加速壽命試驗(yàn)在教學(xué)觸摸一體機(jī)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉 博，白 琳

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

加速壽命試驗(yàn)在教學(xué)觸摸一體機(jī)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉 博，白 琳

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

本文以教學(xué)觸摸一體機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，并以加速壽命試驗(yàn)的方法對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行加速。試驗(yàn)采用序貫截尾試驗(yàn)方案，利用阿倫尼斯模型計(jì)算出加速因子，極大的縮短了試驗(yàn)時(shí)間，為探索相關(guān)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估提供了檢驗(yàn)方法方面的參考。

加速壽命試驗(yàn)；可靠性；序貫截尾試驗(yàn)；阿倫尼斯模型

引言

教學(xué)觸摸一體機(jī)是在常規(guī)電教及計(jì)算機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型教學(xué)設(shè)備，集電腦和電子白板等設(shè)備于一體，近些年來，教學(xué)觸摸一體機(jī)在中小學(xué)中迅速普及，極大的改善了教學(xué)效果。而教學(xué)觸摸一體機(jī)的可靠性水平也越來越成為使用者關(guān)注的重要指標(biāo)，常用的產(chǎn)品的可靠性評(píng)估手段為可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，但是一體機(jī)由于生產(chǎn)成本高，不同于其他消費(fèi)電子產(chǎn)品能批量投放于市場(chǎng)，教學(xué)觸摸一體機(jī)多以政府或者學(xué)校以招投標(biāo)的方式進(jìn)行采購，所以用于試驗(yàn)的樣品較少，從而導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，本文采用加速壽命試驗(yàn)的方法對(duì)可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行加速，較快的獲得了可靠性指標(biāo)，節(jié)約了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本與試驗(yàn)成本。

1 加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取

1.1 加速壽命試驗(yàn)概述

加速壽命試驗(yàn)（Accelerated Life Testing）是在產(chǎn)品許可的應(yīng)力范圍內(nèi)，適當(dāng)增加試驗(yàn)應(yīng)力級(jí)別，以此來縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)費(fèi)用的一種試驗(yàn)方法，對(duì)于評(píng)估長(zhǎng)壽命、高可靠性產(chǎn)品的壽命和可靠性具有重要意義。

1.2 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆诸惣斑x擇

加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ头磻?yīng)了產(chǎn)品壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，可以分為物理加速模型、經(jīng)驗(yàn)加速模型和統(tǒng)計(jì)加速模型三類[1]。

經(jīng)驗(yàn)加速模型是基于對(duì)產(chǎn)品的性能長(zhǎng)期觀察的總結(jié)而得出的，常見的經(jīng)驗(yàn)加速模型有逆冪律模型和Coffin-Manson模型。逆冪律模型反應(yīng)了電應(yīng)力和產(chǎn)品壽命的關(guān)系，Coffin-Manson模型則反應(yīng)了溫度循環(huán)應(yīng)力和產(chǎn)品壽命的關(guān)系[1]。

統(tǒng)計(jì)加速模型常用于分析難以對(duì)其失效過程用物理化學(xué)方法解釋的產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)，是基于統(tǒng)計(jì)分析方法給出的[1]。

對(duì)于教學(xué)觸摸一體機(jī)產(chǎn)品來說，其壽命主要受到溫度和電應(yīng)力的影響，其中溫度應(yīng)力對(duì)其影響比較大，因?yàn)闇囟热菀桩a(chǎn)生產(chǎn)品性能指標(biāo)的偏移或者產(chǎn)品失效，因此本試驗(yàn)選擇溫度作為加速應(yīng)力，并選取阿倫尼斯模型（Arrhenius）作為加速壽命試驗(yàn)的分析模式，采取定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行分析。

2 可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案的選擇

可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)方案的確定的前提是假設(shè)設(shè)備的故障率隨時(shí)間的分布規(guī)律[2]。電子產(chǎn)品的故障率一般服從指數(shù)分布，因此故障率是常數(shù)。基于指數(shù)分布的假設(shè)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案有定數(shù)結(jié)尾、定時(shí)結(jié)尾和序貫結(jié)尾三種統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，對(duì)于教學(xué)觸摸一體機(jī)這類高可靠性的電子產(chǎn)品而言，序貫結(jié)尾試驗(yàn)方案能較快的做出接收或拒收的判決，因此我們選取序貫結(jié)尾試驗(yàn)方案。

2.2 序貫截尾試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案。序貫試驗(yàn)方案可以分為標(biāo)準(zhǔn)型試驗(yàn)方案和短時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)方案，對(duì)于采用正常的生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)α和使用方風(fēng)險(xiǎn)β（10～20 %）時(shí)，一般選擇標(biāo)準(zhǔn)型序貫試驗(yàn)方案；而α、β取30 %時(shí)，采用短時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)方案，此時(shí)試驗(yàn)時(shí)間可以縮短[3]。m0和m1分別是MTBF假設(shè)值的上限值和下限值，鑒別比Dm是m0與m1的比值，即Dm=m0/m1，數(shù)值上常取2或3。

通過與生產(chǎn)企業(yè)協(xié)商并結(jié)合實(shí)際情況，鑒別比Dm取2.0，α、β取30 %。則選擇GB/T 5080.7-1986《設(shè)備可靠性試驗(yàn) 恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無故障時(shí)間的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》中試驗(yàn)方案4:9[4]，試驗(yàn)方案分別見圖1和表1。

“外師造化，中得心源”就是畫家應(yīng)以大自然為靈感來源，并結(jié)合內(nèi)心的感悟，最后才能創(chuàng)作出好的作品，是基于堅(jiān)持藝術(shù)與現(xiàn)實(shí)關(guān)系的唯物論基礎(chǔ)上的，帶有樸素唯物主義的色彩。藝術(shù)作品是客觀現(xiàn)實(shí)的形神與畫家主觀的情思有機(jī)統(tǒng)一的東西。

由圖1可以看出，當(dāng)失效數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)落在繼續(xù)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行；當(dāng)失效數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)落在接收區(qū)域內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)終止，試驗(yàn)通過并接收該產(chǎn)品；當(dāng)失效數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)落在拒收區(qū)域內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)終止，試驗(yàn)失敗并拒收該產(chǎn)品。

在本試驗(yàn)中，要求一體機(jī)的MTBF不低于60 000 h，提供的樣機(jī)臺(tái)數(shù)n為20臺(tái)。則m1=60 000，mo=120 000。當(dāng)未出現(xiàn)故障時(shí)，試驗(yàn)通過的截止時(shí)間計(jì)算為：

0.86 mo/20=(0.86×120 000)/20=5 160 h

當(dāng)出現(xiàn)1次故障時(shí)，試驗(yàn)通過的截止時(shí)間計(jì)算為：

1.55 mo/20=(1.55×120 000)/20=9 300 h

當(dāng)出現(xiàn)2次故障時(shí)，試驗(yàn)通過的截止時(shí)間計(jì)算為：

圖1 試驗(yàn)方案4:9（α=0.30，β=0.30，Dm=2.0）

表1 試驗(yàn)方案4:9

2.25 mo/20=(2.25×120 000)/20=13 500 h

當(dāng)出現(xiàn)3次或3次以上的故障時(shí)，則拒收該產(chǎn)品。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，得出試驗(yàn)結(jié)果的時(shí)間很長(zhǎng)，需要通過加速試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行加速，以盡快得出結(jié)果。

2.3 加速因子的計(jì)算

加速壽命試驗(yàn)中應(yīng)力的大小不應(yīng)改變產(chǎn)品的失效機(jī)理，對(duì)于溫度應(yīng)力來說，如果應(yīng)力水平過高，會(huì)使產(chǎn)品內(nèi)部器件在使用中超過溫度極限而失效。因此要根據(jù)產(chǎn)品的正常工作溫度的上限和實(shí)際使用情況，選擇一個(gè)合適的問題[5]。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該產(chǎn)品可靠性應(yīng)在35 ℃下進(jìn)行，在本試驗(yàn)中，將試驗(yàn)溫度提高至55 ℃，依據(jù)阿倫尼斯模型對(duì)加速因子進(jìn)行計(jì)算。

阿倫尼斯模型加速因子計(jì)算公式：

式（1）中：

Aη：加速因子

E：活化能（正常使用期內(nèi)的活化能趨近于0.6 eV）

K：玻爾茲曼常數(shù)（8.623×10-5eV/K）

Tn：正常試驗(yàn)溫度（273+35） K

Ta：加速試驗(yàn)溫度（273+55）K

由上述公式可以得出，此次加速壽命試驗(yàn)的加速因子：

由計(jì)算結(jié)果得知，試驗(yàn)時(shí)間可縮短4倍。因此試驗(yàn)通過的截止時(shí)間分別為：未出現(xiàn)故障，1 290 h；出現(xiàn)1次故障，2 325 h；出現(xiàn)2次故障，3 375 h；出現(xiàn)3次或3次以上故障時(shí)，則拒收該產(chǎn)品。

3 教學(xué)觸摸一體機(jī)可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)環(huán)境要求

樣品在試驗(yàn)箱中需要滿足的環(huán)境條件：溫度：55 ℃；相對(duì)濕度：45～75 %RH；大氣壓力：102.5 kpa。

3.2 電應(yīng)力條件

考慮到產(chǎn)品使用過程中接入電壓的不穩(wěn)定性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)周期內(nèi)受試樣品在樣品額定的電壓值±10 %的范圍內(nèi)工作，因此電應(yīng)力不作為加速應(yīng)力。每4 h為一個(gè)工作循環(huán)，其中3.5 h通電，0.5 h斷電，試驗(yàn)電壓依次為下限值198 V，標(biāo)稱值220 V，上限值242 V[6]。

3.3 故障的分類與處理

故障是判定試驗(yàn)是否通過的重要依據(jù)，因此要求要對(duì)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行總結(jié)并在試驗(yàn)中進(jìn)行檢查。故障分為關(guān)聯(lián)性故障和非關(guān)聯(lián)性故障，關(guān)聯(lián)故障與產(chǎn)品性能有關(guān)，是產(chǎn)品本身固有的，在試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)要記入的故障；而非關(guān)聯(lián)故障則是未按規(guī)定的條件使用引起的，因此在試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)不進(jìn)行記入。

教學(xué)觸摸一體機(jī)在可靠性試驗(yàn)中如下情形應(yīng)判為故障：①開機(jī)白屏；②喇叭無聲音；③豎線干擾；④開機(jī)無圖；⑤遙控不作用；⑥觸控不作用；⑦按鍵不作用；⑧Ops電腦無信號(hào)；⑨HDMI無信號(hào)；⑩開機(jī)死機(jī)。

經(jīng)判定，在1 290 h的試驗(yàn)內(nèi)，20臺(tái)樣機(jī)在試驗(yàn)中未出現(xiàn)故障，因此故障數(shù)計(jì)為0，樣品判定為合格。

4 結(jié)論

本文采用序貫結(jié)尾的試驗(yàn)方法對(duì)教學(xué)觸摸一體機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，并用較高的溫度應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行加速，通過阿倫尼斯模型計(jì)算出加速因子，最終累積試驗(yàn)時(shí)間為1 290 h，結(jié)果證明在生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)均為30 %、鑒別比為2 的條件下，教學(xué)觸摸一體機(jī)的平均無故障時(shí)間（MTBF）大于預(yù)計(jì)值60 000 h，判定為合格。

將加速試驗(yàn)方案應(yīng)用于教學(xué)觸摸一體機(jī)的可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)中，不僅獲得了該批次產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，而且大大的縮短了試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省了試驗(yàn)成本，為其他類似產(chǎn)品的可靠性評(píng)估提供了檢驗(yàn)方法方面的參考。

[1] 姜同敏, 可靠性與壽命試驗(yàn)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2012.3.

[2] 李龍軍, 計(jì)算機(jī)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1994,68-75.

[3] 李良巧, 可靠性工程師手冊(cè)[M].北京, 中國(guó)人民大學(xué)出版社,2012, 3.

[4] GB/T 5080.7-1986, 設(shè)備可靠性試驗(yàn) 恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無故障時(shí)間的驗(yàn)證試驗(yàn)方案[S].

[5] 李軍, 繆海杰. 電子產(chǎn)品加速壽命研究[J]. 電子測(cè)試, 2011(11),33-35.

[6] SJ/T 11325-2006, 數(shù)字電視接收機(jī)及顯示設(shè)備可靠性試驗(yàn)方法[S].

Application of Accelerated Life Test in Reliability Acceptance Test of Teaching Touch Allin-one

LIU Bo, BAI Lin
(National Testing and Inspection Center for Radio & TV Products of China, Beijing 100015)

This thesis takes the teaching touch all-in-one as the object of study and carry on the reliability acceptance test for the samples. The test process was accelerated by the method of a celerated life test. This test adopts the sequential truncated test program, and uses Arrhenius model to calculate the acceleration factor to greatly shorten the testing time, which can provide reference for exploration of reliability evaluation of related products.

accelerated life testing; reliability; sequential truncated test; arrhenius model

TB114.3

A

1004-7204（2017）05-0025-04

劉博，碩士，工程師，國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 委托檢測(cè)部副經(jīng)理，從事可靠性理論研究及測(cè)試。

白琳，碩士，工程師，國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 委托檢測(cè)部環(huán)境與可靠性項(xiàng)目工程師，從事環(huán)境與可靠性技術(shù)研究及應(yīng)用。