周鵬斌,馬喜宏,李建軍,石安利

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)記錄彈體的動(dòng)態(tài)信息。該類產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)承受瞬時(shí)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(gè)不容忽視的問題。目前在國(guó)內(nèi)外,將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(yàn),此試驗(yàn)弊端在于其周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,且不能完全暴露慣性儀表設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的所有缺陷[1]。本文針對(duì)此問題,在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段,將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(duì)象,通過對(duì)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(shí)間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果,大大縮短試驗(yàn)時(shí)間,提高試驗(yàn)效率。它不像傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)通過被動(dòng)的環(huán)境模擬后再增加設(shè)計(jì)裕度,來確保產(chǎn)品通過鑒定試驗(yàn)與驗(yàn)證試驗(yàn),而是主動(dòng)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(qiáng)化試驗(yàn)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(yàn)應(yīng)力水平,使其在比正常使用環(huán)境苛刻的試驗(yàn)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(yàn)時(shí)間,就達(dá)到了快速評(píng)價(jià)慣性儀表可靠性水平的目的。

1.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過程及方法

對(duì)新研制的產(chǎn)品來說,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)包括高加速壽命試驗(yàn)(HALT)/高加速應(yīng)力篩選(HASS),HALT/HASS是一個(gè)整體。HALT采用步進(jìn)應(yīng)力的方法進(jìn)行試驗(yàn),故 HALT又稱步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。HALT試驗(yàn)是以步進(jìn)方式對(duì)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(dòng)、電應(yīng)力等)和綜合應(yīng)力,并逐步增加強(qiáng)度直至產(chǎn)品失效的過程。在HALT過程中對(duì)發(fā)生的每一個(gè)失效都進(jìn)行根本原因分析(Root Cause Analy-sis),不斷進(jìn)行試驗(yàn)、分析、驗(yàn)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(yùn)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(jì)余量,以此來制訂HASS方案,確定HASS的應(yīng)力量級(jí),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(qiáng)化試驗(yàn)方案

2.1 彈載慣性儀表的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法

2.1.1 HALT試驗(yàn)

HALT試驗(yàn)應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行,以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(diǎn),并結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備,HALT試驗(yàn)共分為兩個(gè)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(yàn)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(yàn)樣本3個(gè),從60℃開始,步長(zhǎng)為+10℃,溫變率為設(shè)備最高升溫速率。每個(gè)溫度段在達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間后,開始測(cè)試功能和性能,之后進(jìn)行5次上下電功能測(cè)試,保證每次上下電后,功能、性能可完全恢復(fù)。試驗(yàn)直至找到被測(cè)產(chǎn)品的工作極限(產(chǎn)品的工作極限是指施加時(shí)能引起產(chǎn)品故障,去除后能恢復(fù)正常工作的那個(gè)環(huán)境應(yīng)力),當(dāng)找到工作極限后將步長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn))。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(yàn)。試驗(yàn)剖面如圖1所示。

圖1 高溫步進(jìn)試驗(yàn)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(shí)間(慣性儀表熱透時(shí)間即整個(gè)試驗(yàn)產(chǎn)品完全熱透所需要的時(shí)間),t2表示功能性能、檢測(cè)和5次上下電功能測(cè)試時(shí)間。

2)高沖擊步進(jìn)應(yīng)力

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

2.1.2 HASS試驗(yàn)

HASS試驗(yàn)是指在微慣性儀表設(shè)計(jì)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(duì)使用時(shí)的可靠性。HASS試驗(yàn)需要參考HALT試驗(yàn)所得到的結(jié)果。本試驗(yàn)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(yàn)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(yàn),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?yàn)檫^大的應(yīng)力造成,還是受試產(chǎn)品本身的不良,如因?yàn)閼?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(yàn)條件有效。如無故障發(fā)生,則必須再加嚴(yán)測(cè)試環(huán)境應(yīng)力10%[6]。

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

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析

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

當(dāng)試驗(yàn)從70℃開始以10℃的步長(zhǎng)上升至150℃時(shí),慣性儀表的零位電壓輸出隨著試驗(yàn)溫度的升高而逐漸增加,當(dāng)試樣在150℃保溫 30 min時(shí),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(shí)間后,慣性儀表的零位電壓輸出恢復(fù)正常。

本階段試驗(yàn)表明,試樣的溫度極限上限為150℃,比設(shè)計(jì)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(zhǎng)為2℃繼續(xù)升高,繼續(xù)監(jiān)測(cè)零位電壓輸出信號(hào)。當(dāng)溫度升至160℃時(shí),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(duì)敏感元件進(jìn)行測(cè)試,敏感元件工作正常。

2.2.2 高沖擊步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析

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

當(dāng)試驗(yàn)從75 000 g開始以5 000 g的步長(zhǎng)上升時(shí),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(shí),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(shí)間后,慣性儀表輸出基本穩(wěn)定。

本階段試驗(yàn)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(zhǎng)為3 000 g,當(dāng)沖擊量級(jí)為135 000 g時(shí),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(gè)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(qiáng)化試驗(yàn)方法用于慣性儀表的可靠性試驗(yàn)。該方法區(qū)別于傳統(tǒng)模擬環(huán)境試驗(yàn)的方法,它將在很短的時(shí)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(yàn)效率。分析與試驗(yàn)表明,對(duì)慣性儀表進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)之后,不僅會(huì)在設(shè)計(jì)初期就能對(duì)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(yàn)成本,有效提高了彈載慣性儀表的可靠性。

本文只針對(duì)慣性儀表在高溫、高沖擊應(yīng)力下的強(qiáng)化試驗(yàn)方法及對(duì)暴露產(chǎn)品缺陷效率的提高,而針對(duì)不同的產(chǎn)品特點(diǎn),需有不同的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行考核驗(yàn)證。要高效地完成慣性儀表可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),需進(jìn)一步對(duì)各種應(yīng)力的強(qiáng)化試驗(yàn)效率進(jìn)行深入研究,同時(shí)也應(yīng)考慮試驗(yàn)中的費(fèi)效比,如何合理利用強(qiáng)化試驗(yàn)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(jià),這是做可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)值得考慮的問題。

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