厲召玉 張永飛
1. 中國長峰機電技術研究設計院,北京 100039;2. 山東省臨沂市莒南縣應急管理局,山東臨沂 276699
產(chǎn)品的質(zhì)量至少應包含技術指標、性能指標和可靠性指標3部分。技術指標和性能指標又被稱為顯性質(zhì)量指標,即產(chǎn)品出廠時的質(zhì)量指標,是在紙面上明確規(guī)定的;可靠性指標又被稱作為隱形質(zhì)量指標,該指標是必須經(jīng)過長期使用或者特殊試驗才可獲得的質(zhì)量指標[1]。上述3項指標相輔相成,對產(chǎn)品質(zhì)量的構成缺一不可,對于傾角傳感器同樣如此。對于傾角傳感器的技術指標、性能指標,通常有明確的、量化的指標要求,在產(chǎn)品出廠時可以直接測量、檢驗;而對于可靠性指標,一般不能實施直接測量、檢驗,需要對產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)全過程進行可靠性設計和控制,才能確??煽啃灾笜藵M足要求。本文主要針對傾角傳感器在研發(fā)、生產(chǎn)和使用階段的可靠性監(jiān)督與控制、設計與評價和試驗等方面展開論述。
為使傾角傳感器達到規(guī)定的可靠性要求,滿足傳感器在角度測量時的完好性和任務執(zhí)行的成功性要求,保證資源要求和壽命周期維護費用達到最優(yōu)。傾角傳感器的可靠性設計在研發(fā)、生產(chǎn)、使用階段應按照以下原則實施:
(1)遵循預防為主,早期投入方針。由于傾角傳感器的可靠性隱性指標,設計時只能將預防作為重點,在設計和生產(chǎn)過程中分析影響可靠性的因素,落實可靠性設計措施,改進設計;
(2)新型號傳感器研制過程中要將研制工作與可靠性工作統(tǒng)一規(guī)劃,協(xié)調(diào)進行;
(3)在新型號傳感器設計過程中,應盡可能使用成熟設計,控制好新設計和新技術在傳感器中所使用的占比,分析同類產(chǎn)品使用中的可靠性缺陷,有針對性地進行改進,以提高新型號傳感器的可靠性;
(4)在新型號傳感器軟件開發(fā)過程中,嚴格按照軟件管理控制要求進行,規(guī)范軟件版本控制和代碼書寫規(guī)范;
(5)監(jiān)督和控制好傳感器的研制和生產(chǎn)過程,對傳感器研制和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)進行可靠性評審、評估。
在傾角傳感器研制過程中,依據(jù)傾角傳感器的技術要求,需做好傳感器的可靠性指標論證以及合理的指標分配,做出充分預計之后進行合理設計,做好元器件選用控制和可靠性試驗等項目,統(tǒng)一協(xié)調(diào)可靠性設計和管理工作,將其統(tǒng)一納入傳感器的整體研制計劃。
傾角傳感器研制階段可以分為論證階段、方案階段、研制階段和定型階段。根據(jù)傾角傳感器的技術要求,在論證階段確定傳感器的MTBF的任務值θS,依據(jù)傳感器產(chǎn)品的可靠性水平,對θS進行初步論證[2]。根據(jù)相關文件(GJB450A—2004)編制行之有效的可靠性大綱。
研制的傾角傳感器處于方案階段時,要根據(jù)傾角傳感器戰(zhàn)術技術指標設計,制定出傳感器的功能框圖。根據(jù)編制的傾角傳感器框圖,分析出框圖中的內(nèi)在邏輯關系,從而編制出新研制傾角傳感器的可靠性框圖。按照傾角傳感器的可靠性框圖,參考已經(jīng)定型的傳感器預計結果,將可靠性指標分配至傳感器的各個子系統(tǒng)中,或者把技術要求上的可靠性指標加權分配,分配之后的結果必須滿足整機系統(tǒng)的可靠性指標。
在完成可靠性框圖編制和可靠性指標分配后,根據(jù)GJB/Z299B—1998和MIL—HDBK—217F兩個文件中的分析方法,對硬件電路中使用到的元器件預計出可靠性預計值θP[2],根據(jù)已經(jīng)得出的θP值,對硬件電路中影響傳感器可靠性的部分進行設計更改,最后把根據(jù)傾角傳感器技術要求編制的功能框圖、可靠性框圖、可靠性分配指標和可靠性的預計結果進行階段性的評審,以便于對影響傳感器可靠性的缺陷再次進行設計改進。在傾角傳感器進行可靠性設計時,其設計需要考慮的方面如圖1所示。
傾角傳感器進入研制階段后,根據(jù)方案階段編制的功能框圖,結合可靠性框圖進行硬件電路的設計。在硬件電路可靠性設計時,需要考慮的方面如圖2所示。
硬件電路設計過程中,元器件是電路可靠性設計的基礎,在進行硬件電路設計選取元器件時應遵循以下原則:
(1)盡可能地少使用或者不使用未定型或新定型的新產(chǎn)品,若在部分硬件電路中無法找到替代的新元器件,新元器件必須有質(zhì)量認證,避開使用到高失效率的新型元件;
(2)購買元器件時,應使用《合格供方名單》中的元器件,無法在該范圍購買的部分元器件,從擁有認證報告和相關審批手續(xù)的供應商處購買。
設計硬件電路過程中要求特別注意電子元器件的使用,考慮到要達到規(guī)定的傳感器可靠性指標,要求使用元器件時進行降額設計。對硬件電路設計時要統(tǒng)籌考慮,對電路的各個子系統(tǒng)進行詳細分析計算,掌握每一個元器件特性以便于對其工作時的電壓、電流、功率以及溫漂和工作環(huán)境進行全面考慮。與此同時,對于電子元器件的體積大小、可靠性、重量和使用性價比作出權衡。
除此之外,在傾角傳感器功能框圖編寫過程中,傳感器各個子系統(tǒng)的電子元器件和功能電路應盡量使用經(jīng)過實踐檢驗的成熟電路,盡可能地少使用新型號元器件和功能電路。硬件電路設計過程中,在滿足傾角傳感器技術要求上的性能的前提下,要將傳感器硬件設計方案和各個子系統(tǒng)硬件電路盡可能地簡化。在進行某些微小的新性能的改進時,不應當增加復雜電路和元器件,從而造成傳感器可靠性指標有一定的減少。通常使用以下幾種方法進行傳感器硬件電路的簡化設計:
(1)盡量體現(xiàn)硬件電路的繼承性;
(2)優(yōu)先使用標準電路和組件,盡可能地壓縮電路、電壓種類和數(shù)量;
(3)使用集成化較高的電路。
裕度設計又稱為“漂移設計”。在實際的傳感器硬件電路中,由于不同的環(huán)境、負荷的變化以及設計時的工差等一系列原因造成傳感器的漂移性故障,因此,在硬件電路實際設計中應當融入裕度設計,其具體情況如下:
(1)傳感器硬件電路設計時將功率裕度設計考慮進去。傾角傳感器使用過程中,要求傳感器使用時達到一定的容限安全系數(shù),這就要求傳感器中各個子系統(tǒng)都有相對應的功率裕度,一般子系統(tǒng)的功率裕度要求達到20%~30%,特殊部位(例如電源位置的元器件)甚至達到要求的50%。傳感器各個子系統(tǒng)的功率裕度要根據(jù)其可靠性指標進行相應調(diào)整;
(2)傳感器硬件設計時應考慮到電路模塊工作狀態(tài)。設計傳感器的硬件電路時要考慮到電路模塊的狀態(tài)工作點,使得傳感器的硬件電路工作在各個電路模塊的穩(wěn)定區(qū)域,即元器件工作于參數(shù)穩(wěn)定區(qū);
(3)傳感器硬件設計中融入電路溫度補償。選取電子元器件過程中,應盡量選取溫度系數(shù)能夠互相補償?shù)脑骷M合使用,或者是使用其他的補償措施對硬件電路進行溫度補償。
在硬件電路設計完成后,數(shù)據(jù)傳輸之前,要求檢查硬件電路中元器件的完好性,以保證傳感器上電后,各個單元之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_完好。除此之外,要進行極限檢測和合理性檢測硬件電路中所有的模擬以及數(shù)字輸入和輸出。
在進行傳感器的硬件接口軟件設計時,首先要考慮到外部輸入或者輸出設備的失效檢測,并且在檢測到失效發(fā)生時,軟件可以使接口恢復到某一個安全狀態(tài),而且還要求對所涉及到的硬件失效模式加以考慮。在傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸時,為了保證接收方接收到的數(shù)據(jù)真實可靠,要求發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)使用特定格式和內(nèi)容,以便于發(fā)送方和接收方使用約定的方法進行校驗。軟件設計過程中,其可靠性設計結構如圖3所示。
在進行傳感器的軟件程序編寫時,首先要考慮的就是軟件的健壯性。在軟件的健壯性設計中:第一,傾角傳感器的電源模塊在加電瞬間有可能會出現(xiàn)間歇性故障,從而使傾角傳感器進入潛在的不安全狀態(tài),為了避免出現(xiàn)這種狀態(tài),就要求軟件在傳感器電源出現(xiàn)失效時安全地關閉傳感器,另外,傾角傳感器的供電電源有可能會出現(xiàn)不正常的波動,同樣要求軟件對其加以處理;第二,軟件設計必須考慮到傳感器在上電時進行一次自我檢測,驗證傳感器系統(tǒng)本身是安全的,而且可以正常運行,在必要的時候,傳感器可以進行周期的自我檢測;第三,傾角傳感器需要在電磁輻射、靜電干擾等環(huán)境中正常工作,這就要求傳感器硬件電路設計時根據(jù)技術要求加以處理,從而使得傳感器可以將外界干擾控制在規(guī)定的范圍內(nèi),當出現(xiàn)外界干擾時,軟件再次復位處理,使得傳感器仍然可以正常運行。
其次,在編寫傳感器運行程序時要對其進行余量設計。在保證軟件各個模塊的存儲容量和數(shù)據(jù)通道傳輸能力的同時,還要對傾角傳感器的軟件余量加以規(guī)劃,以確保軟件余量滿足要求。根據(jù)軟件運行時各個子系統(tǒng)的具體狀態(tài),確定軟件的各種周期和各工作時序的安排,以保證軟件工作時序之間預留出足夠的余量。
最后,要考慮傳感器程序編寫時的數(shù)據(jù)定義。在對軟件運行過程中的數(shù)據(jù)進行定義時,要保證定義的數(shù)據(jù)必須在合理的范圍內(nèi),從而使傳感器在運算數(shù)據(jù)過程中保證數(shù)值的大小和誤差在規(guī)定的范圍內(nèi),以保證數(shù)據(jù)運算的精度。另外,還要在軟件的入口、出口以及其他關鍵位置進行合理性檢查。
傾角傳感器的結構除了起到對外界環(huán)境應力的保護之外,其電磁兼容性也主要是在傳感器的結構方面進行優(yōu)化?,F(xiàn)代條件下,電磁干擾無處不在,在此環(huán)境下要使傳感器正常運行,就要求傳感器在硬件電路、整體結構、制造工藝等方面進行優(yōu)化,以達到降低傳感器對于干擾的靈敏度,從而使外部進入和內(nèi)部泄露的電磁干擾可以控制在一個可接收的范圍內(nèi)。對于“場”(靜電場或磁場)和“路”(傳輸線路或電路)兩種干擾才用以下方法解決電磁兼容方面的問題:
(1)采取屏蔽設計。為了減小“場”耦合而引入的干擾,傳感器主要是在合適的地方進行靜電屏蔽和電磁屏蔽以進行電磁兼容;
(2)使用接地設計。對于不方便使用屏蔽設計的部位,要盡可能地使接地各自形成回路,從而使得各單元之間通信信號和地之間的電流形成耦合。另外,在進行地線布線的時候,要選用合適的位置、形狀和方式,從而使接地電流達到最優(yōu);
(3)選取高頻濾波設計。傳感器對于外部和內(nèi)部產(chǎn)生的高頻干擾,需要選取合適的濾波器實施對干擾的屏蔽和隔離,從而達到減小電磁干擾的目的。
工藝可靠性設計主要分為印制板可靠性設計、電氣互連設計和“三防”設計。印制電路板的可靠性設計要求整個電路板布局合理,單個功能模塊或者功能電路盡可能地放置在一個面板上,這樣對于后期的故障排查和維修具有較大便利。電路板上面要合理安排電路,各級電路之間按照原理圖的分布進行排列組合,將傳感器的輸入端和輸出端分開布置,模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊進行必要的隔離,盡可能地做到布局及布線合理,抑制寄生耦合電磁干擾的產(chǎn)生。在電路印制板上放置電子元器件時,要求盡可能地做到適合視力檢查整個電路印制板,方便電子元器件標稱值的檢查和故障定位。在電路印制板上放置大而重的元器件時,要對其進行加固處理,防止因傳感器的振動、沖擊造成元器件損壞而使傳感器無法正常運行。
電氣互連設計要求傳感器工藝規(guī)范中明確元器件的裝焊溫度和時間,插裝元器件的焊接規(guī)范和焊接操作人員的操作條件。“三防”設計要求研制人員對傳感器的使用環(huán)境進行充分了解,掌握傳感器使用環(huán)境的特點以及變化規(guī)律,分析傳感器在其使用環(huán)境中出現(xiàn)故障的應力條件,最終可以選取適合該傳感器的防護結構、材料以及傳感器制造的工藝[3]。
可靠性信息的收集是傾角傳感器進行可靠性評估和改進的前提和基礎。在收集傳感器可靠性信息時,要求重點收集傳感器在客戶方的使用信息、維修信息、貯存信息以及運輸過程中所產(chǎn)生的信息,這些信息主要記錄傳感器工作時長、故障記錄、維修記錄、檢測數(shù)據(jù)記錄以及傳感器的使用環(huán)境記錄等。通過將客戶收集到的可靠性信息,對傳感器進行全方位的評估,為之后的改進和完善工作打下堅實的基礎,同時可以為未來新型號傳感器的研制提供參考信息。
完成可靠性信息收集后進入可靠性評估階段??煽啃栽u估分為兩個階段:第一階段是初始可靠性評估;第二階段是后續(xù)可靠性評估。以客戶在實際使用傾角傳感器時收集到的可靠性信息為基礎,評估傳感器正常工作時達到的可靠性水平,從而驗證傳感器的可靠性是否達到技術要求[4]。對傳感器的使用可靠性評估完成后,編制使用可靠性報告。
在傾角傳感器可靠性改進過程中,明確傳感器在實際使用過程中所顯現(xiàn)的問題是關鍵,結合現(xiàn)行情況下傳感器技術發(fā)展狀況,通過特定試驗和分析,確定傳感器在可靠性方面的改進措施,從而達到進一步提高傳感器可靠性水平的目的。通常使用更改傳感器設計、選取更合適的制造工藝、使用更為高效的維修方法、改進保障系統(tǒng)和保障資源等方案來完善傾角傳感器。
本文通過對傾角傳感器在研發(fā)、生產(chǎn)和使用過程中的可靠性進行分析,給出了傳感器可靠性設計的基本原則,將傾角傳感器的可靠性設計融入到傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中;通過客戶在傾角傳感器使用過程中的可靠性信息收集,進行傳感器可靠性評估,最后完成傾角傳感器的可靠性改進。