電子測壓器倒置開關(guān)的可靠性研究*

胡向南,祖 靜,張 瑜,黃 慧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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電子測壓器倒置開關(guān)的可靠性研究*

胡向南,祖 靜,張 瑜*,黃 慧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

針對由于放入式電子測壓器工作環(huán)境復(fù)雜,使倒置開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(shè)計(jì)了利用可靠性測試系統(tǒng),馬歇特沖擊錘以及可靠性參數(shù)計(jì)算對倒置開關(guān)進(jìn)行可靠性研究的方法,并運(yùn)用此方法對一組倒置開關(guān)進(jìn)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(jìn)行提供了重要保障。

電子測壓器;倒置開關(guān);可靠性;可靠性試驗(yàn);數(shù)據(jù)分析

〗根據(jù)國軍標(biāo)GJB2973A—2008規(guī)定,在火炮膛壓測試前,放入式電子測壓器和發(fā)射藥應(yīng)在發(fā)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(jié)束后無法對其手動(dòng)上電,同時(shí)電子測壓器只有22 cm3的體積(內(nèi)積為15 cm3),限制了內(nèi)置電池的容量。為實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的低功耗,設(shè)計(jì)了基于數(shù)字加速度計(jì)MMA8453Q的倒置開關(guān)。倒置開關(guān)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(tài),彈丸入膛前通過將藥筒倒置(彈尖朝下)使測壓系統(tǒng)上電工作。但由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣,實(shí)際存在倒置開關(guān)不能正常對測壓器上電控制的失敗例子。因而,倒置開關(guān)的可靠性是判斷電子測壓器測試系統(tǒng)能否正常工作的重要指標(biāo),應(yīng)對其重點(diǎn)研究[2]。

1 倒置開關(guān)及其工作原理

電子測壓器倒置開關(guān)選用Freescale公司的3軸數(shù)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(yōu)點(diǎn)[3]。電子測壓器倒置開關(guān)位于傳感器下方,正面朝向傳壓孔,此時(shí)Z軸的加速度值為1gn,如圖1所示。

圖1 倒置開關(guān)在電子測壓器中示意圖

測壓器系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)MMA8453Q的Z軸從豎直向上的初始位置向任意方向旋轉(zhuǎn)一定角度(大于115°小于245°)時(shí),如圖2,便認(rèn)定加速度計(jì)倒置,同時(shí)向處理器提供中斷信號。為防止運(yùn)輸過程顛簸或使用過程中由于操作不當(dāng)而引起的誤上電,在系統(tǒng)響應(yīng)加速度計(jì)輸出中斷后,只有連續(xù)20 s內(nèi)始終判斷到Z軸旋轉(zhuǎn)方向達(dá)到閾值角度(此時(shí)Z軸加速度值小于-0.8gn),才認(rèn)定系統(tǒng)上電,進(jìn)入工作狀態(tài):其中,先用加速度計(jì)自帶的防抖動(dòng)功能進(jìn)行延時(shí)10 s判斷,當(dāng)10 s內(nèi)倒置開關(guān)都處于背面時(shí)才輸出上電中斷信號,處理器收到此信號后再進(jìn)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(gè)有效上電控制信號[4]。

圖2 倒置開關(guān)開關(guān)通斷姿勢示意圖

膛壓測試前,接通倒置開關(guān)與電子測壓器的電氣連接,并對倒置開關(guān)進(jìn)行編程設(shè)置。此時(shí)測壓系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài),倒置開關(guān)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(jī)將彈丸倒置1 min,倒置開關(guān)也隨之翻轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)怪瞄_關(guān)檢測滿足預(yù)設(shè)倒置條件時(shí),向控制電路發(fā)送上電中斷信號,激活測壓器采樣存儲(chǔ)模塊,進(jìn)入全工狀態(tài),同時(shí)倒置開關(guān)進(jìn)入待機(jī)模式。

2 可靠性測試系統(tǒng)及可靠性試驗(yàn)

2.1 可靠性測試系統(tǒng)

倒置開關(guān)的可靠性測試系統(tǒng)通過模擬倒置開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,以檢測智能倒置開關(guān)的上電中斷信號、上電控制信號、0°基準(zhǔn)信號和Z軸實(shí)時(shí)加速度值等信號,為后續(xù)的研究分析提供依據(jù),從而找出實(shí)際工作中可能發(fā)生的故障,篩選出符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。倒置開關(guān)可靠性測試系統(tǒng)如圖3所示,倒置開關(guān)檢測電路固定于轉(zhuǎn)筒上,由小功率調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)以模擬倒置開關(guān)的工作情況;高低溫試驗(yàn)箱用以模擬倒置開關(guān)的工作環(huán)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(chǔ)數(shù)據(jù);FLASH通過通信接口與上位機(jī)相連,將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)完整讀出,從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和分析,給出可靠性量化指標(biāo)。

圖3 可靠性測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于倒置開關(guān)是以判斷翻轉(zhuǎn)角度閾值來發(fā)送上電中斷信號的,所以在進(jìn)行可靠性測試時(shí)需要一個(gè)0°的參考標(biāo)準(zhǔn)來確定何時(shí)倒置開關(guān)位于初始位置。所以在電機(jī)的安裝水平面放置一個(gè)發(fā)光二極管,當(dāng)轉(zhuǎn)筒上的檢測電路正面朝上放置時(shí),電路板上的光敏三極管與發(fā)光二極管處于一條直線,三極管接收到的光信號最強(qiáng),同時(shí)輸出高電平信號;當(dāng)轉(zhuǎn)筒開始旋轉(zhuǎn),光敏三極管轉(zhuǎn)離發(fā)光二極管時(shí),接收到的光信號逐漸減弱,并輸出低電平信號。這時(shí)就可以把光敏三極管的輸出信號作為0°基準(zhǔn)信號。

2.2 可靠性試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 常溫試驗(yàn)

進(jìn)行常溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí),將被測倒置開關(guān)固定于檢測電路上,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為4 min,待其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)開啟檢測電路的采樣存儲(chǔ)功能,連續(xù)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(yàn)48個(gè)倒置開關(guān)的6號～9號存儲(chǔ)在外部FLASH中的原始數(shù)據(jù)波形圖,其中橫軸為采樣點(diǎn)數(shù),縱軸為加速度的bit值,由于設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出為8位,所以最大bit值為255。理論上,在倒置開關(guān)旋轉(zhuǎn)到90°和270°時(shí),加速度達(dá)到臨界值,此時(shí)Z軸由受重力引起的加速度為0gn;當(dāng)?shù)怪瞄_關(guān)翻轉(zhuǎn)到背面時(shí),Z軸理論加速度值為負(fù)數(shù)。由于加速度的二進(jìn)制bit值無符號位,所以可以在圖中觀察到bit值在某一點(diǎn)會(huì)驟增,此點(diǎn)即為臨界點(diǎn)。分析波形可知,采樣信號波形與理論基本相符。

將bit值轉(zhuǎn)換為Z軸所感應(yīng)的加速度值與旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的波形圖,如圖5(a)、5(b)分析可知,4個(gè)倒置開關(guān)的數(shù)據(jù)一致性較好且連貫平滑,無異常數(shù)據(jù)出現(xiàn),且5(b)的遞增區(qū)間正好對應(yīng)5(a)的遞減區(qū)間,說明倒置開關(guān)正轉(zhuǎn)向負(fù)半周;5(b)的遞減區(qū)間正好對應(yīng)5(a)的遞增區(qū)間,表示倒置開關(guān)正轉(zhuǎn)向正半周,與理論情況符合。分析兩圖可知,倒置開關(guān)隨轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)所感應(yīng)到的加速度的的范圍介于-1.0140gn～+1.0140gn。同時(shí)每個(gè)倒置開關(guān)旋轉(zhuǎn)到0°時(shí)有大約7.5°的滯待角,在此區(qū)間(0°-7.5°,0°+7.5°)內(nèi)倒置開關(guān)都輸出1gn;而在旋轉(zhuǎn)至180°時(shí)有大約10°的滯待角,在此范圍倒置開關(guān)輸出-1gn。旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期的時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)波形圖

圖6 6號倒置開關(guān)各采樣信號的綜合圖

2.2.2 高低溫試驗(yàn)

火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)方法中規(guī)定了火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)的溫度環(huán)境:高溫為+55 ℃,低溫-40 ℃。由于測壓器要隨彈在規(guī)定溫度下保溫,因而測試倒置開關(guān)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(tǒng)進(jìn)行高低溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí),首先將高低溫試驗(yàn)箱調(diào)至試驗(yàn)要求溫度(高溫+55 ℃,低溫-40 ℃),待溫度恒定后將檢測電路和電機(jī)一同置于試驗(yàn)箱中,保溫1 h后再進(jìn)行測試。

圖7為高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖,可以看到高溫環(huán)境下倒置開關(guān)在旋轉(zhuǎn)到180°左右時(shí)的輸出不穩(wěn)定,產(chǎn)生毛刺。由于倒置開關(guān)旋轉(zhuǎn)角度在115°和245°之間并延時(shí)20s輸出上電控制信號,因而毛刺的出現(xiàn)使得上電控制信號不能為連續(xù)的高電平。但由圖可知,上電控制信號高電平最短持續(xù)時(shí)間為1 s,遠(yuǎn)大于測壓器的微處理器對中斷信號的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)實(shí)際情況下測壓器隨彈丸倒置時(shí)不會(huì)晃動(dòng),加速度計(jì)能夠輸出穩(wěn)定值,因而毛刺的出現(xiàn)不會(huì)影響倒置開關(guān)的正常使用。

而由圖8可知,低溫試驗(yàn)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(jì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)造成影響,使滯待角增加。

圖7 高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖

圖8 低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖

通過計(jì)算分析,各智能倒置開關(guān)輸出的上電控制信號均在正常范圍內(nèi),能夠完成規(guī)定功能。

3 抗沖擊試驗(yàn)

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

試驗(yàn)時(shí)將倒置開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)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(zhuǎn)盤控制。以加速度計(jì)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(qiáng)度,在每個(gè)強(qiáng)度下進(jìn)行兩次沖擊試驗(yàn),沖擊后將倒置開關(guān)與測試電路相連并手動(dòng)倒置,以檢驗(yàn)倒置開關(guān)能否正常工作[5-6]。表1列出了1號～3號倒置開關(guān)抗沖擊試驗(yàn)受到的沖擊加速度。通過試驗(yàn)可知,當(dāng)馬歇特錘所造成的沖擊加速度超過45 000gn時(shí)倒置開關(guān)不能正常工作,表明倒置開關(guān)具有45 000gn的抗過載能力,符合電子測壓器技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的倒置開關(guān)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(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

*為不能正常工作

4 可靠性定量計(jì)算

倒置開關(guān)可靠性的要求是當(dāng)可靠度為0.9時(shí),倒置開關(guān)的工作時(shí)間要大于等于電子測壓器的平均壽命時(shí)間[7-8],表2為測壓器的可靠性參數(shù)。利用可靠性測試系統(tǒng)對48個(gè)倒置開關(guān)進(jìn)行了定時(shí)截尾試驗(yàn),沒有產(chǎn)品失效,得出如表3的無失效數(shù)據(jù)。

表2 放入式電子測壓器可靠性要求

表3 定時(shí)截尾試驗(yàn)無失效數(shù)據(jù)

經(jīng)分析,定時(shí)截尾試驗(yàn)無失效數(shù)據(jù)服從威布爾分布,運(yùn)用基于小樣本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

表4 各參數(shù)計(jì)算值

對數(shù)值xi和yi進(jìn)行加權(quán)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(guān)的平均壽命為:

1687.325Γ(1.73)

由于倒置開關(guān)屬于不可修復(fù)產(chǎn)品,所以它的平均故障時(shí)間tMTTF就是它的平均壽命1505.094h。

智能倒置開關(guān)工作到平均壽命時(shí)的瞬時(shí)失效率是:

3.623×10-5×t0.376=7.812×10-4

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

綜上計(jì)算結(jié)果可以看出,本組48個(gè)倒置開關(guān)的使用壽命滿足規(guī)定的電子測壓器的技術(shù)指標(biāo),且在使用壽命期內(nèi)具有較高的可靠度。

5 總結(jié)

倒置開關(guān)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(shù)資料以及國軍標(biāo)規(guī)定的倒置開關(guān)的可靠性指標(biāo)為依據(jù),通過可靠性測試系統(tǒng)、馬歇特錘的檢測,以及對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),分析倒置開關(guān)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(jìn)行提供可靠性保障。

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胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大學(xué)碩士研究生,主要從事動(dòng)態(tài)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(xué)講師,主要從事動(dòng)態(tài)測試?yán)碚撆c技術(shù)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(xiàng)目來源:國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)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