電子測壓器倒置開關的可靠性研究*

胡向南,祖 靜,張 瑜,黃 慧

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

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電子測壓器倒置開關的可靠性研究*

胡向南,祖 靜,張 瑜*,黃 慧

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

針對由于放入式電子測壓器工作環境復雜,使倒置開關在實際應用中有時會出現不上電或誤上電的情況,為確保測壓器可以在惡劣條件下正常上電工作,設計了利用可靠性測試系統,馬歇特沖擊錘以及可靠性參數計算對倒置開關進行可靠性研究的方法,并運用此方法對一組倒置開關進行了具體的可靠性分析。這種可靠性研究為火炮膛壓測試的成功進行提供了重要保障。

電子測壓器;倒置開關;可靠性;可靠性試驗;數據分析

〗根據國軍標GJB2973A—2008規定,在火炮膛壓測試前,放入式電子測壓器和發射藥應在發射前隨彈保溫至少48 h。由于電子測壓器固封在彈丸中,在保溫期間與結束后無法對其手動上電,同時電子測壓器只有22 cm3的體積(內積為15 cm3),限制了內置電池的容量。為實現測試系統的低功耗,設計了基于數字加速度計MMA8453Q的倒置開關。倒置開關是電子測壓器的電源控制器件[1],作用就是在彈丸保溫期間保證測壓器處于最低功耗狀態,彈丸入膛前通過將藥筒倒置(彈尖朝下)使測壓系統上電工作。但由于工作環境復雜惡劣,實際存在倒置開關不能正常對測壓器上電控制的失敗例子。因而,倒置開關的可靠性是判斷電子測壓器測試系統能否正常工作的重要指標,應對其重點研究[2]。

1 倒置開關及其工作原理

電子測壓器倒置開關選用Freescale公司的3軸數字加速度傳感器MMA8453Q,它具有體積小、功耗低、抗沖擊性好、可靠性高等優點[3]。電子測壓器倒置開關位于傳感器下方,正面朝向傳壓孔,此時Z軸的加速度值為1gn,如圖1所示。

圖1 倒置開關在電子測壓器中示意圖

測壓器系統設定當MMA8453Q的Z軸從豎直向上的初始位置向任意方向旋轉一定角度(大于115°小于245°)時,如圖2,便認定加速度計倒置,同時向處理器提供中斷信號。為防止運輸過程顛簸或使用過程中由于操作不當而引起的誤上電,在系統響應加速度計輸出中斷后,只有連續20 s內始終判斷到Z軸旋轉方向達到閾值角度(此時Z軸加速度值小于-0.8gn),才認定系統上電,進入工作狀態:其中,先用加速度計自帶的防抖動功能進行延時10 s判斷,當10 s內倒置開關都處于背面時才輸出上電中斷信號,處理器收到此信號后再進行10 s的Z軸加速度值的判斷,滿足上電條件后最終輸出一個有效上電控制信號[4]。

圖2 倒置開關開關通斷姿勢示意圖

膛壓測試前,接通倒置開關與電子測壓器的電氣連接,并對倒置開關進行編程設置。此時測壓系統處于低功耗狀態,倒置開關被激活,可將測壓器放入藥筒隨彈保溫。測試前5 min,利用翻彈機將彈丸倒置1 min,倒置開關也隨之翻轉。當倒置開關檢測滿足預設倒置條件時,向控制電路發送上電中斷信號,激活測壓器采樣存儲模塊,進入全工狀態,同時倒置開關進入待機模式。

2 可靠性測試系統及可靠性試驗

2.1 可靠性測試系統

倒置開關的可靠性測試系統通過模擬倒置開關的實際應用環境,以檢測智能倒置開關的上電中斷信號、上電控制信號、0°基準信號和Z軸實時加速度值等信號,為后續的研究分析提供依據,從而找出實際工作中可能發生的故障,篩選出符合標準的產品。倒置開關可靠性測試系統如圖3所示,倒置開關檢測電路固定于轉筒上,由小功率調速電機帶動轉筒旋轉以模擬倒置開關的工作情況;高低溫試驗箱用以模擬倒置開關的工作環境;檢測電路的微處理器采用與電子測壓器相同MSP430F4618;外部NOR型FLASH用以采樣和存儲數據;FLASH通過通信接口與上位機相連,將存儲的數據完整讀出,從而對數據進行后續處理和分析,給出可靠性量化指標。

圖3 可靠性測試系統的結構

由于倒置開關是以判斷翻轉角度閾值來發送上電中斷信號的,所以在進行可靠性測試時需要一個0°的參考標準來確定何時倒置開關位于初始位置。所以在電機的安裝水平面放置一個發光二極管,當轉筒上的檢測電路正面朝上放置時,電路板上的光敏三極管與發光二極管處于一條直線,三極管接收到的光信號最強,同時輸出高電平信號;當轉筒開始旋轉,光敏三極管轉離發光二極管時,接收到的光信號逐漸減弱,并輸出低電平信號。這時就可以把光敏三極管的輸出信號作為0°基準信號。

2.2 可靠性試驗及結果分析

2.2.1 常溫試驗

進行常溫環境試驗時,將被測倒置開關固定于檢測電路上,調節電機轉動一周的時間為4 min,待其轉速平穩時開啟檢測電路的采樣存儲功能,連續模擬1 000次倒置后停止采樣。

圖4 6～9號測壓器原始波形圖

如圖4為本次試驗48個倒置開關的6號～9號存儲在外部FLASH中的原始數據波形圖,其中橫軸為采樣點數,縱軸為加速度的bit值,由于設定的數據輸出為8位,所以最大bit值為255。理論上,在倒置開關旋轉到90°和270°時,加速度達到臨界值,此時Z軸由受重力引起的加速度為0gn;當倒置開關翻轉到背面時,Z軸理論加速度值為負數。由于加速度的二進制bit值無符號位,所以可以在圖中觀察到bit值在某一點會驟增,此點即為臨界點。分析波形可知,采樣信號波形與理論基本相符。

將bit值轉換為Z軸所感應的加速度值與旋轉角度隨時間變化的波形圖,如圖5(a)、5(b)分析可知,4個倒置開關的數據一致性較好且連貫平滑,無異常數據出現,且5(b)的遞增區間正好對應5(a)的遞減區間,說明倒置開關正轉向負半周;5(b)的遞減區間正好對應5(a)的遞增區間,表示倒置開關正轉向正半周,與理論情況符合。分析兩圖可知,倒置開關隨轉筒旋轉一周內所感應到的加速度的的范圍介于-1.0140gn～+1.0140gn。同時每個倒置開關旋轉到0°時有大約7.5°的滯待角,在此區間(0°-7.5°,0°+7.5°)內倒置開關都輸出1gn;而在旋轉至180°時有大約10°的滯待角,在此范圍倒置開關輸出-1gn。旋轉一個周期的時間是:73.05 min～69.02 min=4.03 min,與理論值4 min相差0.03 min,角度誤差為3°,與理論值基本相符。

圖5 常溫試驗數據波形圖

圖6 6號倒置開關各采樣信號的綜合圖

2.2.2 高低溫試驗

火炮內彈道試驗方法中規定了火炮內彈道試驗的溫度環境:高溫為+55 ℃,低溫-40 ℃。由于測壓器要隨彈在規定溫度下保溫,因而測試倒置開關在高低溫下的工作能力是十分重要的。利用可靠性測試系統進行高低溫環境試驗時,首先將高低溫試驗箱調至試驗要求溫度(高溫+55 ℃,低溫-40 ℃),待溫度恒定后將檢測電路和電機一同置于試驗箱中,保溫1 h后再進行測試。

圖7為高溫試驗數據波形圖,可以看到高溫環境下倒置開關在旋轉到180°左右時的輸出不穩定,產生毛刺。由于倒置開關旋轉角度在115°和245°之間并延時20s輸出上電控制信號,因而毛刺的出現使得上電控制信號不能為連續的高電平。但由圖可知,上電控制信號高電平最短持續時間為1 s,遠大于測壓器的微處理器對中斷信號的響應時間。同時實際情況下測壓器隨彈丸倒置時不會晃動,加速度計能夠輸出穩定值,因而毛刺的出現不會影響倒置開關的正常使用。

而由圖8可知,低溫試驗中0°參考信號幅值下降較為明顯;On信號的脈寬也有所增加。這是由于溫度的變化對加速度計內部的結構造成影響,使滯待角增加。

圖7 高溫試驗數據波形圖

圖8 低溫實驗數據波形圖

通過計算分析,各智能倒置開關輸出的上電控制信號均在正常范圍內,能夠完成規定功能。

3 抗沖擊試驗

由于彈丸在發射過程中要承受上萬gn的高沖擊過載,所以倒置開關同樣要承受高過載的沖擊。在抗沖擊試驗中,我們利用馬歇特沖擊錘來檢測倒置開關所能承受的最大沖擊強度。

試驗時將倒置開關和標準傳感器同時固定于馬歇特錘的錘頭上方,加速度值的大小通過馬歇特錘的轉盤控制。以加速度計MMA8453Q芯片資料提供的所能承受的最大加速度值5 000gn為測試的初始值,逐漸增加沖擊強度,在每個強度下進行兩次沖擊試驗,沖擊后將倒置開關與測試電路相連并手動倒置,以檢驗倒置開關能否正常工作[5-6]。表1列出了1號～3號倒置開關抗沖擊試驗受到的沖擊加速度。通過試驗可知,當馬歇特錘所造成的沖擊加速度超過45 000gn時倒置開關不能正常工作,表明倒置開關具有45 000gn的抗過載能力,符合電子測壓器技術指標規定的倒置開關耐30 000gn沖擊加速度的要求,證明了其在高沖擊過載下可以可靠工作。

表1 抗沖擊試驗試驗結果

*為不能正常工作

4 可靠性定量計算

倒置開關可靠性的要求是當可靠度為0.9時,倒置開關的工作時間要大于等于電子測壓器的平均壽命時間[7-8],表2為測壓器的可靠性參數。利用可靠性測試系統對48個倒置開關進行了定時截尾試驗,沒有產品失效,得出如表3的無失效數據。

表2 放入式電子測壓器可靠性要求

表3 定時截尾試驗無失效數據

經分析,定時截尾試驗無失效數據服從威布爾分布,運用基于小樣本的數據統計分析方法對試驗數據進行參數估計。

表4 各參數計算值

對數值xi和yi進行加權最小二乘法線性擬合,擬合曲線如圖9所示。

圖9 最小二乘法線性擬合圖

綜上得這組倒置開關的平均壽命為:

1687.325Γ(1.73)

由于倒置開關屬于不可修復產品,所以它的平均故障時間tMTTF就是它的平均壽命1505.094h。

智能倒置開關工作到平均壽命時的瞬時失效率是:

3.623×10-5×t0.376=7.812×10-4

根據表1的可靠性要求,可算出在90%的置信水平下倒置開關工作200h的可靠度置信下限是0.948。

綜上計算結果可以看出,本組48個倒置開關的使用壽命滿足規定的電子測壓器的技術指標,且在使用壽命期內具有較高的可靠度。

5 總結

倒置開關是電子測壓器的電源控制器件,它的可靠性很大程度上決定了測壓器能否正常上電工作。本文以電子測壓器技術資料以及國軍標規定的倒置開關的可靠性指標為依據,通過可靠性測試系統、馬歇特錘的檢測,以及對樣本數據進行參數估計,分析倒置開關的可靠性,從而為電子測壓器正常上電,火炮膛壓測試可以成功進行提供可靠性保障。

[1]常寬. 倒置開關的研究[D]. 太原:中北大學出版社,2009.

[2]裴東興,祖靜,馬鐵華,等. 微型倒置開關[P]. 中國:發明專利,ZL200710185450. 2,2008-08-27.

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[4]Jonathan Soen,Alina Voda,Cyril Condemine. Controller Design for a Closed-Loop Micromachined Accelerometer[J]. Control Engineering Practice. 2007,15(1):57-68.

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[6]Liu Jun,Shi Yunbo,Li Ping,et al. Experimental Study on the Package of High-gAccelerometer[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2012,173(1):l-8.

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[8]王卿. 放入式電子測壓器的智能化設計及校準技術研究[D]. 太原:中北大學,2011.

[9]倪中新,費鶴良. 威布爾分布無失效數據的統計分析[J]. 應用數學學報,2003,26(3):533-543.

胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大學碩士研究生,主要從事動態測試與智能儀器研究,hxn_1989@126.com;

張瑜(1979-),女,遼寧莊河人,中北大學講師,主要從事動態測試理論與技術的研究。

TheResearchonReliabilityofInversionSwitchforElectronicPiezoGauge*

HUXiangnan,ZUJing,ZHANGYu*,HUANGHui

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to the complex working condition of electronic piezo gauge,the inversion switch makes the electronic piezo gauge sometimes fail in power-on or sometimes makes a mistake falsify in power-on. To guarantee electronic piezo gauge could be in power-on normally,a method to study the reliability of inversion switch was designed by using reliability testing system,Marshall’s impact hammer and quantitative calculation,and a set of inversion switches was analysed specifically by using this method. The study of reliability provides an important guarantee for the success of gun chamber pressure test.

electronic piezo gauge;inversion switch;reliability;reliability test;data analysis

項目來源:國防重點實驗室基金項目(9140c120704070c12)

2013-12-02修改日期:2013-12-23

TN606

:A

:1005-9490(2014)06-1062-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.011