传感器可靠性

传感器的可靠性问题一、基本概念与数学表示1. 基本概念1. 可靠性:可靠性是指元器件、装置在规定的时间内，规定的条件下，具有规定功能的概率。 可靠性的经典定义着重强调四个方面:.概率:元器件、装置特性变化具有随机性，只能根据大量实验和实际应用进行统计分析。 (概率表示一个事件发生的可能性).性能要求:即指技术判据。性能变化是绝对的，关键是允许变化范围大小。 .使用条件:包括环境条件(如温度、湿度、振动、冲击等)和工作状态(如负载的轻重) .时间:器件在一小时内保持规定性能当然比在 10年内保持同样性能容易改变的多。其 它条件不变，时间愈长则可靠性越低。2. 失效: 元器件、装置失去规定的功能称为失效。3. 寿命: 元器件、装置失效前的一作时间。寿命是一个随机变量。2. 数学描述1. 可靠度R(t) 描述元器件、装置在某一时刻前止常工作的可能性。它与时间有关 在实际数据统计中近似值为R(t)=也n此比值常称为残存率。n(t)试验开始，到时间t仍为失效的元器件、装置数n进行实验的元器件、装置总数。2. 失效率F(t) 指元器件、装置在特定条件卜，在时间t以前失效的(概率)可能性。它是寿命这一随机变 量的分布函数。实际数据统计中近似值为F (t)=n - n(t)n 由于对立事件概率之和为I,所以有R(t)十F(t)=l3. 失效密度f(t) 指元器件、装置在时间t内的单位时间内失效发生的(概率)可能性。是寿命这一随机变量 的密度函数，即f (t) = dF(t)二 AF 丿dt _ At在实际数据统计中它的近似值为f (t) = -An(t)nAtn（t）为t时刻附近，在At时间间隔内失效的器件数f（t）用来描述器件失效的可能性在0到+-的整个时间轴上分布情况。4. 故障率入（t） 定义:故障率（瞬时失效率）入（t）-An(t) n(t) - At 指在t时刻尚未失效的元器件、装置在单位时间内失效的概率 描写在各时刻仍正常工作的元器件、装置失效的可能性。 在实际数据统计中它的近似值为f(t)n(t)R(t) 单位：（小时）-1： %/1000小时或10-9小时，入（z）是比较常用的特征函数。5. 平均寿命m （常用缩写MTTF）（Mean Time Be tween Failure 可修复）（Mean Time to Failure 不可修复） 定义:m = J s t f （t ）dt0 乃是寿命这一随机变量的均值。 它是标志元器件、装置平均能工作多长时间。 实际可以表示t时刻，在At时间间隔内失效的概率（百分数）在此时间内失效的器件寿命应 是t。平均寿命m = t f （t） Ati1二、失效规律及数学描述1. （元器件及仪表装置的）失效规律人们对出实验和使用中得到的人量数据进行统计:发现一般元器件及仪表装置的失效率和时 问的关系，如下图所示。通常称为浴盆曲线。SHOA 心曲线明显的分为三个阶段1. 早期失效阶段:这一阶段失效率较高，但失效率随时间增加而下降。失效上要由一种或几种具有一定普遍性的原因造成。 对于不同品种，不同工艺的器件，这一阶段延续的时间和失效比例不同。 应采取措施：严格操作，加强对原材料、半成品和成品的检验可减少这一阶段的失效。进 行合理的筛选，以使尽可能在使用前，把早期失效的器件淘汰掉，可使出厂器件失效率达到 或接近偶然失效期的较低水平。2. 偶然失效阶段 在这一阶段，失效率较低，少钊主变化不大，是器件的良好使用阶段。器件的失效率常常是 由于多种（而每一种都不太严重）原因造成的。3. 耗损失效阶段 在此阶段到来时，失效率明显上升，致使大部分器件相继失效。器件的失效是由全体性的原因造成。器件设计和工艺选择应考虑到尽举延迟耗损（老化） 期的到米。使用期间时应尽快发现耗损期的到来，以便采取预防性措施（如整批更换器件） 来保证系统正常工作。半导体器件由于它本身的特点，在没有（转动）潮、雾、核辐射等恶劣外界作用条件下正 常工作时，早期失效阶段表现明显，偶然失效阶段时间较长，而且失效率常有缓慢下降的趋 势，一般难以观察到明显的耗损失效阶段。2. 威布尔分布: 适用范围较广，分析半导体寿命分布时应用较多。 失效密度函数d 尺度参数，横坐标拉开程度不同，相当于时间的尺度不同。0 形状参数0 1时，曲线有一峰值，愈大曲线愈趋近于正态分布，常用来描述耗损失效阶段的寿命 分布。Y 位置参数，决定曲线的起点位置。一般 丫=0，这时 f (t)二 t P-1e a，则O上/?(/) =F(t) = -e 刃)=0严a当t - y。-a P时，F(t) = 1 -e-i = 0.632y 0特征寿命平均寿命f丄11m-Lt-f(t)dt =apr(1 + -) - y r(1 + -) 0B 0 Br伽马函数正好与偶然失效阶段相符。而偶然失效阶段是正常使用阶段。指数分布的数学处理特别简单，在很多情况下，B仅是近似于1,或比1小的不多，为取其 简便仍按指数分布处理。3.使用寿命期的数学描述:失效密度代入卩-1, 丫 - 0f (t) - e-aa为指数分布。此时九(t)-a失效率产品的瞬时失效率(故障率)，在一组给定的应力、温度及质量条件下，入是一个常数。 入可通过收集大量数据及实验加以确定。F (t) - ft f (t)dt fte a dt 0 0 a.可靠性R(t) - e a - e亠故障率.平均寿命平均无故障工作时间(MTBF)是失效率的倒数。MTBF=1/入m = J t - f (t )dt = J e _a dt = a0 0 a(-ea厶a )00a= a_Le aMTB F是产品间进行比较的主要质量指标，它是产品在使用寿命期间失效率的度量。 如入=0.2%/千小时，则m=50万小时。三、传感器可靠性计算1. 计算方法(1) 设各环节的可靠性为R,应用概率乘法定律，传感器(系统)的可靠度R =寸RTii=1(2) 若环节失效密度服从指数分布，即R = e-冷，则R = e工2iT(3) 系统故障九=才九i i=1(4)平均寿命(无故障工作时间)2举例1九ii=1某传感器由下列元器件组成，若不考虑结构、装配及其它因索，只考虑这些元器件的失效. 试求:1) 传感器可靠性表达式；2) 传感器故障率;3) 传感器的平均寿命.种类晶体管集成运放二极管电位器电阻高频电容电解电容金属膜片故降0 .10 .10 .10 .50 .050 .020 .20 .1率九九九九九九九九%/千 小时12345678数量5262201641解:k = n 九二 0.1(5 + 2 + 6 +1) + 0.5 x 2 + 0.05 x 20 + 0.02 x 16 + 0.2 x 4iii=1二 4.52%/ KhM =! = 1千.5小时=22123-9小时结论: 选用可靠度高的元器件: 尽量少用元器件数目.明确环境条件: 随着工业生产过程的不断发展，传感器的工作条件变得更加复杂;必须明确（仪表装置）传感器可能经受的各种较为恶劣的环境条件，以此作为设计的一个出 发点.以环境温度为例:某仪表公司有如下规定标准基准条件:25. 符合标准温度动作条件: ，即正常工作条件，在此范围内仪表能满足各项指标.工作极限条件:;在这一范雨，某些指标趋差，但回到动作条件范围内仍能满足各项指标. 运输条件: ，在此范围内仪表包装运输，正式工作前要经过调整.四、常见故障形式及产生原因1. 常见故障形式1 状态性故障 是传感器工作状态发生根本变化而不能正常运行.例:差压传感器中弹性膜片损坏.2. 功能性故障是指传感器的性能随时间缓慢的变坏;而逐渐不能满足正常运行的要求.例:传感器的零漂.3. 危险性故障 是指会引起潜在的或实际的不安全事件的故障.例:本质安全防爆系统中的防爆栅失灵.2. 产生故障的原因1. 属于仪表设计制造方面的原因.主要包括: 元器件:选择不当;老化筛选不严. 设计:结构设计不合理:线路设计不合理;安装裕度小. 加工工艺:不合理;焊接质量差;装配质量差.即由于仪表本身质量不好而引起的故障.2. 属于操作方面的原因主要包括:误操作:误调校; 误检修; 供电系统失电; 主设备工艺事故导致仪表装置失控.3. 属于外界环境方面的原因. 主要指:气候、电气、机械、辐射、生物、化学 外界条件对仪表特性的影响或引起的故障.传感器可靠性设计主要针对(1)、(3)方面的原因.根据实际工作的环境条件进行防护设计. 参考书:美R.T.安德森，可靠性设计手册，国防版。1981 _五、国内外传感器可靠性水平与现状1. 国外仪表可靠性水平(1) 国外技术先进国家为保证仪表产.错的可靠性和环境适应性，非常重视仪表的可靠性评 定等和环境影响的试验工作。 可靠性技术指导设计制造; 可靠性试验项目全; 分级。据统计国际电工委员会(IEC)设计仪表环境试验和影响量效应试验的项日有48项，其中包括 气候因素、机械因素和电磁干扰等方面的试验项日，同时还要进行产品寿命试验。(2) 日本将仪表的可靠性按故障率可分为四级 故障多 l%/千小时，lOOOx 100=10万小时 故障一般 1-0.5%/千小时，10-20万小时 故障少 0.5-0.2%/千小时.20-50万小时 无故障 50万小时日本横河I系列仪表可靠性以平均故障率在1%/千小时以下作为开发项目，但实际上己达下表 指标名称型号故障率%/千小时预测值实测值例指示调节器ICE0 .350 .15温度变送器ITE0.180 .12警报设定器IKY0.110.06开方演算器ISQ0.240 .45差压变送器EB0 .08定位器EP0 .1气动指示调节仪BOA0.2气动差压变送器T/BA0.03日木过程仪表控制技术协会(IPC )在80年代初发表的用户调查报告书“关于石油、石油化学 工业中仪表故障情况(N0IPC-TB-01-78)”中指出，他们调查了17个仪表用户对其中5个厂家 的仪表故障率作了统计，结果是:电子式盘装表故障率为0.96%/千小时电子式变送器故障率为0.52%/千小时 气动仪表故障率为0.25%/千小时若按0.2%/千小时换算成仪表的MTBF为50万小时。2. 国内仪表可靠性现状(理论脱离实际) 据调杳，国产仪表在试制和投产过程中，比较缺乏认真的全面性评定，更谈不上可靠性试验。在仪表设计时也缺乏可靠性技术理论的指导和进行可靠性试验分析，所以，许多仪表的 可靠性和环境适应性很差。例:据四川几个天然气矿所作初步统计表明:双波纹管差压计平均700小时左右就要拆下来维 修一次。