海洋環境對傳感器性能的影響及失效分析　

關鍵詞：海洋環境；影響因素；失效分析

中圖分類號：TH702；TP212.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著對海洋環境的保護、資源有效利用及海洋國防安全的關注提升，如何發展海洋監測和勘探新技術已經成為國際前沿和研究熱點。傳感器及相關系統的飛速發展，已經使其成為海洋工程發展及應用的核心。復雜的海洋環境和較大的基體效應具有如下環境特點：一是海水中彌漫大量鹽霧，屬于腐蝕性較強的環境； 二是海上光照時間長、強度高，高溫和溫度變化大是常態；三是海上高溫會使水汽大量蒸發，易形成高濕環境。另外，海洋環境還存在霉菌、有機生物、寄生蟲、振動、沖擊、搖擺及傾斜等因素，各種環境條件相互影響、共同作用。傳感器相關部件在海洋環境條件的綜合影響下，會發生腐蝕、老化、加速系統失效等故障，因此研究海洋環境下的幾種典型因素的失效模式、失效原因和預防措施是當前亟待解決的重點和難題。

1 我國海洋氣候的特點

1.1 高濕

海洋處于日光照射強烈、降水頻次高的氣候條件下，很容易形成高濕的環境條件。大多數情況下，海洋環境下傳感器工作的環境相對濕度都在 60% 以上。表 1為某海域和某內陸地區的相對濕度情況對比，可以明顯看出海洋氣候具有高濕度的特點。

1.2 高溫且溫度變化大

海洋氣候的典型特點是溫度高，并且高溫出現的頻次多。傳感器工作環境中白天溫度較高，夜晚（或陰雨天）則急劇下降，溫度的迅速變化會使傳感器的可靠性下降。我國各海區氣溫有所不同：南海終年高溫；東南沿海晝夜溫差可達 20℃ 以上；東海南部和北部冬季海水溫差較大。

1.3 高鹽霧

鹽霧是海洋環境的特點之一，也是造成傳感器腐蝕的最主要因素。鹽霧的主要成分是氯化鈉（NaCl），其在水中易吸附潮氣而發生電離，能夠與傳感器外殼的金屬部件發生電化學反應；同時，氯離子還可以吸附在金屬表面的孔隙和裂隙中，形成可溶解的氯化物，從而使金屬表面失去鈍化作用，導致傳感器金屬外殼保護膜出現孔隙。表2 為某海區距海邊距離不同的大氣中 NaCl 含量。

1.4 多霉菌

據不完全統計，能對工業材料造成侵襲的霉菌有4 萬多種。大多數霉菌喜愛偏酸性和潮濕環境，因此海洋環境是霉菌生長的最佳場所。霉菌袍子容易在溫度為25 ～ 39℃ 的環境下生長，而海洋條件的pH 為 3.5 ～ 6，呈弱酸性，夏季的溫濕度條件適合大量霉菌孢子的萌芽和生長。

1.5 沖擊和振動

在海洋環境中使用傳感器會受到海浪的重復沖擊和振動，同時，傳感器系統主機也會遭受如艦船碰撞、艦船擱淺、主機推進、機械發動等情況帶來的非重復性的沖擊和振動。

2 主要環境因素對傳感器的影響和失效機制

目前傳感器實際工況多為高溫、高濕、腐蝕性強、充滿靜電顆粒等綜合交織的惡劣環境[1]。在工作過程中，潮濕、酸性的環境會腐蝕傳感器，環境中的靜電顆粒也會造成傳感器內部敏感元件受損或發生短路，導致輸出的測量結果有一定偏差，進而引發測量功能“休克”，從而導致傳感器的失效[2]。

2.1 高溫、高濕環境與腐蝕的關系

無論傳感器的材料是金屬還是非金屬，吸收潮氣后均會在材料表面形成“水膜”。金屬材料吸收潮氣后，金屬表面的“水膜”中溶解了空氣，形成能使傳感器絕緣性能下降、對金屬材料產生腐蝕作用的特殊電解質。在吸收潮氣后，非金屬物則會使其接觸的金屬物質臨界濕度降低，從而加速腐蝕金屬物質。非金屬材料吸收潮氣后還容易滋生霉菌，加速傳感器外殼表面的電化學反應，造成傳感器性能的降低以及傳感器結構的損壞。

當溫度和濕度并存時，金屬腐蝕物增量Q 與溫度t、濕度RH 之間關系：

Q = [（RH-65） /10]×1.045t。 （ 1）

由式（1）可知，當濕度大于 65% 時，即使在一般環境中，金屬也容易被腐蝕，而通常海洋環境濕度處于65% 以上的時間較多[3]，因此金屬的腐蝕會更加嚴重。

2.2 鹽霧腐蝕環境

海洋環境中的傳感器會隨著空氣的流動而暴露在鹽霧條件下，如果沒有采取相應的措施，再加上高溫和高濕環境的共同作用，傳感器中的材料會加速腐蝕，從而使傳感器的絕緣性能下降。海洋環境中的傳感器在鹽霧環境中的影響作用包括腐蝕作用（海水中鹽分在電離作用下形成酸堿溶液來腐蝕傳感器）、電作用（鹽分在海水中沉積產生導電層）和物理作用（金屬漆層起泡造成機械部件阻塞或卡滯）。

2.3 霉菌環境

霉菌在海洋環境高濕和高溫的反復作用下，會迅速萌發、生長和分解有機材料，尤其是破壞電氣產品的絕緣性，因此在海洋環境中傳感器的絕緣性會受到極大的影響。同時，霉菌本身也會分泌酸性物質，形成對金屬材質的腐蝕，還會對金屬材質的漆膜造成破壞，使其失去原有的保護功能。

2.4 海洋中各環境應力相互作用

海洋用傳感器在使用和儲存的時候，并不是僅僅受到某個環境因素的單獨影響而發生故障，實際上影響海洋用傳感器的因素是綜合的，它的故障也是由各種環境因素相互影響而產生的。例如，高溫和高濕會加速霉菌的生長，加劇腐蝕；高溫和振動則會相互促進對傳感器的影響。多種環境因素疊加的共同影響往往比單一因素影響更大、更復雜，而且很難區分具體是哪種因素造成這些影響。表 3 為海洋條件下環境應力的相互作用對傳感器的影響。

2.5 失效案例分析

傳感器受海洋環境影響，常常出現產品失效的情況。 某型傳感器為艦艇上測量壓力的傳感器，在現場使用中發生輸出異常，不符合0.5 ～ 5 V 輸出電壓的產品要求，表4 為某型傳感器故障輸出結果。

將故障傳感器解剖后發現，產品電路板底部有干燥后的白色水漬，且電路板的安裝孔和安裝螺釘均有明顯銹漬。圖1 為故障傳感器外觀；圖2 為故障傳感器解剖圖，圖3 為故障傳感器電路板，圖4為無故障傳感器電路板。

清洗電路板后重新調試，故障產品輸出電壓恢復正常，符合產品要求。表5 為清洗電路板后故障傳感器輸出結果。

故障傳感器的問題定位為傳感器電路板因水汽凝結后受潮導致電路功能異常。

在解剖分析過程中，拆卸傳感器接插件時發現，在所有故障傳感器的接插件和密封膠墊上，除了安裝螺釘孔外，均有單獨加工的通氣孔。圖5 為故障傳感器接插件的通氣孔。

該故障產品長期在潮濕環境下工作，部分水珠從接插件（密封膠墊）的通氣孔進入產品內部，造成內部水汽逐漸積累，吸附在電路板上造成電路功能異常，導致產品輸出電壓較差。

改進措施如下：提高產品防潮性的工藝要求，加強電路板的三防（防水、防潮、防塵）處理，加強結構封裝的密封性，去除接插件（密封膠墊）通氣孔，接插件和密封膠墊涂膠安裝等。

3 傳感器關鍵部件選材和工藝改進的建議

3.1 關鍵部件選材

應用在海洋領域的傳感器，除了需要滿足基本指標外，還必須考慮環境應力的作用。例如，高溫環境會影響材料的應力和材料熱脹冷縮后與內部結構的匹配；高濕環境可導致材料內部受潮，引起腐蝕或滋生霉菌等。從材料的耐腐蝕性角度考慮，金屬材料應優先選用耐蝕鋼、不銹鋼、鋁材等耐蝕性較強的材料[4]。如果不能選用耐腐蝕性材料，就需要對材料進行相應的處理，并對其進行有效的涂層保護。

3.2 工藝改進

創新的研究和工藝上的改進能夠從根本上解決傳感器在惡劣環境下的使用問題，這也是未來在各個特殊領Mo1bRRFsVCrI96zRTE8Ufg==域開發和應用傳感器的關鍵。激光焊接、電子束焊接等新興的焊接工藝可以保證傳感器的強度[5]；選擇密封材料要綜合考慮材料的防潮性能、絕緣性、彈性模量及適應溫度的能力等；也可通過敏感元件疏水仿生修飾和自除濕再生技術來確保傳感器的正常運行，從而降低高濕環境的影響；在設計耐腐蝕傳感器產品外形時，可以在傳感器外表面增加功能化涂層，以屏蔽或減弱生物吸附[6]。

4 結論

在海洋環境條件下，影響傳感器性能的因素主要有高溫、高濕、腐蝕、霉菌等。海洋中復雜的環境和各方面的因素相互促進、共同作用，加快了傳感器產品的老化和失效。為了保證各個元件的正常運行，一方面，需要選擇適合的材料，或者對材料采取涂覆處理；另一方面， 要重視創新工藝技術的研發，從根本上降低海洋環境因素對傳感器的影響。