郭麗娜，郭世勇，郭華鵬，高援凱，余壯，高海峰，萬(wàn)翔，錢(qián)磊

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000）

溫度試驗(yàn)是機(jī)載設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)中的重要一項(xiàng)，它通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬機(jī)上的真實(shí)環(huán)境，用以考核設(shè)備能否經(jīng)受機(jī)上的溫度環(huán)境條件，是保證設(shè)備質(zhì)量的一種重要手段[1-2]。無(wú)論是在航空機(jī)載設(shè)備的科研研制過(guò)程中，還是生產(chǎn)批量交付過(guò)程中，都需要進(jìn)行溫度試驗(yàn)。對(duì)于研制階段的設(shè)備來(lái)說(shuō)，為保證設(shè)備質(zhì)量的穩(wěn)定性，溫度試驗(yàn)條件通常直接采用系統(tǒng)的條件，系統(tǒng)下所包含的組件往往不止1 個(gè)，在試驗(yàn)中需要同時(shí)放置于1 個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)，不同設(shè)備的發(fā)熱情況會(huì)因試驗(yàn)的擺放間距對(duì)試驗(yàn)效果產(chǎn)生直接影響。對(duì)于批生產(chǎn)階段的設(shè)備來(lái)說(shuō)，同型號(hào)設(shè)備往往大批量放置于同一試驗(yàn)箱內(nèi)，容易忽略設(shè)備間發(fā)熱對(duì)于試驗(yàn)效果的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)前期多型號(hào)設(shè)備溫度試驗(yàn)的試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)梳理發(fā)現(xiàn)，在溫度試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)箱類(lèi)設(shè)備涉及擺放間距的情況較多，過(guò)大的擺放間距會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)進(jìn)度、科研及交付任務(wù)，降低試驗(yàn)效率，過(guò)小的擺放間距會(huì)引起過(guò)試驗(yàn)的現(xiàn)象出現(xiàn)，引起非關(guān)聯(lián)故障的出現(xiàn)[3]。

本文將針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展研究工作?；诮佑|式測(cè)量技術(shù)，測(cè)試研究機(jī)箱類(lèi)設(shè)備擺放間隔對(duì)溫度變化的影響，探究不同間距下對(duì)于高低溫篩選試驗(yàn)過(guò)程的影響，最終達(dá)到發(fā)揮試驗(yàn)箱最大效率的同時(shí)，避免過(guò)試驗(yàn)情況發(fā)生的目的，從而改善試驗(yàn)過(guò)程，提升設(shè)備試驗(yàn)的有效性。

1 理論分析

1.1 溫度試驗(yàn)的熱傳遞基本理論

溫度試驗(yàn)的熱傳遞基本理論可用3 個(gè)定律來(lái)描述，即牛頓冷卻定律、傅里葉定律和能量守恒定律。一般情況下，試驗(yàn)箱內(nèi)熱源（或冷源）與試驗(yàn)樣品表面間的熱交換可用牛頓冷卻定律進(jìn)行描述，見(jiàn)式（1）。

式中：Qd為產(chǎn)品獲得或失去的熱量；α為對(duì)流換熱系數(shù)；v為流體與固體的相對(duì)流速；C為流體的比熱容；F為被試產(chǎn)品表面的面積；Δtz為被試產(chǎn)品表面與包圍產(chǎn)品氣流的溫度差。

被試產(chǎn)品表面部件溫度改變后，和其相鄰部件間會(huì)出現(xiàn)溫度差，熱量沿著溫度梯度的方向，選擇熱阻最小途徑向內(nèi)部其他部件（或反向）傳遞。物體內(nèi)部熱量傳遞服從傅里葉定律，即：

式中：λ為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；Δt為傳遞途徑上的溫度差；L為傳遞路徑的長(zhǎng)度。

被試產(chǎn)品內(nèi)部各零件自身溫度的改變?nèi)Q于該部件其本身的熱容量大小。根據(jù)能量守恒定律，其表達(dá)式為：

式中：Qd為零件從自身表面獲得或失去的熱量；C為組成該零件的材料的比熱容；V為組成該零件的材料的體積；γ為組成該零件的材料的密度。式（1）—（3）反映了溫度試驗(yàn)中的所有影響要素。

1.2 擺放間距對(duì)溫度試驗(yàn)的影響分析

通常認(rèn)為，溫度試驗(yàn)中擺放被試品是一件非常簡(jiǎn)單的事情，試驗(yàn)的實(shí)施者進(jìn)行這類(lèi)操作時(shí)有一定的隨意性。對(duì)于一些穩(wěn)態(tài)性的溫度試驗(yàn)，如高（低）溫的工作試驗(yàn)，高（低）溫貯存試驗(yàn)，恒溫恒濕、鹽霧、霉菌等氣候試驗(yàn)。出于試驗(yàn)機(jī)理和考核目的，規(guī)定升降溫過(guò)程中溫度變化的速率很低，因而在變溫過(guò)程中被試產(chǎn)品內(nèi)部溫度場(chǎng)的差異性較小，由溫差效應(yīng)帶來(lái)的被試產(chǎn)品內(nèi)部的溫差應(yīng)力也很小，故被試品在試驗(yàn)箱中的擺放相對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響小。然而，在一些包含快速溫度循環(huán)的可靠性試驗(yàn)和高變溫速率的環(huán)境應(yīng)力篩選（高加速試驗(yàn)）以及電工電子產(chǎn)品的溫度變化試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化速率很高，在變溫過(guò)程中被試產(chǎn)品內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布非常不均勻，被試品在試驗(yàn)箱內(nèi)由于擺放間距會(huì)導(dǎo)致相互之間的熱傳導(dǎo)速度不同，會(huì)在被試品內(nèi)部激發(fā)出完全不一樣的溫度場(chǎng)，由溫差效應(yīng)帶來(lái)的被試品內(nèi)部溫度應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)大不相同，也有可能導(dǎo)致強(qiáng)烈的溫差效應(yīng)，使產(chǎn)品的潛在缺陷顯現(xiàn)為故障。因此，被試品在試驗(yàn)箱中的擺放間距是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響的一個(gè)條件[3]。

2 研究方案介紹

2.1 測(cè)試儀器

本次試驗(yàn)所用的測(cè)試設(shè)備是溫度自動(dòng)測(cè)試儀[4]，如圖1 所示，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。該設(shè)備由采集器與計(jì)算機(jī)合二為一，主機(jī)將計(jì)算機(jī)集成為一體，代替了原來(lái)的數(shù)據(jù)采集器，以及筆記本電腦設(shè)備復(fù)雜、操作麻煩的程序，可自行處理數(shù)據(jù)處理，記錄打印可自行完成。

表1 溫度測(cè)試儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of temperature tester

圖1 溫度測(cè)試儀Fig.1 Temperature tester

2.2 多設(shè)備間距試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中以2 套系統(tǒng)共計(jì)8 臺(tái)機(jī)箱作為被試品，第1—4 臺(tái)在溫度箱靠里側(cè)一排，每臺(tái)被試品之間間距按照GJB 150A[5-6]推薦的距離15 cm；第5—8 臺(tái)在溫度箱靠外側(cè)為一排，且每臺(tái)被試品間距為1 cm，標(biāo)定依據(jù)為實(shí)際交付過(guò)程中放置的普遍情況。溫度傳感器通道1—6 分別在2 臺(tái)設(shè)備的中間位置，通道7 和通道8 為別粘貼在溫度箱底部和上部，其具體分布位置如圖2 所示。

圖2 溫度測(cè)試點(diǎn)位置Fig.2 Temperature test points

本文以實(shí)際測(cè)試情況為經(jīng)驗(yàn)，指定4 種測(cè)試方案。其中，1 cm 極小間距測(cè)試方案模擬試驗(yàn)箱最大有效容積試驗(yàn)過(guò)程；5 cm 中等間距測(cè)試方案模擬試驗(yàn)箱非飽和試驗(yàn)過(guò)程；10 cm 中等間距測(cè)試方案模擬試驗(yàn)箱非飽和試驗(yàn)過(guò)程；15 cm 標(biāo)準(zhǔn)間距測(cè)試方案模擬試驗(yàn)箱標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備情況與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，將測(cè)試方案分為以下4 種，見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試方案Tab.2 Test plan

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 方案4 基準(zhǔn)曲線(xiàn)測(cè)定[7-8]

為測(cè)定被試品間距對(duì)溫度試驗(yàn)效果的影響，首先需要對(duì)試件符合GJB 150A 推薦距離（15 cm 間距）的標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線(xiàn)，并監(jiān)測(cè)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和溫度曲線(xiàn)，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下試驗(yàn)效果的基準(zhǔn)曲線(xiàn)（標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)）。試驗(yàn)過(guò)程中按照標(biāo)準(zhǔn)的篩選剖面通斷電要求進(jìn)行設(shè)備上下電，試驗(yàn)在進(jìn)行2 個(gè)循環(huán)后結(jié)束[9-12]，收集保存數(shù)據(jù)后準(zhǔn)備進(jìn)行間距試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

1）將1—4 臺(tái)被試品居中放置在溫度箱的置物架上，處理機(jī)與試驗(yàn)箱內(nèi)壁間保持15 cm 的距離，以確?？諝饽苷Ｑh(huán)，如圖3 所示。

圖3 方案4 標(biāo)準(zhǔn)間距下設(shè)備和傳感器分布Fig.3 Equipment and sensor distribution under standard distance in plan 4

2）在設(shè)備間布置溫度傳感器，粘貼溫度傳感器[13]。

3）關(guān)閉箱門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄各溫度傳感器的溫度[8]。

4）將溫度箱設(shè)置為25 ℃，啟動(dòng)。監(jiān)控溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，直至所有測(cè)試點(diǎn)溫度均達(dá)到25 ℃。

5）將溫度箱設(shè)置為-55～71 ℃的篩選循環(huán)曲線(xiàn)，同時(shí)溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)記錄各溫度傳感器的溫度[14]。

6）通過(guò)溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)每分鐘采集1 次溫度數(shù)據(jù)，記錄2 個(gè)循環(huán)過(guò)程中非工作與工作狀態(tài)下該部件上所有傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 方案1、2、3 測(cè)試過(guò)程

依據(jù)設(shè)備放置間距的定義，在進(jìn)行多設(shè)備溫度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量使所有試件重心保持在一條直線(xiàn)上。試驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的是溫度巡檢儀記錄的各型設(shè)備的溫變曲線(xiàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均嚴(yán)格控制溫度巡檢儀的各路溫度傳感器始終準(zhǔn)確記錄測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)，嚴(yán)格控制試驗(yàn)箱中的運(yùn)行剖面與試驗(yàn)剖面相符合[15]。具體步驟如下：

1）將4 臺(tái)設(shè)備居中放置在溫度箱的置物架上，為了探究試驗(yàn)效果，除中心試件外，所有試件距箱壁按照GJB 150A 的要求保持15 cm 以上，試件間距離按照梯度設(shè)定，后續(xù)根據(jù)前一次試驗(yàn)情況不斷迭代調(diào)整。本次試驗(yàn)中，4 臺(tái)設(shè)備間距設(shè)定為1、5、10 cm，距離兩側(cè)箱壁均大于15 cm，以確保空氣能正常循環(huán)，如圖4—6 所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)和極小間距下設(shè)備和傳感器分布Fig.4 Equipment and sensor distribution under standard and minimal distance

圖5 中等間距5 cm 下設(shè)備和傳感器分布Fig.5 Equipment and sensor distribution under moderate distance of 5 cm

圖6 中等間距10 cm 下設(shè)備和傳感器分布Fig.6 Equipment and sensor distribution under moderate distance of 10 cm

2）關(guān)閉箱門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄各溫度傳感器的溫度。

3）將溫度箱設(shè)置為25 ℃，啟動(dòng)溫度箱。監(jiān)控溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，直至所有測(cè)試點(diǎn)溫度均達(dá)到25℃。

4）將溫度箱設(shè)置為-55～71 ℃的篩選循環(huán)曲線(xiàn)，同時(shí)溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)記錄各溫度傳感器的溫度。

5）通過(guò)溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)每分鐘采集1 次溫度數(shù)據(jù)，記錄2 個(gè)循環(huán)過(guò)程中非工作與工作狀態(tài)下該部件上所有傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)間距下溫度循環(huán)篩選測(cè)試結(jié)果

溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)間距下溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖7 所示。其中，通道1、2、3 分別位于溫度箱內(nèi)側(cè)的4 臺(tái)設(shè)備中間，通道7、8 分別位于溫度箱底部和頂部位置。通過(guò)分析圖7 可知，通道1、2、3 所對(duì)應(yīng)的3 條曲線(xiàn)的升降溫過(guò)程為線(xiàn)性，并且與通道7、8 所對(duì)應(yīng)的溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)的擬合度較高。因此，在按照GJB 150A 的要求擺放設(shè)備時(shí)，設(shè)備周?chē)沫h(huán)境溫度變化過(guò)程與溫度箱設(shè)定的升溫過(guò)程符合，升溫過(guò)程呈線(xiàn)性。若在交付過(guò)程中進(jìn)行篩選試驗(yàn)時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方案中制定的15 cm間距擺放，則整個(gè)篩選過(guò)程的可信度較高，能完全滿(mǎn)足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗(yàn)要求，達(dá)到篩選試驗(yàn)的目的。

4.2 極小間距下溫度循環(huán)篩選測(cè)試結(jié)果

溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得極小間距下溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖8 所示。其中，通道1、2、3 為標(biāo)準(zhǔn)間距，通道4、5、6 為極小間距，通道7、8 為篩選箱頂部及底部。通過(guò)分析圖8 可知，相比較于標(biāo)準(zhǔn)間距，極小間距下4 臺(tái)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境溫度變化過(guò)程滯后于溫度箱設(shè)定的溫度變化，在高低溫循環(huán)的保溫階段，存在明顯的欠試驗(yàn)現(xiàn)象。根據(jù)圖8 中第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在75 min 的滯后效應(yīng)。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在50 min 的滯后效應(yīng)。其中，第5—8 臺(tái)中的RIU2 與RIU3 之間通道5 的溫變速率最慢（116 min），說(shuō)明通道5 溫度傳感器所在位置的溫度滯后效應(yīng)最大。若在交付過(guò)程中進(jìn)行篩選試驗(yàn)時(shí)，按照測(cè)試方案中制定的1 cm 間距擺放，則整個(gè)篩選過(guò)程的可信度較低，不能滿(mǎn)足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗(yàn)要求，達(dá)不到篩選試驗(yàn)的目的。

圖8 極小間距下溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of temperature with time under minimal distance

4.3 中等間距5 cm 下溫度循環(huán)篩選測(cè)試結(jié)果

在中等間距下溫度循環(huán)篩選剛開(kāi)始時(shí)，由于設(shè)備故障，試驗(yàn)出現(xiàn)過(guò)中斷，因此截取篩選過(guò)程中的2 個(gè)循環(huán)進(jìn)行分析。溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得8 個(gè)通道溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9 所示。分析圖9 可知，相比較于標(biāo)準(zhǔn)間距，中等間距（5 cm）下4 臺(tái)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境溫度變化過(guò)程滯后于溫度箱設(shè)定的溫度變化。在高低溫循環(huán)的保溫階段，存在欠試驗(yàn)的現(xiàn)象。根據(jù)第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在52 min 的滯后效應(yīng)。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在28 min 的滯后效應(yīng)。其中，第5—8 臺(tái)的RIU2 與 RIU3 之間的通道 5 的溫變速率最慢（92 min），說(shuō)明通道5 的溫度傳感器所在的位置溫度滯后效應(yīng)最大。若在交付過(guò)程中進(jìn)行篩選試驗(yàn)時(shí)，按照測(cè)試方案中制定的5 cm 間距擺放，則整個(gè)篩選過(guò)程的可信度仍較低，不能滿(mǎn)足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗(yàn)要求，達(dá)不到篩選試驗(yàn)的目的。

圖9 中等間距5 cm 下溫度隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of temperature with time under moderate distance of 5 cm

4.4 中等間距10 cm 下溫度循環(huán)篩選測(cè)試結(jié)果

截取中等間距10 cm 下溫度循環(huán)篩選過(guò)程中的2個(gè)循環(huán)進(jìn)行分析，如圖10 所示。通過(guò)分析圖10 可知，相比較于標(biāo)準(zhǔn)間距，中等間距（10 cm）下4 臺(tái)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境溫度變化過(guò)程滯后于溫度箱設(shè)定的溫度變化較小，在高低溫循環(huán)的保溫階段，基本上不存在欠試驗(yàn)現(xiàn)象。根據(jù)圖10 中第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在10 min 的滯后效應(yīng)。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在8 min 的滯后效應(yīng)。其中，第5—8 臺(tái)的RIU2 與RIU3 之間的通道5溫變速率最慢，說(shuō)明通道5 的溫度傳感器所在的位置溫度滯后效應(yīng)最大。

圖10 中等間距10 cm 下溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Change of temperature with time under moderate distance of 10 cm

若在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行篩選試驗(yàn)時(shí)，按照測(cè)試方案中制定的10 cm 間距擺放，則整個(gè)篩選過(guò)程的可信度仍較高。其中，高溫段的溫度滯后效應(yīng)相較于整個(gè)恒溫過(guò)程的占比8.3%，低溫段的溫度滯后效應(yīng)相較于整個(gè)恒溫過(guò)程占比6.7%。上述指標(biāo)均在10%內(nèi)[16-17]，能夠滿(mǎn)足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗(yàn)要求，在達(dá)到篩選試驗(yàn)?zāi)康牡耐瑫r(shí)能夠縮短試驗(yàn)間距5 cm，提升試驗(yàn)效率30%。

5 結(jié)論

本文采用基于接觸式測(cè)量的溫度曲線(xiàn)變化測(cè)試方法，探究設(shè)備的擺放間距對(duì)于篩選試驗(yàn)效果的影響，并找出最佳擺放距離。研究成果可直接應(yīng)用于機(jī)箱類(lèi)設(shè)備的篩選、溫度試驗(yàn)，顯著提高機(jī)箱類(lèi)設(shè)備的試驗(yàn)效率，研究成果已在同類(lèi)型產(chǎn)品篩選試驗(yàn)中應(yīng)用，并取得直接成效。

經(jīng)過(guò)本文所開(kāi)展的研究，機(jī)箱類(lèi)設(shè)備在進(jìn)行溫度試驗(yàn)前需注意以下幾點(diǎn)[18-19]：

1）對(duì)于不同設(shè)備合箱篩選的情況，盡量保持不同型設(shè)備間距10 cm 以上進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，雖不完全符合GJB 150 相關(guān)規(guī)定，但誤差仍能夠滿(mǎn)足10%以?xún)?nèi)要求。有條件的情況下，應(yīng)盡可能將功耗高的設(shè)備放置于試驗(yàn)箱邊緣（保持距離試驗(yàn)箱內(nèi)壁15 cm 以上）。

2）在同型多設(shè)備交付同時(shí)提交篩選試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)禁將各設(shè)備間距擺放在10 cm 以下，避免試驗(yàn)中欠試驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生，影響故障析出。

3）在多設(shè)備擺放過(guò)程中，不擺僅應(yīng)關(guān)注設(shè)備間放距離，還要注意各設(shè)備與試驗(yàn)箱體各面應(yīng)保持15 cm 以上的距離。