SZC16-1型溫度剖面儀測量電路可靠性預計研究

方 芳，張 鵬

（國家海洋技術中心，天津300112）

SZC16-1型溫度剖面儀測量電路可靠性預計研究

方 芳，張 鵬

（國家海洋技術中心，天津300112）

文中主要以SZC16-1型XBT測量電路為例，從固有可靠性預計的理論基礎出發(fā)，通過對基本元器件、單元電路及整個可靠度的計算，給出了目前該型號XBT測量電路的可靠性參數(shù)，同時闡述了硬件電路可靠性研究的方法和步驟。

XBT；測量電路；可靠性預計

XBT(The expendable bathythermograph)全稱為投棄式溫度剖面儀，作為一種快速、經(jīng)濟的海洋測量儀器，能夠在船舶航行狀態(tài)下，快速測量海水的溫度剖面，并通過測量探頭的下降時間計算相應的深度。

20世紀70年代末，國外已將XBT廣泛應用于大洋科學考察和研究之中。我國自20世紀80年代，國家海洋技術中心開始該技術研究，2000年以來，在國家863等項目的支持下，經(jīng)進一步深入研究和多次試驗，已經(jīng)完成工程樣機的研制。針對其可靠性研究工作，本文以測量電路為例，通過對該儀器的工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)可靠度的預計，給出了可靠性參數(shù)，同時闡述了該測量電路可靠性研究的步驟和方法。

1 測量電路固有可靠性預計

1.1 測量電路原理及建模

該型號XBT測量電路，選用熱敏電阻作為敏感器件，通過傳輸線、發(fā)射器和連接電纜，將溫度信號傳送到放大器和AD轉換器，使模擬信號變?yōu)閿?shù)字形式，并通過微處理器進行數(shù)據(jù)處理、非線性擬合和暫存，通過串口將測量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集處理計算機處理和存儲。測量框圖如圖1所示。

圖1 測量電路功能框圖

使用應力分析法預計測量電路的可靠性指標，首先需根據(jù)測量電路的功能和原理劃分出在功能上相對獨立、內部為串聯(lián)結構的可靠性預計單元；再按照各種元器件工作失效率模型，計算單元內的各元器件的工作失效率。根據(jù)對XBT測量電路原理的分析，可以劃分和建立可靠性模型，如圖2所示。

圖2 測量電路可靠性框圖

根據(jù)可靠性建模的基本理論，可靠性模型分為基本可靠性模型和任務可靠性模型[1-2]，基本可靠性模型是構成的所有單元（包括冗余單元和代替工作單元）建立串聯(lián)模型，無論完成一種任務或是多種任務其基本可靠性模型是唯一的，值得指出的是，基本可靠性模型全面考慮了從接收到它退出使用期（即壽命期）的可靠性，而在壽命期內，除了工作之外，還具有非工作狀態(tài)，包括儲存、運輸?shù)取τ谠摐y量電路來說，由于其一次性使用的特殊性，因此該為非修復[3]。同時因為該任務剖面是唯一的，并且完成規(guī)定任務的各單元，包括非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)，都是環(huán)環(huán)相扣的串聯(lián)。

其串聯(lián)數(shù)學模型表達如下：

則，

1.2 測量電路工作狀態(tài)固有可靠性預計

根據(jù)測量電路可靠性模型，由于電子元器件服從指數(shù)分布，而且屬于串聯(lián)結構，因此壽命也服從指數(shù)分布。在計算過程中，由于各類元器件的數(shù)學模型不同，本文不一一介紹各單元的具體計算過程，僅以微處理器單元的失效率為例闡述計算方法[4]。處理器單元電路元件可靠性預計見表1，處理器單元電路器件可靠性預計見表2。

表1 處理器單元電路元件可靠性預計表

表2 處理器單元電路器件可靠性預計表

以微處理器為例，說明元器件工作狀態(tài)可靠性計算的方法和步驟[5]：

(1)確定工作失效率模型。首先辨別微處理器是進口半導體單片集成電路，屬于模擬集成電路，列出其工作失效率模型：

(2)確定環(huán)境系數(shù)πE，質量系數(shù)πQ，溫度應力系數(shù)πT。根據(jù)艦船良好艙NS1環(huán)境，查找環(huán)境系數(shù)表，得到：πE=3；根據(jù)微處理器制造商規(guī)定的生產(chǎn)和試驗流程確定的產(chǎn)品級別，查找質量系數(shù)表，得到：πQ=6；根據(jù)微處理器芯片的結溫Tj，查找溫度應力系數(shù)表，得到：πT=1.609。

(3)確定單片模擬集成電路復雜度失效率C1，集成電路封裝復雜度失效率C2。根據(jù)微處理器芯片的晶體管數(shù)NT，查找單片模擬集成電路的復雜度失效率表，得到C1=0.009 6；根據(jù)微處理器芯片的引出端數(shù)目Np，查找集成電路封裝復雜度失效率表，得到非密封器件C2=0.010 2。

(4)計算工作失效率：

(5)最后計算該單元的工作狀態(tài)總失效率：

根據(jù)以上的計算說明，依次計算得到其他單元的失效率，各個單元失效率之和即為工作狀態(tài)的失效率，如表3所示。

1.3 測量電路非工作狀態(tài)固有可靠性預計

經(jīng)過長時間的實踐發(fā)現(xiàn)，長期不工作或出于儲存狀態(tài)的設備存在一定的退化，即設備在非工作狀態(tài)下失效率并不為“0”。但是目前，在進行可靠性分析的時候，經(jīng)常將設備的非工作狀態(tài)失效率忽略不計，這是很不合理的。有很多設備，比如，本文論述的測量電路，在其使用壽命期間內的絕大多數(shù)時間都處于儲存或者運輸?shù)臓顟B(tài)，工作的時間非常短，其非工作狀態(tài)的可靠性對其投放成功率的影響非常大。

表3 工作狀態(tài)失效率

這里談到的非工作狀態(tài)，是指其能工作而不在工作的狀態(tài)，指運輸期、儲存期的狀態(tài)。在非工作期間內，對失效產(chǎn)生影響的主要有振動、鹽霧、溫度、沖擊、濕度、霉菌等環(huán)境應力。非工作狀態(tài)可靠性預計的一般程序與工作狀態(tài)可靠性預計程序相似，也屬于串聯(lián)，預計程序如圖3所示：

圖3 非工作狀態(tài)可靠性預計程序圖

假設非工作環(huán)境溫度為25℃，該程序的非工作環(huán)境狀態(tài)一般處于儲存和運輸兩種狀態(tài)中，根據(jù)非工作環(huán)境分類，屬于地面良好GB及平穩(wěn)地面移動GM1兩種環(huán)境類別，因此，非工作狀態(tài)系數(shù)πNE要進行系數(shù)修正，在兩種環(huán)境下系數(shù)取中間值。

下面再以放大器為例，進行說明[5]。其中，與工作狀態(tài)可靠性預計不同之處在于，各λNb、λNp及π因子均指在非工作狀態(tài)的系數(shù)。放大器單元元件非工作狀態(tài)預計表如表4所示，器件非工作狀態(tài)預計表如表5所示。

計算該單元的非工作狀態(tài)總失效率為：

非工作狀態(tài)失效率匯總如表6。

表4 放大器單元元件非工作狀態(tài)預計表

表5 放大器單元器件非工作狀態(tài)預計表

表6 非工作狀態(tài)失效率

1.4 工作與非工作失效率的綜合預計

根據(jù)測量電路的特點，其非工作時間占用了使用壽命的很大部分，可靠性預計的結果應該是其工作時的失效率與非工作期間失效率的綜合[6]。因此，使用修正模型，在修正模型里包括非工作失效率的修正項。其數(shù)學模型如下：

式中：λT為總失效率；λp為工作失效率；λNp為非工作失效率；d為工作時間與非工作時間之比。

測量電路的實際工作時間約為1 h，非工作時間約為240 h，時間總計241 h。計算可得d=0.004 2,λp=16.002 2，λNp=3.822 8，則：

2 結語

通過以上分析，可以看出SZC16-1型XBT測量電路的可靠度預計值已經(jīng)達到了99%以上，進一步提高SZC16-1型XBT的可靠性，應著重對工藝和其他部分進行深入的分析、試驗和研究。

[1]曾聲奎.可靠性設計分析教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2]孫青.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]李海泉，李剛.可靠性分析與設計[M].北京：科學出版社，2003.

[4]總裝電子信息基礎部．GJB/Z 299C-2006．電子設備可靠性預計手冊[S]．北京：解放軍總裝備部，2006.

[5]信息部產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所．GJB/Z 108A-2006．電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計手冊[S].北京：解放軍總裝備部，2006.

[6]張增照，潘勇.電子產(chǎn)品可靠性預計[M].北京：科學出版社，2007

Study on Reliability Prediction of Measurement Circuit for SZC16-1 XBT

FANG Fang,ZHANG Peng
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The general method and steps of reliability for the measurement circuit of XBT is analyzed on the basis of reliability prediction theory.The basic component calculation,circuit calculation and system calculation are carried out.The reliability parameters of measurement circuit system which is useful for improving reliability of marine instruments later are given finally.

XBT;measurement circuit;reliability prediction

P716+.12

A

1003-2029（2011）02-0088-04

2011-02-15