高過載下軍用電容的參數(shù)變化研究及失效分析★

何榮華，張亞，李波，黃運(yùn)鑾，郭攀

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)人民解放軍66440部隊(duì)，河北 石家莊 050081）

1 引言

電容的失效是指電容執(zhí)行其要求功能的能力的喪失，對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品來說，也可稱為 “故障”[1]。電容的失效可根據(jù)失效部位、失效機(jī)理或失效模式來分類。失效部位是失效發(fā)生的位置。失效機(jī)理是指由物理、電、化學(xué)和機(jī)械等應(yīng)力的特殊組合引起失效的過程。失效模式是指由失效機(jī)理所引起的可觀察到的物理變化（如斷路、短路或電子器件參數(shù)的變化）[2]。某無線電引信中的軍用電容不僅要承受非常嚴(yán)酷的高過載環(huán)境，而且還要求具有很高的安全性和作用可靠性，電容的特性參數(shù)發(fā)生改變，會(huì)影響到引信系統(tǒng)的工作性能。因此，對(duì)軍用電容高過載環(huán)境下的性能參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，實(shí)時(shí)地采集和記錄高過載環(huán)境下的引信內(nèi)部電容的動(dòng)態(tài)參數(shù)，能更好地了解電容在高過載環(huán)境中特性參數(shù)的變化規(guī)律及失效模式，對(duì)無線電引信高過載環(huán)境下的工作性能研究和提高引信的設(shè)計(jì)水平和可靠性具有重要的意義。

2 試驗(yàn)方案

高過載機(jī)械沖擊試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)錘擊試驗(yàn)機(jī)（馬歇特試驗(yàn)機(jī)）來產(chǎn)生高過載慣性力。錘擊機(jī)的棘輪上共有30個(gè)齒，每齒轉(zhuǎn)角為12°。錘擊機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒數(shù)與錘擊時(shí)產(chǎn)生的慣性加速度成正比。通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)機(jī)上棘輪的齒數(shù)可控制錘擊機(jī)并模擬出1000～30000 g左右的慣性力。擊錘有效碰撞時(shí)間約為0.15 ms。本文研究的電容破壞極限在15000 g左右，在標(biāo)準(zhǔn)錘擊機(jī)上就可完成高沖擊試驗(yàn)[3]。

此試驗(yàn)把被測(cè)電容焊接在電路板上，電路板采用剛性夾持支持方式和擊錘相連，所以電路板本身的振動(dòng)可忽略。沖擊方向與電容在某無線電引信的發(fā)射過程中受到的后座力方向一致。利用標(biāo)準(zhǔn)錘擊試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊過載，用加速度傳感器實(shí)時(shí)校核沖擊過載的大小，并傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)延時(shí)觸發(fā)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所采用瞬態(tài)記錄儀TST3000的采樣頻率可達(dá)1～40 MHz，精度為12位，最大采樣點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，可以真實(shí)地記錄元件參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。試驗(yàn)完成后，任何按規(guī)定的測(cè)量或檢查中出現(xiàn)的不合格，都應(yīng)視做失效；由于試驗(yàn)期間夾具或處理引起的標(biāo)記損壞不得視為器件失效[4]。高過載機(jī)械沖擊動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖如圖1所示。

圖1 高過載機(jī)械沖擊動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖

3 參數(shù)測(cè)試

3.1 電容的主要測(cè)試參數(shù)

判斷電容器失效的標(biāo)準(zhǔn)依電容器的用途而定。如對(duì)于高頻電路用的電容器，依其阻抗和漏電流增大的程度來判斷它是否失效；而對(duì)于其它用途的電容器，則可能只依其漏電流的增大量來判定它是否失效[5]。對(duì)于不同類型的電容器，失效標(biāo)準(zhǔn)也常有不同。

考核電容器的性能有眾多的技術(shù)參數(shù)：漏電流、標(biāo)稱容量、允許偏差、損耗因數(shù)、絕緣電阻及時(shí)間常數(shù)等[6]。在試驗(yàn)項(xiàng)目中，重點(diǎn)對(duì)電容器的標(biāo)稱容量和漏電流進(jìn)行測(cè)試。待測(cè)參數(shù)中的任何一個(gè)超出規(guī)定值即判定為產(chǎn)品失效。

3.2 電容容值的測(cè)量

設(shè)計(jì)測(cè)試電路，由基準(zhǔn)電容和被測(cè)電容CX構(gòu)成分壓電路，將400 Hz的交流方波信號(hào)源加到基準(zhǔn)電容C1和被測(cè)電容CX構(gòu)成的分壓電路上。通過測(cè)試電容CX上的壓降，進(jìn)行阻抗變換后經(jīng)過儀器采集，則可換算成相應(yīng)的容值。換算公式為：

3.3 電容漏電流的測(cè)量

漏電流，在對(duì)電容器施加額定的直流工作電壓后，將觀察到充電電流的變化；開始很大，隨著時(shí)間而下降，到某一終值時(shí)達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)，這一終值電流就被稱為漏電流[7]。

對(duì)待測(cè)電容的兩極施加正向額定直流電壓，到規(guī)定時(shí)間（一般為1～5 min）時(shí)測(cè)試電容兩極間的電流值即為電容的漏電流，測(cè)試原理如圖2所示。當(dāng)漏電流大于各電容的規(guī)定值時(shí)，則電容失效。

圖2 漏電流測(cè)試原理

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為某陶瓷電容在慣性力為11200 g、脈寬為0.1 ms的高過載機(jī)械沖擊試驗(yàn)條件下所測(cè)得的容值變化曲線：

圖3 容值變化曲線

由圖3可知，在機(jī)械沖擊過程中，該電容上的分壓出現(xiàn)大約15 ms的不穩(wěn)定，可認(rèn)為該電容在高過載條件下不穩(wěn)定的時(shí)間很長(zhǎng)。

由于該陶瓷電容為積分電路中的電容，積分電路在無線電引信中常用作模擬定時(shí)器，以延期解除保險(xiǎn)，電容容值時(shí)大時(shí)小出現(xiàn)不穩(wěn)定，會(huì)造成定時(shí)時(shí)間的不準(zhǔn)確性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)引信內(nèi)某電解電容在高過載條件下的容值進(jìn)行測(cè)試，也觀察到了電解電容在高過載下出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的不穩(wěn)定現(xiàn)象，而該電容的不穩(wěn)定會(huì)造成某無線電引信在工作中斷供電不足，間隙斷電。

對(duì)于不同電路中的電容，其容值變化對(duì)引信電路產(chǎn)生的影響也不一樣。如果用作濾波電容、旁路電容，高過載條件下電容容值變化對(duì)電路的總體影響不大；如果用作傳遞目標(biāo)信號(hào)的耦合電容，高過載條件下其容抗時(shí)大時(shí)小，無線電引信探測(cè)的目標(biāo)信號(hào)也會(huì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，即目標(biāo)信號(hào)疊加了干擾。

在慣性力為11200 g、脈寬為0.1 ms的高過載機(jī)械沖擊試驗(yàn)條件下所測(cè)得的某電容的漏電流變化曲線如圖4所示，可看出在高過載下電容漏電流基本上在增大，期間也出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖4 漏電流變化曲線

而由于漏電流增大造成的電容失效，對(duì)引信的影響相對(duì)比較大，嚴(yán)重者使得引信電路得不到電源供電，引信完全失效。

在高過載實(shí)驗(yàn)中，電容的引線出現(xiàn)了引線脆硬折斷的失效現(xiàn)象。即在高過載條件下，電容的開路失效也會(huì)由引線的失效引起。

由電容引線折斷造成的電容失效對(duì)引信的影響，也依電容在引信電路中的用途而不同，但高過載下出現(xiàn)引線脆硬折斷的現(xiàn)象相對(duì)較少。

通過對(duì)大量的軍用電容高過載動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，電容在高過載條件下，其性能參數(shù)通常會(huì)發(fā)生變化，而沖擊結(jié)束后，被測(cè)參數(shù)又逐漸恢復(fù)到初始值，這是常規(guī)測(cè)試方法基本上觀察不到的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過高過載下軍用電容的動(dòng)態(tài)測(cè)試，可以實(shí)時(shí)地記錄電容的參數(shù)變化?？芍?，高過載下電容的性能參數(shù)出現(xiàn)了短暫的不穩(wěn)定波動(dòng)的現(xiàn)象，電容的失效模式主要有開路、漏電流增大和容值變化，而電容的失效會(huì)引起引信作用的改變。本文設(shè)計(jì)了高過載下的軍用電容動(dòng)態(tài)測(cè)試方案，對(duì)高過載條件下軍用電容的參數(shù)變化和失效模式進(jìn)行了分析，并分析電容失效引起的引信作用變化，對(duì)提高引信的設(shè)計(jì)水平和可靠性具有一定的意義。但由于設(shè)備限制，電容的某些技術(shù)參數(shù)沒有進(jìn)行測(cè)試，這是有待改進(jìn)的地方。

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