徐向上，張選明，賈立雙，馮志濤，李家軍

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

聲學(xué)應(yīng)答釋放器電路部分可靠性分析

徐向上，張選明，賈立雙，馮志濤，李家軍

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

聲學(xué)應(yīng)答釋放器是一種對(duì)可靠性要求很高的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，文中對(duì)國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的聲學(xué)應(yīng)答釋放器進(jìn)行了可靠性分析。首先介紹了聲學(xué)應(yīng)答釋放器的電路構(gòu)成及功能；然后依據(jù)可靠性建模相關(guān)理論完成電路部分可靠性模型建立，依據(jù)可靠性模型，預(yù)計(jì)了設(shè)備的固有可靠度；最后有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，用于指導(dǎo)聲學(xué)應(yīng)答釋放器設(shè)計(jì)，為釋放器技術(shù)研究提供計(jì)算模型與可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

聲學(xué)應(yīng)答釋放器；可靠性分析；改進(jìn)措施

深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器（以下簡(jiǎn)稱釋放器）是一種通過(guò)海水作為介質(zhì)傳播聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行指令操作、完成預(yù)定動(dòng)作的遙控裝置。釋放器在錨定浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基等海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛，而且是其中的重要一環(huán)，對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常在位工作和回收十分關(guān)鍵。

以釋放器在錨定海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用為例，一般將釋放器串聯(lián)在系統(tǒng)的系留索中，完成測(cè)量任務(wù)后，操作人員使用甲板單元發(fā)射聲學(xué)指令，釋放器在收到聲學(xué)釋放指令后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)完成釋放，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在浮力的作用下浮至海面[1-2]。在此過(guò)程中釋放器如果不能正常釋放，就會(huì)給回收系統(tǒng)帶來(lái)很大的困難，甚至造成巨大損失。釋放器作為海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要一環(huán)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布放后，位置處于整個(gè)系統(tǒng)的最下端，承受著巨大的海水壓力和系統(tǒng)拉力，其工作環(huán)境長(zhǎng)期處于海水腐蝕、低溫和高濕。因此，釋放器的可靠性就顯得十分重要。為了提高釋放器的可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，然后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

“十二五”期間，國(guó)家海洋技術(shù)中心在海洋行業(yè)公益專項(xiàng)的支持下承擔(dān)了“深遠(yuǎn)海調(diào)查觀測(cè)重點(diǎn)基礎(chǔ)裝備產(chǎn)品化應(yīng)用示范”之子任務(wù)“聲學(xué)應(yīng)答釋放器產(chǎn)品化”項(xiàng)目。本文就是基于該項(xiàng)目所研制的釋放器進(jìn)行電路部分可靠性分析。

1 釋放器電路原理

釋放器電路部分主要包括接收電路、控制電路、發(fā)射電路。釋放器接收電路如圖1所示。換能器接收水上機(jī)發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，由接收電路進(jìn)行放大和濾波處理后，經(jīng)濾波器剝離出相應(yīng)頻率的信號(hào)，同步檢波器對(duì)剝離出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若符合規(guī)定的頻率，輸出高電平，否則輸出低電平。接收電路功能框圖如圖2所示。

圖1 接收電路板

圖2 接收電路功能框圖

接收電路將高低電平輸出至控制電路后，先由控制電路中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)控制電路中的單片機(jī)判斷，若為應(yīng)答指令，控制電路進(jìn)行數(shù)字頻率合成，合成的信號(hào)編碼輸出至發(fā)射電路；若為釋放指令，則輸出至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)釋放?？刂齐娐啡鐖D3所示，控制電路功能框圖如圖4所示。

圖3 控制電路板

圖4 控制電路功能框圖

釋放器發(fā)射電路將控制電路輸出的電信號(hào)電壓放大后，再進(jìn)行功率放大后輸出至換能器。發(fā)射電路如圖5所示，其功能框圖如圖6所示。

圖5 發(fā)射電路板

圖6 發(fā)射電路功能框圖

2 可靠性建模

2.1 可靠性建模的相關(guān)概念

①可靠度是可靠性的一個(gè)重要量化指標(biāo)，是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件和時(shí)間，完成規(guī)定功能的概率，記為R。②不可靠度是指在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)不能完成規(guī)定功能的概率,記為F。③可靠性模型分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型?；究煽啃允侵赶到y(tǒng)在規(guī)定的條件下無(wú)故障的持續(xù)時(shí)間或概率，對(duì)產(chǎn)品的壽命期進(jìn)行全方位考慮。任務(wù)可靠性模型是指系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，能夠反映任務(wù)成功性。在完成任務(wù)的過(guò)程中，任務(wù)可靠性模型描述了系統(tǒng)各單元的預(yù)定用途。在系統(tǒng)不存在替代工作模式或者冗余的情況下，基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)。④可靠性框圖從可靠性角度出發(fā)，較為直觀地描述了釋放器電路整體系統(tǒng)與部分各子單元間的失效邏輯。⑤可靠性數(shù)學(xué)模型是對(duì)電路部分進(jìn)行可靠性分析之后，建立與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。⑥應(yīng)力分析法是基于概率統(tǒng)計(jì)，對(duì)電子元器件在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力與環(huán)境下，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出電子元器件的失效率。目前，應(yīng)力分析法有非常成熟的標(biāo)注和預(yù)計(jì)手冊(cè)，比如美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)MIL-HDBK-217，以及我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部第五研究所制定的《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》（GJB/Z299C-2006）等。

2.2 建立可靠性模型

本文建立的可靠性模型包含可靠性框圖和可靠性數(shù)學(xué)模型兩項(xiàng)內(nèi)容。本文僅對(duì)釋放器電路的在位運(yùn)行進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，工作時(shí)限為8 760 h（即1 a），因此采用任務(wù)可靠性模型。在進(jìn)行可靠性建模時(shí)不考慮冗余或替代工作模式的存在，因此所建可靠性模型為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

針對(duì)釋放器各部分電路的可靠性指標(biāo)，采用應(yīng)力分析法進(jìn)行預(yù)計(jì)，首先依據(jù)電路的原理和功能，將電路內(nèi)部劃分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在功能上，這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)為相對(duì)獨(dú)立的可靠性預(yù)計(jì)單元。然后根據(jù)電子元器件工作失效率模型計(jì)算每個(gè)可靠性單元的工作失效率。

根據(jù)對(duì)釋放器電路部分的原理分析，建立可靠性模型，如圖7～圖9所示。參照可靠性建模的基本理論，R表示釋放器電路部分總可靠度，接收電路、控制電路和發(fā)射電路的可靠度分別用R1，R2，R3表示，各電路組成單元分別用 R1i，R2i，R3i表示。

圖7 接收電路可靠性框圖

圖8 控制電路可靠性框圖

圖9 發(fā)射電路可靠性框圖

釋放器電路中電子元器件故障遵循電子元器件失效物理學(xué)，其故障多為偶然因素導(dǎo)致，因此壽命服從指數(shù)分布。對(duì)于釋放器的接收電路、控制電路、發(fā)射電路而言，各電路中的完成規(guī)定功能的組成單元都是串聯(lián)系統(tǒng)。因此，釋放器電路的可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式中：λ為工作失效率；t為工作時(shí)間（在此取8 760 h，即 1 a）。

3 釋放器電路固有可靠性預(yù)計(jì)與提高可靠性措施

3.1 釋放器電路固有可靠性預(yù)計(jì)

通過(guò)對(duì)釋放器電路可靠性建模，進(jìn)而對(duì)各電路固有可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)。在計(jì)算過(guò)程中，各種電子元器件的數(shù)學(xué)模型參考《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》（GJB/Z299C-2006）。在查詢各元器件故障數(shù)據(jù)時(shí)，需要注意的是，在《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》（GJB/Z299C-2006）所列出的各種環(huán)境類別中，釋放器電路的工作環(huán)境并沒(méi)有明確的對(duì)應(yīng)環(huán)境分類。釋放器電路的工作環(huán)境與潛艇的工作環(huán)境很相似，兩者工作環(huán)境都是水下耐壓密封環(huán)境，因此參照“潛艇內(nèi)的環(huán)境條件（NSB）”進(jìn)行計(jì)算，環(huán)境溫度參考深海溫度，設(shè)定為2℃左右。

本文不對(duì)各電路的元器件的計(jì)算過(guò)程一一論述，只以電容器為例，其工作狀態(tài)失效率預(yù)計(jì)模型為：

式（2）中：λp為工作失效率（10-6/h）；λb為基本失效率（10-6/h）；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)；πCV為電容量系數(shù)；πSR為串聯(lián)電阻系數(shù)；πK為種類系數(shù)；πch為表面貼裝系數(shù)。

根據(jù)釋放器工作的環(huán)境參數(shù)以及元器件的屬性，查詢《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》（GJB/Z299C）得出式（2）中每個(gè)系數(shù)的值，代入式（2）得到元器件的工作狀態(tài)失效率,然后根據(jù)串聯(lián)模型計(jì)算得到各單元的工作狀態(tài)失效率。

表1 接收電路工作狀態(tài)失效率

表2 控制電路工作狀態(tài)失效率

表3 發(fā)射電路工作狀態(tài)失效率

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算匯總，釋放器電路部分失效率為表4所示：

表4 釋放器電路部分工作狀態(tài)失效率

由表4可以看出，釋放器電路部分總失效率λ=6.972 9×10-6/h。根據(jù)第2節(jié)所建立的數(shù)學(xué)模型式（1），10-6/h，t=8 760 h。計(jì)算可得釋放器電路部分可靠度R≈94.1%。由計(jì)算結(jié)果可知，釋放器電路部分可靠度較高，可以滿足在深海密封耐壓環(huán)境中長(zhǎng)周期使用。

3.2 提高釋放器電路部分可靠性的措施

從各電路計(jì)算結(jié)果可以看出，控制電路可靠性低于接收電路和發(fā)射電路，原因是控制電路使用的元器件數(shù)量多于接收電路和發(fā)射電路，為了提高控制電路的可靠性：①控制電路在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，最大限度采用集成芯片取代原有的大量零散元器件，可以有效降低電路失效率約20%,②盡量采用軍工級(jí)電子元器件，如果控制電路全部采用軍工級(jí)元器件，失效率可以降低約50%。注意控制電路的電子元器件減額使用，減額使用是指電子元器件在使用時(shí)承受的應(yīng)力低于其額定值。

在電子元器件采購(gòu)、封裝、調(diào)試、檢測(cè)階段就需要明確分工，對(duì)其進(jìn)行全程質(zhì)量控制。采購(gòu)?fù)瓿珊?，?duì)所購(gòu)電子元器件進(jìn)行檢測(cè)，篩選合格產(chǎn)品使用，然后對(duì)電子元器件進(jìn)行封裝；最后對(duì)完成的電路板進(jìn)行長(zhǎng)期拷機(jī)試驗(yàn)與“自然老化”試驗(yàn)，以保證釋放器電路部分的可靠性。其中長(zhǎng)期拷機(jī)試驗(yàn)是指開(kāi)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，而所謂“自然老化”是指將批量完成的電路板長(zhǎng)期靜置，一段時(shí)間后（0.5～1 a），檢測(cè)篩選出合格產(chǎn)品。

4 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的一款聲學(xué)應(yīng)答釋放器進(jìn)行電路部分可靠性建模，所建立可靠性模型為式（1），并且據(jù)此預(yù)計(jì)其固有可靠度為94.1%。能夠滿足正常在位工作要求。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出改進(jìn)措施，以進(jìn)一步提高其可靠性。釋放器作為海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部件，從可靠性方面對(duì)其進(jìn)行深入研究，對(duì)于今后開(kāi)展樣機(jī)研制和提高產(chǎn)品質(zhì)量方面都有非常重要的指導(dǎo)意義。

[1]賈立雙，張選明.深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器總體設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，2013（6）：90-91.

[2]陳雄洲，聶曉敏，陳霞，等.深海釋放器的技術(shù)發(fā)展展望[C]//2008海洋前沿技術(shù)論壇論文集，廣州，2008.

[3]張學(xué)坪.QSF3-1型聲學(xué)應(yīng)答釋放器的可靠性分析[J].海洋技術(shù)，1993,12(4):1-12.

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[5]中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB/Z299C-2006.電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2007-01-01.

Analysis on the Reliability of the Circuit Part of Acoustic Release Transponder

XU Xiang-shang,ZHANG Xuan-ming,JIA Li-shuang,FENG Zhi-tao,LI Jia-jun
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

The acoustic release transponder is a kind of marine environment monitoring device with high reliability requirement.This paper analyzes the reliability of the acoustic release transponder developed by the National Ocean Technology Center.It firstly introduces the circuit composition and functions of the acoustic release transponder.Then based on the theory of reliability modeling,the reliability model of the circuit is established,and the inherent reliability of the equipment is expected in this paper.Finally,targeted improvement measures are proposed to guide the design of the acoustic release transponder,so as to provide a computational model and a reference experience for the technology research on advanced acoustic release transponders.

acoustic release transponder;reliability analysis;improvement measures

TB56

A

1003-2029（2017）05-0062-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.010

2017-05-31

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201405006-2）

徐向上（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail:18222501712@163.com

賈立雙（1980-），男，工程師，主要研究向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。E-mail:jlsh1980@sina.com