可靠性強化試驗技術(shù)在科學(xué)儀器中的應(yīng)用探討

劉祁 ， 李騫 ， 朱嘉偉

(1.海軍駐廣州750廠軍事代表室，廣東廣州 510656 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東廣州 510610)

0 引言

人類發(fā)展史上的每一次大的飛躍都是基于工具的巨大創(chuàng)新和根本變革驅(qū)動。作為 “工具”的科學(xué)儀器設(shè)備，其發(fā)展和創(chuàng)新往往是催生科技創(chuàng)新的重要因素之一。然而長期以來，我國的科學(xué)儀器創(chuàng)新不足，中高端儀器基本依賴進(jìn)口，歸根究底，主要還是由于國產(chǎn)科學(xué)儀器的可靠性水平不高造成的[1]。由于可靠性不高，導(dǎo)致國內(nèi)用戶采購國產(chǎn)科學(xué)儀器的信心不足，從而間接地制約了國產(chǎn)科學(xué)儀器行業(yè)的健康發(fā)展[2]?？茖W(xué)儀器具有典型的技術(shù)集成度高、系統(tǒng)性強和精密度高的特點，同時其使用環(huán)境絕大部分為實驗室環(huán)境，尤其是部分光學(xué)設(shè)備對工作環(huán)境的要求極高，如恒溫恒濕無振動等。因此，在行業(yè)內(nèi)一度存在著不需要對科學(xué)儀器開展可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等相關(guān)試驗的誤區(qū)。

可靠性強化試驗是一種快速提升目標(biāo)產(chǎn)品的可靠性水平的有效手段，自從20世紀(jì)在國外提出以來，在各個行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用，特別是電子、機電領(lǐng)域[3]。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外的知名科學(xué)儀器廠家，如安捷倫等也在產(chǎn)品研發(fā)階段引入了可靠性強化試驗技術(shù)，用于快速暴露產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，從而改進(jìn)設(shè)計，提高產(chǎn)品的可靠性水平。在國內(nèi)，可靠性強化技術(shù)發(fā)展迅速，也有很多研究學(xué)者圍繞試驗方法開展了相關(guān)研究，例如：姜同敏等[4-5]圍繞可靠性強化試驗定量評估方法開展了大量的研究，溫熙森等對模塊級電子產(chǎn)品的可靠性強化試驗方法開展了研究工作。但在科學(xué)儀器領(lǐng)域，相關(guān)研究還相對較少。因此，探索可靠性強化試驗技術(shù)在科學(xué)儀器當(dāng)中的應(yīng)用顯得十分必要。本文圍繞科學(xué)儀器的特點，研究了科學(xué)儀器可靠性強化試驗的方法，并選取典型的光譜儀系統(tǒng)開展了應(yīng)用工作。

1 科學(xué)儀器的定義和特點

科學(xué)儀器是對事物組成、結(jié)構(gòu)相互作用機理與機制、變化規(guī)律趨勢等進(jìn)行檢測表征，并獲得相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)和圖像的工具。我國著名科學(xué)家王大珩院士指出：“儀器是認(rèn)識世界的工具、機器是改造世界的工具，而認(rèn)識世界是改造世界的前提。”因此，科學(xué)儀器在我國科技創(chuàng)新、工業(yè)生產(chǎn)和國民活動中都具有重要的作用。

科學(xué)儀器是工業(yè)生產(chǎn)的 “倍增器”?！肮び破涫?，必先利其器”，戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的培育和發(fā)展需要科學(xué)儀器設(shè)備發(fā)揮 “千里眼”“順風(fēng)耳”的作用，科學(xué)儀器是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)做精、做細(xì)、做強的基礎(chǔ)驅(qū)動力。同時，科學(xué)儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)是典型的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，也是一個國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

科學(xué)儀器是科學(xué)研究的 “先行官”。人類對未知世界的探索都需要依賴科學(xué)儀器，例如：天文望遠(yuǎn)鏡的誕生，開辟了天文學(xué)研究的新紀(jì)元；透射電鏡和掃描電鏡的出現(xiàn)，促進(jìn)了生命科學(xué)和材料科學(xué)研究的快速發(fā)展；掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，推動了納米科技的發(fā)展。因此，先進(jìn)科學(xué)儀器設(shè)備往往對前沿學(xué)科和技術(shù)具有重要的引領(lǐng)和開拓作用。

科學(xué)儀器是國民活動中的 “物化法官”。當(dāng)前，我國已進(jìn)入全面建成小康社會的攻堅階段。環(huán)境污染、食品安全、產(chǎn)品質(zhì)量和人口健康等民生問題已在全社會范圍內(nèi)引起了高度重視，也是我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略迫切需要解決的重大問題。沒有測量就沒有科學(xué)管理，沒有測量就沒有質(zhì)量。而測量往往需要借助于各種科學(xué)儀器來實現(xiàn)。由此可見，科學(xué)儀器在國民活動中同樣發(fā)揮著重要的作用。

科學(xué)儀器按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般可分為分析儀器、物理性能測試儀器、計量儀器、電子測量儀器、地球探測儀器、海洋儀器、海洋儀器、醫(yī)學(xué)診斷儀器和核儀器，以及特種檢測儀器等十一大類別，其中常見的有光譜、質(zhì)譜、色譜、生化分析、力學(xué)性能和電磁測量等儀器。按照使用方式又可分為便攜式儀器、實驗室儀器和工業(yè)在線儀器等。其普遍存在技術(shù)集成度高 (光機電一體化)、絕大部分使用環(huán)境基本良好 (部分對使用要求極高)等特點。從構(gòu)成上看，科學(xué)儀器設(shè)備產(chǎn)品一般由以下5個部分組成：1)主機，是檢測技術(shù)和方法的物化；2)應(yīng)用方法，針對不同領(lǐng)域、不同檢測對象的測試、表征方法；3)數(shù)據(jù)庫，包含大量相關(guān)的基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)、譜圖等；4)軟件系統(tǒng)，包括操作軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和控制軟件等；5)配套部件，如樣品前處理、環(huán)境條件 (真空、高溫、高壓和磁場)等。

2 科學(xué)儀器可靠性強化試驗方案

2.1 總體思路

根據(jù)科學(xué)儀器設(shè)備的工作原理和組成特點，首先，應(yīng)當(dāng)選主機及其配套部件作為可靠性強化試驗的具體對象，同時應(yīng)當(dāng)充分地考慮主機中如光譜儀中的光路部分、質(zhì)譜當(dāng)中的分子泵和四極桿等精密部件對環(huán)境有嚴(yán)格要求的部件，依照其設(shè)計應(yīng)用目標(biāo)和預(yù)期環(huán)境來確定是否跟隨主機整體開展可靠性強化試驗。一般試驗對象確定流程如圖1所示。

圖1 科學(xué)儀器可靠性強化對象確定流程圖

2.2 可靠性強化試驗的流程

科學(xué)儀器可靠性強化試驗的流程一般包括低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、溫度循環(huán)、振動步進(jìn)和綜合環(huán)境試驗，當(dāng)通過對象分析確定省略其中某一步驟時，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。各種試驗推薦順序流程如圖2所示。

圖2 可靠性強化試驗的一般流程

2.2.1 低溫步進(jìn)試驗

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗的應(yīng)力施加如圖3所示。

圖3 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗剖面

2.2.2 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗的應(yīng)力施加如圖4所示。

圖4 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗剖面

2.2.3 快速溫度循環(huán)試驗

快速溫度循環(huán)試驗的應(yīng)力施加如圖5所示。

圖5 快速溫度循環(huán)試驗剖面

2.2.4 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗

振動步進(jìn)應(yīng)力試驗的應(yīng)力施加如圖6所示。

圖6 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗剖面

2.2.5 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗的應(yīng)力施加如圖7所示。

圖7 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗剖面

2.2.6 試驗剖面注意事項

可靠性強化試驗剖面中，應(yīng)注意以下幾點[6-7]。

a)每個低溫和高溫階段的停留時間為：樣品達(dá)到溫度穩(wěn)定時間+10 min+測試時間。

b)溫度應(yīng)力 (包括溫度循環(huán))試驗時應(yīng)進(jìn)行3次起動檢測，以考核樣品在極端溫度下的起動能力，3次起動后進(jìn)行功能和性能檢測，測試完畢后斷電。

c)低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗的終止條件為：以-60℃為低溫步進(jìn)試驗結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到光源系統(tǒng)的低溫工作極限。

d)高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗終止條件：以100℃為高溫步進(jìn)試驗結(jié)束溫度，或者已經(jīng)找到光源系統(tǒng)的高溫工作極限。

e)快速溫度循環(huán)試驗從低溫階段開始。

f)快速溫度循環(huán)溫度變化速率為40℃/min。

g)振動應(yīng)力頻率范圍為：5～10 000 Hz。

h)振動形式為：三軸六自由度超高斯隨機振動。

i)振動步進(jìn)應(yīng)力試驗終止條件為：以60 g作為振動步進(jìn)試驗結(jié)束量級，或者已經(jīng)找到樣品的工作極限。

3 案例應(yīng)用

3.1 受試產(chǎn)品說明

本次試驗選取了某型光譜儀作為受試產(chǎn)品，其由激發(fā)光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、多通道檢測系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4個部分組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。主要用于金屬成分檢測，工作環(huán)境為常規(guī)實驗室環(huán)境條件。其工作原理主要為試樣經(jīng)光源激發(fā)以后所輻射的光，經(jīng)入射狹縫照射到色散系統(tǒng)光柵上，經(jīng)過分光以后各單色光被聚焦在焦面上形成光譜，在焦面上放置若干個出射狹縫，將分析元素的特定波長引出，分別投射到光電倍增管等接收器上，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由積分電容存儲，當(dāng)曝光終止時，由測量系統(tǒng)逐個測量積分電容上的電壓，依照所測電壓值的大小來確定元素的含量。通過對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點進(jìn)行分析，最終選定其光源系統(tǒng)作為此次可靠性強化的具體受試部件，光源系統(tǒng)的功能是把試樣中的組分蒸發(fā)離解為氣態(tài)原子，然后把這些氣態(tài)原子激發(fā)，使之產(chǎn)生特征光譜。光源系統(tǒng)的組成及層次圖如圖9所示。

圖8 光譜儀組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 光源系統(tǒng)的組成及層次圖

3.2 試驗實施方案

在可靠性強化試驗前，根據(jù)在光源系統(tǒng)研制、生產(chǎn)和檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)及其他試驗 (如系統(tǒng)聯(lián)試、環(huán)境試驗等)中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)來確定強化試驗中的關(guān)注點。

在可靠性強化試驗前，應(yīng)采用紅外熱成像儀對光源系統(tǒng)進(jìn)行非接觸式溫度調(diào)查，以便了解受試光源系統(tǒng)的熱分布及溫升情況；同時，也應(yīng)對光源系統(tǒng)開展振動響應(yīng)調(diào)查分析，以便獲取其振動響應(yīng)量值，為試驗中的故障排除提供參考。

確定試驗過程中對高預(yù)燃放電電壓和其P1、P2端子信號進(jìn)行測試，給出合格參數(shù)范圍要求，作為試驗故障判據(jù)。

試驗流程依照2.2節(jié)中的要求進(jìn)行。

3.3 試驗結(jié)果

本次試驗過程中一共發(fā)生了8次故障，故障詳情如表1所示。

針對試驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了現(xiàn)場分析，通過分析對其中2個故障采取了改進(jìn)措施，剩余6個故障由于條件限制暫時無法進(jìn)行改進(jìn)。

通過試驗確定的產(chǎn)品工作極限分別為：

a)低溫為-60℃；

b)高溫為100℃；

c)振動為60 g(振動形式為三軸六自由度氣錘式，頻率范圍為5～10 000 Hz)。

表1 故障情況匯總表

4 結(jié)束語

通過試驗證明，可靠性強化試驗作為一種有效的缺陷快速激發(fā)手段在科學(xué)儀器設(shè)備上也可得到很好的應(yīng)用，同時本文推薦的強化試驗截止應(yīng)力可以適用于絕大部分科學(xué)儀器設(shè)備。相關(guān)工作人員可以參考本文給出的試驗流程和方法為科學(xué)儀器設(shè)備開展相關(guān)可靠性強化試驗，對于科學(xué)儀器可靠性的提升具有重要的意義。