海洋環(huán)境對傳感器性能的影響及失效分析　

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)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(huán)境的保護、資源有效利用及海洋國防安全的關(guān)注提升，如何發(fā)展海洋監(jiān)測和勘探新技術(shù)已經(jīng)成為國際前沿和研究熱點。傳感器及相關(guān)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，已經(jīng)使其成為海洋工程發(fā)展及應(yīng)用的核心。復(fù)雜的海洋環(huán)境和較大的基體效應(yīng)具有如下環(huán)境特點：一是海水中彌漫大量鹽霧，屬于腐蝕性較強的環(huán)境； 二是海上光照時間長、強度高，高溫和溫度變化大是常態(tài)；三是海上高溫會使水汽大量蒸發(fā)，易形成高濕環(huán)境。另外，海洋環(huán)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(huán)境條件相互影響、共同作用。傳感器相關(guān)部件在海洋環(huán)境條件的綜合影響下，會發(fā)生腐蝕、老化、加速系統(tǒng)失效等故障，因此研究海洋環(huán)境下的幾種典型因素的失效模式、失效原因和預(yù)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(huán)境條件。大多數(shù)情況下，海洋環(huán)境下傳感器工作的環(huán)境相對濕度都在 60% 以上。表 1為某海域和某內(nèi)陸地區(qū)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(xiàn)的頻次多。傳感器工作環(huán)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(qū)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(huán)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(fā)生電離，能夠與傳感器外殼的金屬部件發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；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(dǎo)致傳感器金屬外殼保護膜出現(xiàn)孔隙。表2 為某海區(qū)距海邊距離不同的大氣中 NaCl 含量。

1.4 多霉菌

據(jù)不完全統(tǒng)計，能對工業(yè)材料造成侵襲的霉菌有4 萬多種。大多數(shù)霉菌喜愛偏酸性和潮濕環(huán)境，因此海洋環(huán)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(huán)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(huán)境中使用傳感器會受到海浪的重復(fù)沖擊和振動，同時，傳感器系統(tǒng)主機也會遭受如艦船碰撞、艦船擱淺、主機推進、機械發(fā)動等情況帶來的非重復(fù)性的沖擊和振動。

2 主要環(huán)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(huán)境[1]。在工作過程中，潮濕、酸性的環(huán)境會腐蝕傳感器，環(huán)境中的靜電顆粒也會造成傳感器內(nèi)部敏感元件受損或發(fā)生短路，導(dǎo)致輸出的測量結(jié)果有一定偏差，進而引發(fā)測量功能“休克”，從而導(dǎo)致傳感器的失效[2]。

2.1 高溫、高濕環(huán)境與腐蝕的關(guān)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(chǎn)生腐蝕作用的特殊電解質(zhì)。在吸收潮氣后，非金屬物則會使其接觸的金屬物質(zhì)臨界濕度降低，從而加速腐蝕金屬物質(zhì)。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(xué)反應(yīng)，造成傳感器性能的降低以及傳感器結(jié)構(gòu)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(guān)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(huán)境中，金屬也容易被腐蝕，而通常海洋環(huán)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(huán)境

海洋環(huán)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(yīng)的措施，再加上高溫和高濕環(huán)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(huán)境中的傳感器在鹽霧環(huán)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(chǎn)生導(dǎo)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(huán)境

霉菌在海洋環(huán)境高濕和高溫的反復(fù)作用下，會迅速萌發(fā)、生長和分解有機材料，尤其是破壞電氣產(chǎn)品的絕緣性，因此在海洋環(huán)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(zhì)，形成對金屬材質(zhì)的腐蝕，還會對金屬材質(zhì)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(huán)境應(yīng)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(huán)境因素的單獨影響而發(fā)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(huán)境因素相互影響而產(chǎn)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(huán)境因素疊加的共同影響往往比單一因素影響更大、更復(fù)雜，而且很難區(qū)分具體是哪種因素造成這些影響。表 3 為海洋條件下環(huán)境應(yīng)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(huán)境影響，常常出現(xiàn)產(chǎn)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(xiàn)場使用中發(fā)生輸出異常，不符合0.5 ～ 5 V 輸出電壓的產(chǎn)品要求，表4 為某型傳感器故障輸出結(jié)果。

將故障傳感器解剖后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)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(diào)試，故障產(chǎn)品輸出電壓恢復(fù)正常，符合產(chǎn)品要求。表5 為清洗電路板后故障傳感器輸出結(jié)果。

故障傳感器的問題定位為傳感器電路板因水汽凝結(jié)后受潮導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)品長期在潮濕環(huán)境下工作，部分水珠從接插件（密封膠墊）的通氣孔進入產(chǎn)品內(nèi)部，造成內(nèi)部水汽逐漸積累，吸附在電路板上造成電路功能異常，導(dǎo)致產(chǎn)品輸出電壓較差。

改進措施如下：提高產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵部件選材和工藝改進的建議

3.1 關(guān)鍵部件選材

應(yīng)用在海洋領(lǐng)域的傳感器，除了需要滿足基本指標外，還必須考慮環(huán)境應(yīng)力的作用。例如，高溫環(huán)境會影響材料的應(yīng)力和材料熱脹冷縮后與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的匹配；高濕環(huán)境可導(dǎo)致材料內(nèi)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(yīng)優(yōu)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(yīng)的處理，并對其進行有效的涂層保護。

3.2 工藝改進

創(chuàng)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(huán)境下的使用問題，這也是未來在各個特殊領(lǐng)Mo1bRRFsVCrI96zRTE8Ufg==域開發(fā)和應(yīng)用傳感器的關(guān)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(yīng)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(shù)來確保傳感器的正常運行，從而降低高濕環(huán)境的影響；在設(shè)計耐腐蝕傳感器產(chǎn)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(jié)論

在海洋環(huán)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(fù)雜的環(huán)境和各方面的因素相互促進、共同作用，加快了傳感器產(chǎn)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(chuàng)新工藝技術(shù)的研發(fā)，從根本上降低海洋環(huán)境因素對傳感器的影響。