加速壽命試驗在教學觸摸一體機可靠性驗收試驗中的應用

劉 博，白 琳

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

加速壽命試驗在教學觸摸一體機可靠性驗收試驗中的應用

劉 博，白 琳

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

本文以教學觸摸一體機為研究對象進行可靠性驗收試驗，并以加速壽命試驗的方法對試驗過程進行加速。試驗采用序貫截尾試驗方案，利用阿倫尼斯模型計算出加速因子，極大的縮短了試驗時間，為探索相關產品的可靠性評估提供了檢驗方法方面的參考。

加速壽命試驗；可靠性；序貫截尾試驗；阿倫尼斯模型

引言

教學觸摸一體機是在常規電教及計算機設備基礎上發展起來的新型教學設備，集電腦和電子白板等設備于一體，近些年來，教學觸摸一體機在中小學中迅速普及，極大的改善了教學效果。而教學觸摸一體機的可靠性水平也越來越成為使用者關注的重要指標，常用的產品的可靠性評估手段為可靠性統計試驗，但是一體機由于生產成本高，不同于其他消費電子產品能批量投放于市場，教學觸摸一體機多以政府或者學校以招投標的方式進行采購，所以用于試驗的樣品較少，從而導致試驗時間過長，本文采用加速壽命試驗的方法對可靠性統計試驗進行加速，較快的獲得了可靠性指標，節約了生產企業的生產成本與試驗成本。

1 加速試驗模型的選取

1.1 加速壽命試驗概述

加速壽命試驗（Accelerated Life Testing）是在產品許可的應力范圍內，適當增加試驗應力級別，以此來縮短試驗時間，降低試驗費用的一種試驗方法，對于評估長壽命、高可靠性產品的壽命和可靠性具有重要意義。

1.2 加速壽命試驗模型的分類及選擇

加速壽命試驗模型反應了產品壽命與應力水平之間的關系，可以分為物理加速模型、經驗加速模型和統計加速模型三類[1]。

經驗加速模型是基于對產品的性能長期觀察的總結而得出的，常見的經驗加速模型有逆冪律模型和Coffin-Manson模型。逆冪律模型反應了電應力和產品壽命的關系，Coffin-Manson模型則反應了溫度循環應力和產品壽命的關系[1]。

統計加速模型常用于分析難以對其失效過程用物理化學方法解釋的產品的失效數據，是基于統計分析方法給出的[1]。

對于教學觸摸一體機產品來說，其壽命主要受到溫度和電應力的影響，其中溫度應力對其影響比較大，因為溫度容易產生產品性能指標的偏移或者產品失效，因此本試驗選擇溫度作為加速應力，并選取阿倫尼斯模型（Arrhenius）作為加速壽命試驗的分析模式，采取定應力加速壽命試驗進行分析。

2 可靠性驗收試驗方案

2.1 試驗方案的選擇

可靠性驗收試驗方案的確定的前提是假設設備的故障率隨時間的分布規律[2]。電子產品的故障率一般服從指數分布，因此故障率是常數。基于指數分布的假設，統計試驗方案有定數結尾、定時結尾和序貫結尾三種統計試驗方案，對于教學觸摸一體機這類高可靠性的電子產品而言，序貫結尾試驗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尾試驗方案。

2.2 序貫截尾試驗方案

試驗方案。序貫試驗方案可以分為標準型試驗方案和短時高風險方案，對于采用正常的生產方風險α和使用方風險β（10～20 %）時，一般選擇標準型序貫試驗方案；而α、β取30 %時，采用短時高風險方案，此時試驗時間可以縮短[3]。m0和m1分別是MTBF假設值的上限值和下限值，鑒別比Dm是m0與m1的比值，即Dm=m0/m1，數值上常取2或3。

通過與生產企業協商并結合實際情況，鑒別比Dm取2.0，α、β取30 %。則選擇GB/T 5080.7-1986《設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案》中試驗方案4:9[4]，試驗方案分別見圖1和表1。

“外師造化，中得心源”就是畫家應以大自然為靈感來源，并結合內心的感悟，最后才能創作出好的作品，是基于堅持藝術與現實關系的唯物論基礎上的，帶有樸素唯物主義的色彩。藝術作品是客觀現實的形神與畫家主觀的情思有機統一的東西。

由圖1可以看出，當失效數和試驗時間點落在繼續試驗區域內時，試驗繼續進行；當失效數和試驗時間點落在接收區域內時，試驗終止，試驗通過并接收該產品；當失效數和試驗時間點落在拒收區域內時，試驗終止，試驗失敗并拒收該產品。

在本試驗中，要求一體機的MTBF不低于60 000 h，提供的樣機臺數n為20臺。則m1=60 000，mo=120 000。當未出現故障時，試驗通過的截止時間計算為：

0.86 mo/20=(0.86×120 000)/20=5 160 h

當出現1次故障時，試驗通過的截止時間計算為：

1.55 mo/20=(1.55×120 000)/20=9 300 h

當出現2次故障時，試驗通過的截止時間計算為：

圖1 試驗方案4:9（α=0.30，β=0.30，Dm=2.0）

表1 試驗方案4:9

2.25 mo/20=(2.25×120 000)/20=13 500 h

當出現3次或3次以上的故障時，則拒收該產品。

由計算結果可以看出，得出試驗結果的時間很長，需要通過加速試驗對試驗過程進行加速，以盡快得出結果。

2.3 加速因子的計算

加速壽命試驗中應力的大小不應改變產品的失效機理，對于溫度應力來說，如果應力水平過高，會使產品內部器件在使用中超過溫度極限而失效。因此要根據產品的正常工作溫度的上限和實際使用情況，選擇一個合適的問題[5]。

依據標準要求，該產品可靠性應在35 ℃下進行，在本試驗中，將試驗溫度提高至55 ℃，依據阿倫尼斯模型對加速因子進行計算。

阿倫尼斯模型加速因子計算公式：

式（1）中：

Aη：加速因子

E：活化能（正常使用期內的活化能趨近于0.6 eV）

K：玻爾茲曼常數（8.623×10-5eV/K）

Tn：正常試驗溫度（273+35） K

Ta：加速試驗溫度（273+55）K

由上述公式可以得出，此次加速壽命試驗的加速因子：

由計算結果得知，試驗時間可縮短4倍。因此試驗通過的截止時間分別為：未出現故障，1 290 h；出現1次故障，2 325 h；出現2次故障，3 375 h；出現3次或3次以上故障時，則拒收該產品。

3 教學觸摸一體機可靠性驗收試驗方法

3.1 試驗環境要求

樣品在試驗箱中需要滿足的環境條件：溫度：55 ℃；相對濕度：45～75 %RH；大氣壓力：102.5 kpa。

3.2 電應力條件

考慮到產品使用過程中接入電壓的不穩定性，依據標準要求，試驗周期內受試樣品在樣品額定的電壓值±10 %的范圍內工作，因此電應力不作為加速應力。每4 h為一個工作循環，其中3.5 h通電，0.5 h斷電，試驗電壓依次為下限值198 V，標稱值220 V，上限值242 V[6]。

3.3 故障的分類與處理

故障是判定試驗是否通過的重要依據，因此要求要對產品可能出現的故障進行總結并在試驗中進行檢查。故障分為關聯性故障和非關聯性故障，關聯故障與產品性能有關，是產品本身固有的，在試驗結果分析時要記入的故障；而非關聯故障則是未按規定的條件使用引起的，因此在試驗結果分析時不進行記入。

教學觸摸一體機在可靠性試驗中如下情形應判為故障：①開機白屏；②喇叭無聲音；③豎線干擾；④開機無圖；⑤遙控不作用；⑥觸控不作用；⑦按鍵不作用；⑧Ops電腦無信號；⑨HDMI無信號；⑩開機死機。

經判定，在1 290 h的試驗內，20臺樣機在試驗中未出現故障，因此故障數計為0，樣品判定為合格。

4 結論

本文采用序貫結尾的試驗方法對教學觸摸一體機進行可靠性試驗，并用較高的溫度應力對試驗過程進行加速，通過阿倫尼斯模型計算出加速因子，最終累積試驗時間為1 290 h，結果證明在生產方風險和使用方風險均為30 %、鑒別比為2 的條件下，教學觸摸一體機的平均無故障時間（MTBF）大于預計值60 000 h，判定為合格。

將加速試驗方案應用于教學觸摸一體機的可靠性驗收試驗中，不僅獲得了該批次產品的可靠性指標，而且大大的縮短了試驗時間，節省了試驗成本，為其他類似產品的可靠性評估提供了檢驗方法方面的參考。

[1] 姜同敏, 可靠性與壽命試驗[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.3.

[2] 李龍軍, 計算機可靠性驗證試驗方法[J].系統工程與電子技術,1994,68-75.

[3] 李良巧, 可靠性工程師手冊[M].北京, 中國人民大學出版社,2012, 3.

[4] GB/T 5080.7-1986, 設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案[S].

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

[6] SJ/T 11325-2006, 數字電視接收機及顯示設備可靠性試驗方法[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，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心 委托檢測部副經理，從事可靠性理論研究及測試。

白琳，碩士，工程師，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心 委托檢測部環境與可靠性項目工程師，從事環境與可靠性技術研究及應用。