彈載慣性儀表的可靠性強化試驗

周鵬斌,馬喜宏,李建軍,石安利

(中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

惡劣環境下慣性儀表的使用,通常與彈體同步裝配,隨彈體發射、飛行、并實時記錄彈體的動態信息。該類產品在實際應用中通常會承受瞬時高溫、高沖擊等惡劣工作環境,因此,如何改善和提高慣性儀表在惡劣環境下的可靠性已成為一個不容忽視的問題。目前在國內外,將可靠性強化試驗用于慣性儀表的公司或科研單位很少,一般仍延續的是傳統環境模擬試驗,此試驗弊端在于其周期長、費用高,且不能完全暴露慣性儀表設計和生產中的所有缺陷[1]。本文針對此問題,在設計和生產階段,將可靠性強化試驗方法引入到新研制的各類慣性儀表中以此來快速暴露產品本身的缺陷并提高慣性儀表的可靠性。

1 可靠性強化試驗技術

1.1 實驗原理

可靠性強化試驗技術的理論依據是故障物理學,它把故障和失效當作主要研究對象,通過對試樣施加單一的或綜合的極限環境應力,快速激發出產品潛在缺陷,從而在很短的時間內獲得試驗結果,大大縮短試驗時間,提高試驗效率。它不像傳統的可靠性試驗通過被動的環境模擬后再增加設計裕度,來確保產品通過鑒定試驗與驗證試驗,而是主動地激發缺陷,并且要求激發得越徹底越好[2]。彈載慣性儀表的可靠性強化試驗是在不改變傳感器失效機理的前提下提高慣性儀表的試驗應力水平,使其在比正常使用環境苛刻的試驗條件下工作,從而使慣性儀表可靠性的薄弱環節(如傳感器敏感元件、集成電路模塊以及其他零部件)快速地發生失效。通過縮短試驗時間,就達到了快速評價慣性儀表可靠性水平的目的。

1.2 可靠性強化試驗過程及方法

對新研制的產品來說,可靠性強化試驗包括高加速壽命試驗(HALT)/高加速應力篩選(HASS),HALT/HASS是一個整體。HALT采用步進應力的方法進行試驗,故 HALT又稱步進應力試驗。HALT試驗是以步進方式對產品施加一系列單應力(如溫度、溫度循環、多軸隨機振動、電應力等)和綜合應力,并逐步增加強度直至產品失效的過程。在HALT過程中對發生的每一個失效都進行根本原因分析(Root Cause Analy-sis),不斷進行試驗、分析、驗證和改進。HALT是進行HASS的前提,只有完成了適當的HALT,而且所發現的問題均已得到解決,才允許進行HASS[3]。G K Hobbs博士認為不管采用什么篩選方法,篩選過程總要消耗產品一部分疲勞壽命,如果使用應力和損壞應力之間的余量很小,就根本不能運用任何應力篩選方法進行篩選。因此必須根據HALT得到的工作極限和損壞極限,摸清產品的設計余量,以此來制訂HASS方案,確定HASS的應力量級,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化試驗方案

2.1 彈載慣性儀表的可靠性強化試驗方法

2.1.1 HALT試驗

HALT試驗應在設計階段進行,以發現設計階段的薄弱環節,并加以改進,從而提高產品的可靠性。根據慣性儀表自身的特點,并結合國內現有的可靠性強化試驗設備,HALT試驗共分為兩個主要部分:高溫步進應力、高沖擊步進應力。在HALT試驗中將可找到產品在高溫及高沖擊環境下的工作極限與破壞極限[5]。

1)高溫步進應力

投入試驗樣本3個,從60℃開始,步長為+10℃,溫變率為設備最高升溫速率。每個溫度段在達到溫度穩定時間后,開始測試功能和性能,之后進行5次上下電功能測試,保證每次上下電后,功能、性能可完全恢復。試驗直至找到被測產品的工作極限(產品的工作極限是指施加時能引起產品故障,去除后能恢復正常工作的那個環境應力),當找到工作極限后將步長改為+2℃,直至找到破壞極限(產品的破壞極限是指產品出現永久性“硬”故障相對應的應力點)。如溫度升至高溫截止溫度還沒有發現破壞極限,則可停止此步試驗。試驗剖面如圖1所示。

圖1 高溫步進試驗剖面圖Fig.1 High-temperature step-stress test profile

圖1 中:t1表示樣品溫度穩定時間(慣性儀表熱透時間即整個試驗產品完全熱透所需要的時間),t2表示功能性能、檢測和5次上下電功能測試時間。

2)高沖擊步進應力

沖擊試驗的主要試驗設備有落錘式沖擊臺(40 000 g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉沖擊試驗(40 000 g以上)。本文采取霍普金森桿對其進行沖擊試驗。投入一組試驗樣本3個,從75 000 g開始,步長+5 000 g,每次沖擊后進行功能和性能測試,試驗直至找到被測產品的工作極限。當找到工作極限后將步長改為3 000 g,直至找到破壞極限,試驗剖面如2所示。

2.1.2 HASS試驗

HASS試驗是指在微慣性儀表設計完成后批量生產前進行,以發現生產工藝的缺陷,并加以改進,從而提高交付部隊使用時的可靠性。HASS試驗需要參考HALT試驗所得到的結果。本試驗中,將綜合環境應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試驗的初始條件。而后再依據此條件開始執行綜合環境應力試驗,并觀察受試產品是否有故障發生。如有故障發生,應先判斷是因為過大的應力造成,還是受試產品本身的不良,如因為應力過大則應再放寬溫度及沖擊應力10%,如果是受試產品本身的問題,則表示試驗條件有效。如無故障發生,則必須再加嚴測試環境應力10%[6]。

圖2 沖擊步進應力試驗剖面Fig.2 Shock step-stress test profile

2.2 試驗驗證

2.2.1 高溫步進試驗結果分析

圖3為高溫步進試驗得到慣性儀表零位電壓輸出幅值變化圖。

圖3 高溫步進試驗結果Fig.3 High-temperature step test results

當試驗從70℃開始以10℃的步長上升至150℃時,慣性儀表的零位電壓輸出隨著試驗溫度的升高而逐漸增加,當試樣在150℃保溫 30 min時,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一段時間后,慣性儀表的零位電壓輸出恢復正常。

本階段試驗表明,試樣的溫度極限上限為150℃,比設計規范要求的上限高70℃。

在試樣零位輸出不正常狀態下,試探性地將溫度以步長為2℃繼續升高,繼續監測零位電壓輸出信號。當溫度升至160℃時,傳感器的零位電壓輸出為零。經分析表明,出現此現象是由于慣性儀表中的焊盤出現損壞,從而導致慣性儀表無法正常工作。將敏感頭拆下對敏感元件進行測試,敏感元件工作正常。

2.2.2 高沖擊步進試驗結果分析

圖4為沖擊步進試驗得到慣性儀表零位電壓輸出幅值變化圖。

圖4 沖擊步進試驗結果Fig.4 Shock step test results

當試驗從75 000 g開始以5 000 g的步長上升時,慣性儀表的零位電壓輸出基本保持不變,當沖擊量值增加到125 000 g時,慣性儀表輸出突然下降至0.863 V,在正常環境恢復一段時間后,慣性儀表輸出基本穩定。

本階段試驗表明,試樣的沖擊工作極限為125 000 g,之后,試探性的改變步長為3 000 g,當沖擊量級為135 000 g時,傳感器輸出為0 V。經解剖分析,其中一慣性儀表敏感頭的梁發生斷裂,另一個敏感頭內發生引線脫落現象,導致慣性儀表輸出為0,如圖5所示。

圖5 敏感頭失效照片Fig.5 Sensitive failure photos

3 結論

本文提出將可靠性強化試驗方法用于慣性儀表的可靠性試驗。該方法區別于傳統模擬環境試驗的方法,它將在很短的時間內就可以使產品的缺陷暴露出來,極大地提高了試驗效率。分析與試驗表明,對慣性儀表進行可靠性強化試驗之后,不僅會在設計初期就能對產品的的薄弱環節進行改進,而且還能完全暴露產品的潛在缺陷,最大限度地降低了試驗成本,有效提高了彈載慣性儀表的可靠性。

本文只針對慣性儀表在高溫、高沖擊應力下的強化試驗方法及對暴露產品缺陷效率的提高,而針對不同的產品特點,需有不同的環境應力進行考核驗證。要高效地完成慣性儀表可靠性強化試驗,需進一步對各種應力的強化試驗效率進行深入研究,同時也應考慮試驗中的費效比,如何合理利用強化試驗設備更有效地提高產品的可靠性,并盡量降低工程造價,這是做可靠性強化試驗時值得考慮的問題。

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