方 芳，張 鵬

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

SZC16-1型溫度剖面儀測(cè)量電路可靠性預(yù)計(jì)研究

方 芳，張 鵬

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

文中主要以SZC16-1型XBT測(cè)量電路為例，從固有可靠性預(yù)計(jì)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，通過對(duì)基本元器件、單元電路及整個(gè)可靠度的計(jì)算，給出了目前該型號(hào)XBT測(cè)量電路的可靠性參數(shù)，同時(shí)闡述了硬件電路可靠性研究的方法和步驟。

XBT；測(cè)量電路；可靠性預(yù)計(jì)

XBT(The expendable bathythermograph)全稱為投棄式溫度剖面儀，作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的海洋測(cè)量?jī)x器，能夠在船舶航行狀態(tài)下，快速測(cè)量海水的溫度剖面，并通過測(cè)量探頭的下降時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的深度。

20世紀(jì)70年代末，國(guó)外已將XBT廣泛應(yīng)用于大洋科學(xué)考察和研究之中。我國(guó)自20世紀(jì)80年代，國(guó)家海洋技術(shù)中心開始該技術(shù)研究，2000年以來，在國(guó)家863等項(xiàng)目的支持下，經(jīng)進(jìn)一步深入研究和多次試驗(yàn)，已經(jīng)完成工程樣機(jī)的研制。針對(duì)其可靠性研究工作，本文以測(cè)量電路為例，通過對(duì)該儀器的工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)可靠度的預(yù)計(jì)，給出了可靠性參數(shù)，同時(shí)闡述了該測(cè)量電路可靠性研究的步驟和方法。

1 測(cè)量電路固有可靠性預(yù)計(jì)

1.1 測(cè)量電路原理及建模

該型號(hào)XBT測(cè)量電路，選用熱敏電阻作為敏感器件，通過傳輸線、發(fā)射器和連接電纜，將溫度信號(hào)傳送到放大器和AD轉(zhuǎn)換器，使模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字形式，并通過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、非線性擬合和暫存，通過串口將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)處理和存儲(chǔ)。測(cè)量框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量電路功能框圖

使用應(yīng)力分析法預(yù)計(jì)測(cè)量電路的可靠性指標(biāo)，首先需根據(jù)測(cè)量電路的功能和原理劃分出在功能上相對(duì)獨(dú)立、內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性預(yù)計(jì)單元；再按照各種元器件工作失效率模型，計(jì)算單元內(nèi)的各元器件的工作失效率。根據(jù)對(duì)XBT測(cè)量電路原理的分析，可以劃分和建立可靠性模型，如圖2所示。

圖2 測(cè)量電路可靠性框圖

根據(jù)可靠性建模的基本理論，可靠性模型分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型[1-2]，基本可靠性模型是構(gòu)成的所有單元（包括冗余單元和代替工作單元）建立串聯(lián)模型，無論完成一種任務(wù)或是多種任務(wù)其基本可靠性模型是唯一的，值得指出的是，基本可靠性模型全面考慮了從接收到它退出使用期（即壽命期）的可靠性，而在壽命期內(nèi)，除了工作之外，還具有非工作狀態(tài)，包括儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)?。?duì)于該測(cè)量電路來說，由于其一次性使用的特殊性，因此該為非修復(fù)[3]。同時(shí)因?yàn)樵撊蝿?wù)剖面是唯一的，并且完成規(guī)定任務(wù)的各單元，包括非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)，都是環(huán)環(huán)相扣的串聯(lián)。

其串聯(lián)數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下：

則，

1.2 測(cè)量電路工作狀態(tài)固有可靠性預(yù)計(jì)

根據(jù)測(cè)量電路可靠性模型，由于電子元器件服從指數(shù)分布，而且屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此壽命也服從指數(shù)分布。在計(jì)算過程中，由于各類元器件的數(shù)學(xué)模型不同，本文不一一介紹各單元的具體計(jì)算過程，僅以微處理器單元的失效率為例闡述計(jì)算方法[4]。處理器單元電路元件可靠性預(yù)計(jì)見表1，處理器單元電路器件可靠性預(yù)計(jì)見表2。

表1 處理器單元電路元件可靠性預(yù)計(jì)表

表2 處理器單元電路器件可靠性預(yù)計(jì)表

以微處理器為例，說明元器件工作狀態(tài)可靠性計(jì)算的方法和步驟[5]：

(1)確定工作失效率模型。首先辨別微處理器是進(jìn)口半導(dǎo)體單片集成電路，屬于模擬集成電路，列出其工作失效率模型：

(2)確定環(huán)境系數(shù)πE，質(zhì)量系數(shù)πQ，溫度應(yīng)力系數(shù)πT。根據(jù)艦船良好艙NS1環(huán)境，查找環(huán)境系數(shù)表，得到：πE=3；根據(jù)微處理器制造商規(guī)定的生產(chǎn)和試驗(yàn)流程確定的產(chǎn)品級(jí)別，查找質(zhì)量系數(shù)表，得到：πQ=6；根據(jù)微處理器芯片的結(jié)溫Tj，查找溫度應(yīng)力系數(shù)表，得到：πT=1.609。

(3)確定單片模擬集成電路復(fù)雜度失效率C1，集成電路封裝復(fù)雜度失效率C2。根據(jù)微處理器芯片的晶體管數(shù)NT，查找單片模擬集成電路的復(fù)雜度失效率表，得到C1=0.009 6；根據(jù)微處理器芯片的引出端數(shù)目Np，查找集成電路封裝復(fù)雜度失效率表，得到非密封器件C2=0.010 2。

(4)計(jì)算工作失效率：

(5)最后計(jì)算該單元的工作狀態(tài)總失效率：

根據(jù)以上的計(jì)算說明，依次計(jì)算得到其他單元的失效率，各個(gè)單元失效率之和即為工作狀態(tài)的失效率，如表3所示。

1.3 測(cè)量電路非工作狀態(tài)固有可靠性預(yù)計(jì)

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不工作或出于儲(chǔ)存狀態(tài)的設(shè)備存在一定的退化，即設(shè)備在非工作狀態(tài)下失效率并不為“0”。但是目前，在進(jìn)行可靠性分析的時(shí)候，經(jīng)常將設(shè)備的非工作狀態(tài)失效率忽略不計(jì)，這是很不合理的。有很多設(shè)備，比如，本文論述的測(cè)量電路，在其使用壽命期間內(nèi)的絕大多數(shù)時(shí)間都處于儲(chǔ)存或者運(yùn)輸?shù)臓顟B(tài)，工作的時(shí)間非常短，其非工作狀態(tài)的可靠性對(duì)其投放成功率的影響非常大。

表3 工作狀態(tài)失效率

這里談到的非工作狀態(tài)，是指其能工作而不在工作的狀態(tài)，指運(yùn)輸期、儲(chǔ)存期的狀態(tài)。在非工作期間內(nèi)，對(duì)失效產(chǎn)生影響的主要有振動(dòng)、鹽霧、溫度、沖擊、濕度、霉菌等環(huán)境應(yīng)力。非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)的一般程序與工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)程序相似，也屬于串聯(lián)，預(yù)計(jì)程序如圖3所示：

圖3 非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)程序圖

假設(shè)非工作環(huán)境溫度為25℃，該程序的非工作環(huán)境狀態(tài)一般處于儲(chǔ)存和運(yùn)輸兩種狀態(tài)中，根據(jù)非工作環(huán)境分類，屬于地面良好GB及平穩(wěn)地面移動(dòng)GM1兩種環(huán)境類別，因此，非工作狀態(tài)系數(shù)πNE要進(jìn)行系數(shù)修正，在兩種環(huán)境下系數(shù)取中間值。

下面再以放大器為例，進(jìn)行說明[5]。其中，與工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)不同之處在于，各λNb、λNp及π因子均指在非工作狀態(tài)的系數(shù)。放大器單元元件非工作狀態(tài)預(yù)計(jì)表如表4所示，器件非工作狀態(tài)預(yù)計(jì)表如表5所示。

計(jì)算該單元的非工作狀態(tài)總失效率為：

非工作狀態(tài)失效率匯總?cè)绫?。

表4 放大器單元元件非工作狀態(tài)預(yù)計(jì)表

表5 放大器單元器件非工作狀態(tài)預(yù)計(jì)表

表6 非工作狀態(tài)失效率

1.4 工作與非工作失效率的綜合預(yù)計(jì)

根據(jù)測(cè)量電路的特點(diǎn)，其非工作時(shí)間占用了使用壽命的很大部分，可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果應(yīng)該是其工作時(shí)的失效率與非工作期間失效率的綜合[6]。因此，使用修正模型，在修正模型里包括非工作失效率的修正項(xiàng)。其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：λT為總失效率；λp為工作失效率；λNp為非工作失效率；d為工作時(shí)間與非工作時(shí)間之比。

測(cè)量電路的實(shí)際工作時(shí)間約為1 h，非工作時(shí)間約為240 h，時(shí)間總計(jì)241 h。計(jì)算可得d=0.004 2,λp=16.002 2，λNp=3.822 8，則：

2 結(jié)語

通過以上分析，可以看出SZC16-1型XBT測(cè)量電路的可靠度預(yù)計(jì)值已經(jīng)達(dá)到了99%以上，進(jìn)一步提高SZC16-1型XBT的可靠性，應(yīng)著重對(duì)工藝和其他部分進(jìn)行深入的分析、試驗(yàn)和研究。

[1]曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)分析教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[2]孫青.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]李海泉，李剛.可靠性分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]總裝電子信息基礎(chǔ)部．GJB/Z 299C-2006．電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[S]．北京：解放軍總裝備部，2006.

[5]信息部產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所．GJB/Z 108A-2006．電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[S].北京：解放軍總裝備部，2006.

[6]張?jiān)稣?，潘?電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007

Study on Reliability Prediction of Measurement Circuit for SZC16-1 XBT

FANG Fang,ZHANG Peng
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The general method and steps of reliability for the measurement circuit of XBT is analyzed on the basis of reliability prediction theory.The basic component calculation,circuit calculation and system calculation are carried out.The reliability parameters of measurement circuit system which is useful for improving reliability of marine instruments later are given finally.

XBT;measurement circuit;reliability prediction

P716+.12

A

1003-2029（2011）02-0088-04

2011-02-15