn)品出現(xiàn)永久性“硬”故障相對應(yīng)的應(yīng)力點)。如溫度升至高溫截止溫度還沒有發(fā)現(xiàn)破壞極限,則可停止此步試驗。試驗剖面如圖1所示。

圖1 高溫步進(jìn)試驗剖面圖Fig.1 High-temperature step-stress test profile

圖1 中:t1表示樣品溫度穩(wěn)定時間(慣性儀表熱透時間即整個試驗產(chǎn)品完全熱透所需要的時間),t2表示功能性能、檢測和5次上下電功能測試時間。

2)高沖擊步進(jìn)應(yīng)力

沖擊試驗的主要試驗設(shè)備有落錘式?jīng)_擊臺(40 000 g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉沖擊試驗(40 000 g以上)。本文采取霍普金森桿對其進(jìn)行沖擊試驗。投入一組試驗樣本3個,從75 000 g開始,步長+5 000 g,每次沖擊后進(jìn)行功能和性能測試,試驗直至找到被測產(chǎn)品的工作極限。當(dāng)找到工作極限后將步長改為3 000 g,直至找到破壞極限,試驗剖面如2所示。

2.1.2 HASS試驗

HASS試驗是指在微慣性儀表設(shè)計完成后批量生產(chǎn)前進(jìn)行,以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的缺陷,并加以改進(jìn),從而提高交付部隊使用時的可靠性。HASS試驗需要參考HALT試驗所得到的結(jié)果。本試驗中,將綜合環(huán)境應(yīng)力中的高溫度限定在工作極限的80%,而沖擊條件則以破壞極限值的50%作為HASS試驗的初始條件。而后再依據(jù)此條件開始執(zhí)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗,并觀察受試產(chǎn)品是否有故障發(fā)生。如有故障發(fā)生,應(yīng)先判斷是因為過大的應(yīng)力造成,還是受試產(chǎn)品本身的不良,如因為應(yīng)力過大則應(yīng)再放寬溫度及沖擊應(yīng)力10%,如果是受試產(chǎn)品本身的問題,則表示試驗條件有效。如無故障發(fā)生,則必須再加嚴(yán)測試環(huán)境應(yīng)力10%[6]。

圖2 沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗剖面Fig.2 Shock step-stress test profile

2.2 試驗驗證

2.2.1 高溫步進(jìn)試驗結(jié)果分析

圖3為高溫步進(jìn)試驗得到慣性儀表零位電壓輸出幅值變化圖。

圖3 高溫步進(jìn)試驗結(jié)果Fig.3 High-temperature step test results

當(dāng)試驗從70℃開始以10℃的步長上升至150℃時,慣性儀表的零位電壓輸出隨著試驗溫度的升高而逐漸增加,當(dāng)試樣在150℃保溫 30 min時,電壓突然上升至1.130 V,慣性儀表輸出不正常。將試樣在室溫下恢復(fù)一段時間后,慣性儀表的零位電壓輸出恢復(fù)正常。

本階段試驗表明,試樣的溫度極限上限為150℃,比設(shè)計規(guī)范要求的上限高70℃。

在試樣零位輸出不正常狀態(tài)下,試探性地將溫度以步長為2℃繼續(xù)升高,繼續(xù)監(jiān)測零位電壓輸出信號。當(dāng)溫度升至160℃時,傳感器的零位電壓輸出為零。經(jīng)分析表明,出現(xiàn)此現(xiàn)象是由于慣性儀表中的焊盤出現(xiàn)損壞,從而導(dǎo)致慣性儀表無法正常工作。將敏感頭拆下對敏感元件進(jìn)行測試,敏感元件工作正常。

2.2.2 高沖擊步進(jìn)試驗結(jié)果分析

圖4為沖擊步進(jìn)試驗得到慣性儀表零位電壓輸出幅值變化圖。

圖4 沖擊步進(jìn)試驗結(jié)果Fig.4 Shock step test results

當(dāng)試驗從75 000 g開始以5 000 g的步長上升時,慣性儀表的零位電壓輸出基本保持不變,當(dāng)沖擊量值增加到125 000 g時,慣性儀表輸出突然下降至0.863 V,在正常環(huán)境恢復(fù)一段時間后,慣性儀表輸出基本穩(wěn)定。

本階段試驗表明,試樣的沖擊工作極限為125 000 g,之后,試探性的改變步長為3 000 g,當(dāng)沖擊量級為135 000 g時,傳感器輸出為0 V。經(jīng)解剖分析,其中一慣性儀表敏感頭的梁發(fā)生斷裂,另一個敏感頭內(nèi)發(fā)生引線脫落現(xiàn)象,導(dǎo)致慣性儀表輸出為0,如圖5所示。

圖5 敏感頭失效照片F(xiàn)ig.5 Sensitive failure photos

3 結(jié)論

本文提出將可靠性強化試驗方法用于慣性儀表的可靠性試驗。該方法區(qū)別于傳統(tǒng)模擬環(huán)境試驗的方法,它將在很短的時間內(nèi)就可以使產(chǎn)品的缺陷暴露出來,極大地提高了試驗效率。分析與試驗表明,對慣性儀表進(jìn)行可靠性強化試驗之后,不僅會在設(shè)計初期就能對產(chǎn)品的的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn),而且還能完全暴露產(chǎn)品的潛在缺陷,最大限度地降低了試驗成本,有效提高了彈載慣性儀表的可靠性。

本文只針對慣性儀表在高溫、高沖擊應(yīng)力下的強化試驗方法及對暴露產(chǎn)品缺陷效率的提高,而針對不同的產(chǎn)品特點,需有不同的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行考核驗證。要高效地完成慣性儀表可靠性強化試驗,需進(jìn)一步對各種應(yīng)力的強化試驗效率進(jìn)行深入研究,同時也應(yīng)考慮試驗中的費效比,如何合理利用強化試驗設(shè)備更有效地提高產(chǎn)品的可靠性,并盡量降低工程造價,這是做可靠性強化試驗時值得考慮的問題。

[1]劉加凱,齊杏林,范志鋒.可靠性強化試驗的機(jī)理探析[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(6):36-38.LIU Jiakai,QI Xinglin,FAN Zhifeng.Analysis of reliability enhancement testing mechanism[J].Equipment Environmental Engineering,2009,6(6):36-38.

[2]范志鋒,齊杏林,雷彬,等.可靠性強化試驗及其在引信中的應(yīng)用[J].探測與控制學(xué)報,2008,30(6):8-11.FAN Zhifeng,QI Xinglin,LEI Bin,et al.Reliability enhancement test and its application to fuzes[J].Journal of Detection&Control,2008,30(6):8-11.

[3]劉宏.高加速壽命試驗和高加速應(yīng)力篩選試驗技術(shù)研究[J].電子測試,2009(3):5-8.LIU Hong.Study on the technotogy for halt and hass[J].Electronic Test,2009(3):5-8.

[4]Robert W D.Reliability Enhancement Testing(RET)[C]//Proc Annual Reliability and Maintainability Sym,37th Annual Technical Meeting of IES,1994:91-98.

[5]秦明,巫世晶,孫旋.機(jī)電系統(tǒng)可靠性工作與分析技術(shù)概述及應(yīng)用[J].機(jī)電設(shè)備,2006(3):34-38.QIN Ming,WU Shijing,SUN Xuan.Summarization and application of reliability work and design and analysis technology of mechanical&electrical system[J].Mechanical and Electrical Equipment,2006(3):34-38.

[6]陶俊勇,陳循,任志乾.可靠性強化試驗及其在某通信產(chǎn)品中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(4):509-511.TAO Junyong,CHEN Xun,REN Zhiqian.Reliability enhancement testing and its application in a communication product[J].Systems Engineering and Electronics,2003,25(4):509-511.