石英挠性加速度计贮存寿命评价方法研究

潘广泽，黄创绵，2，李小兵，3，李锴

（1.工业和信息化部电子第五研究所,广东　广州　510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广东　广州　510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广东　广州　510610）



石英挠性加速度计贮存寿命评价方法研究

潘广泽1，黄创绵1，2，李小兵1，3，李锴1

（1.工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广东广州510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广东广州510610）

摘要：针对机电类产品石英挠性加速度计贮存寿命评价的问题,在充分地利用设计信息和历史数据的基础上,给出了石英挠性加速度计贮存中的薄弱环节的分析方法,研究了石英挠性加速度计的贮存失效模式和失效机理的确定方法。在此基础上,提出了石英挠性加速度计的敏感环境应力和敏感参数的确定方法,给出了石英挠性加速度计贮存加速建模方法,形成了石英挠性加速度计贮存寿命评价方法，为机电产品贮存寿命评价提供了依据。

关键词：石英挠性加速度计；贮存寿命；评价方法

0　引言

高精度机电产品是当代武器装备中的一类重要的产品。高精度机电产品通常不但包含电路部分,还包括机械机构和基础材料,其组成、结构和工艺复杂,精度要求高。高精度机电部件的组成特点决定了它往往只具有有限的寿命,而高精度机电部件组成的复杂性又决定了它的失效模式和失效机理十分复杂,因而如何通过研究分析或通过试验来验证其寿命便成为了一个难题。

石英挠性加速度计属于典型的高精度机电产品,在我国航空航天、交通运输等领域都有广泛的应用,其对装备功能的发挥起着至关重要的作用。石英挠性加速度计由伺服集成混合电路部分、工艺结构件（石英摆片）和基础材料件（粘胶、磁性材料）组成,其组成材料和工艺复杂,精度要求高达1‰。石英挠性加速度计具有随时间退化的特性,粘接老化、磁性退化和电路漂移等多种因素都有可能引起其精度下降,不满足要求。因此,随着贮存时间的延长,石英挠性加速度计的精度可能会不满足要求,从而成为其突出的薄弱环节。

随着我国工业装备的研制对石英挠性加速度性的要求越来越高,其贮存寿命能否满足要求,便成为了一个客户高度关注的问题。本文以石英挠性加速度计为研究对象,针对当前尚未对石英挠性加速度计贮存寿命开展相关研究的现状,开展了高精度石英挠性加速度计的贮存寿命评价研究,为解决石英挠性加速度计和其他高精密机电产品的贮存寿命评价提供了方法和依据。

1　石英挠性加速度计贮存寿命评价研究现状

在石英挠性加速度计的贮存可靠性和贮存寿命方面,国内开展的研究相对较少,而且深度有限。兰州物理研究所开展了摆片断裂特性研究,得出了摆片刚度与断裂g值间的关联,为增强摆片抗冲击能力提供了参考[1]。北京兴华机械厂定性地研究了粘胶和激光焊点对石英表芯可靠性的影响,为提高表芯的可靠性提供了参考。石英挠性加速度计的质量问题大多出现在其加工制造过程中,表现为产品不合格；而在其贮存过程中,由于其贮存时间相对较短,出现的问题也相对较少。然而,目前还很少有与石英挠性加速度计的贮存可靠性和贮存寿命评价相关的研究。

根据当前调研掌握到的相关信息得知,石英挠性加速度计的研制单位不但不清楚其在长期贮存中可能存在的失效模式和失效机理,而且无法确定其贮存寿命,在已有型号定延寿时无法回答与其寿命相关的问题,在新型号的研制中无法肯定其寿命是否满足要求。因此,急需开展石英挠性加速度计贮存寿命评价方法的研究。

2　石英挠性加速度计贮存寿命评价方法

石英挠性加速度计贮存寿命评价的总体思路如图1所示。首先,调研和收集石英挠性加速度计的设计原理、材料特点、制造工艺和历史贮存数据等信息,通过统计分析和故障模式影响分析等手段获得石英挠性加速度计的贮存薄弱环节、主要贮存失效模式和失效机理；然后,研究并建立石英挠性加速度计的性能参数模型,根据其不同的环境特点从高温、湿热、低温和温循等各种环境应力中选取合适的应力开展摸底试验,研究石英挠性加速度计及其组成部分的敏感环境应力和敏感参数,结合薄弱环节的失效物理模型分析,建立整机加速模型；最后,根据所确定的敏感应力和敏感参数,开展石英挠性加速度计及其组成部分的加速试验,同时,建立石英挠性加速度计的贮存加速模型,形成石英挠性加速度计贮存寿命的评价方法。

图1　高精度石英挠性加速度计贮存寿命评价的总体思路

2.1石英挠性加速度计贮存薄弱环节分析方法

首先,调研和收集库存的石英挠性加速度计的历史贮存信息,开展统计分析工作,初步确定石英挠性加速度计在贮存中暴露的薄弱环节；然后,充分利用石英挠性加速度计的研制（设计、材料和制造）信息,提出石英挠性加速度计可能存在的贮存薄弱环节及其相关依据；最后,将石英挠性加速度计的研制信息与统计信息进行对比,综合地给出石英挠性加速度计贮存薄弱环节的结论。石英挠性加速度计贮存薄弱环节分析和确定方法如图2所示。

图2　石英挠性加速度计贮存薄弱环节分析和确定方法

2.2石英挠性加速度计薄弱环节的贮存失效模式和失效机理的确定方法

通过收集石英挠性加速度计的FMEA数据,结合研制中和贮存中发生的失效情况对FMEA进行修改和完善,获得石英挠性加速度计可能存在的失效模式；通过研制单位选取一定的失效样品开展失效分析,获得石英挠性加速度计的主要失效机理信息,从而掌握石英挠性加速度计的主要失效模式和失效机理。

石英挠性加速度计贮存失效模式和失效机理的确定途径如图3所示。

图3　石英挠性加速度计贮存失效模式和失效机理的确定方法

2.3石英挠性加速度计敏感环境应力和敏感参数的确定方法

首先,建立石英挠性加速度计性能参数模型,分析模型中相关参数对性能的影响,结合薄弱环节的主要失效模式和失效机理信息,确定研究的对象范围并选取研究对象；然后,根据选择的研究对象进一步开展检测方法研究,形成检测规范,用作后续试验中的检测依据；最后,根据选择的研究对象的不同环境特点从高温、湿热、低温和温循等各种环境应力中选取合适的应力开展摸底试验,确定敏感环境应力和敏感参数,为后续开展贮存寿命评价相关试验设计提供输入数据。

石英挠性加速度计敏感环境应力和敏感参数的确定方法如图4所示。

图4　石英挠性加速度计及其组成部分敏感应力和敏感环境参数确定方法

2.4石英挠性加速度计的贮存加速建模方法

首先,结合研究对象的失效模式、失效机理、敏感应力环境和敏感参数等信息,建立研究对象的失效物理模型；其次,进一步地结合加速试验方法,为具有典型退化特征的产品建立加速退化模型,为无明显退化特征的产品建立加速寿命模型,并通过调研确定模型的典型参数；然后,利用石英挠性加速度计的产品组成层次关系,综合各个部分的加速模型,综合建立石英挠性加速度计整机的加速贮存模型,仿真预测石英挠性加速度计整机的加速因子；最后,对石英挠性加速度计整机贮存寿命预测的敏感性因素进行仿真分析,掌握石英挠性加速度计贮存寿命的最大影响因素。

石英挠性加速度计贮存加速建模方法如图5所示。

图5　石英挠性加速度计的贮存加速建模方法

2.5石英挠性加速度计贮存寿命快速评估方法

首先,结合研究对象的加速模型,在已有的加速退化试验数据处理方法研究成果的基础上,研究加速寿命试验数据处理方法,构成较为完善的加速试验数据处理方法；然后,研究采用薄弱环节的模型参数修正整机的加速试验结果的方法,对整机和薄弱环节建立贮存寿命评估方法。基于加速试验技术的石英挠性加速度计贮存寿命快速评估方法如图6所示。

图6　石英挠性加速度计的贮存寿命快速评估方法

加速寿命建模数据处理方法可采用阿伦尼斯温度模型、Peck温湿度模型和W-E热疲劳模型。加速退化建模数据处理方法可采用布朗漂移运动模型和灰色系统理论预测模型。

a）布朗漂移运动退化模型

在贮存过程中,产品的内部会发生缓慢的物理化学变化,这些变化会使产品的各种功能特性发生变化,也是造成产品非工作期间失效的主要原因。随着这些物理化学变化程度的增大,产品的性能会呈现退化（一般表现为功能参数的变化）,当性能退化到一定程度时,产品就会发生失效。这种性能退化符合布朗漂移运动规律。电子组件性能参数的布朗漂移运动模型如下:

式（1）中: Y（t）——在t（初始）时刻时,产品的性能（初始）值；

Y（t+Δt）——在t+Δt时刻时,产品的性能值；

μ——漂移系数,μ＞0；

σ——扩散系数,σ＞0,在整个加速退化试验中,σ不随应力而改变；

B（t）——标准布朗运动, B（t）～N（0, t）。

因为布朗漂移运动属于马尔科夫过程,所以具有独立的增量性,即在退化过程中表现为非重叠的时间间隔△t内的退化增量相互独立。由于布朗运动本身属于一种正态过程,退化增量（Yi-Yi-1）服从均值为μ·Δt,方差为σ2·Δt的正态分布,因此,得到性能参数退化模型如下:

b）灰色系统理论预测模型

将试验数据作为灰色量,利用序列方法进行数据生成和拟合,用灰色GM（1, 1）模型-阿伦尼斯模型来处理加速退化试验数据。灰色GM （1, 1）模型如下:

式（3）中: x01——原始序列中的第1个测试数据；

a, b——模型参数；

其中,当a∈（-2, 2）,且a≥-0.3时, GM （1, 1）模型可用于中长期预测。

性能参数预测模型为:

3　结束语

长期以来,高可靠领域的用户都非常重视有关石英挠性加速度计长期贮存中潜在的薄弱环节的问题,然而,由于缺乏石英挠性加速度计贮存寿命评价相关的研究基础和有效的工程技术,国际上一直没有单独地对石英挠性加速度计开展贮存寿命评价。本文的研究可以解决这一难题,为国内工业装备行业开展石英挠性加速度计的寿命评价提供方法指导。

本文的研究成果也可推广到高可靠、长寿命的高精度机电产品的贮存寿命评价工作中去,同时,也可为其他产品贮存寿命快速评价提供参考。

参考文献：

[1]李安.石英挠性加速度计关键技术研究[D] .杭州:杭州电子科技大学, 2011.

[2]马海训,李彩霞.加速寿命试验数据分析[M] .石家庄:河北科学技术出版社, 1998.

[3]茆诗松,王玲玲.加速寿命试验[M] .北京:科学出版社, 2000.

[4]张志华.加速寿命试验及其统计分析[M] .北京:北京工业大学出版社, 2002.

[5]罗天元,周堃,余淑华,等.国外弹药贮存寿命试验与评价技术概述[J] .装备环境工程, 2005, 2（4）: 17-22.

[6]谭源源.装备贮存寿命整机加速试验技术研究[D] .长沙:国防科学技术大学, 2010.

Research on Storage Life Evaluation Method of Quartz Flexible Accelerometer

PAN Guang-ze1, HUANG Chuang-mian1, 2, LI Xiao-bing1, 3, LI Kai1
（1. CEPREI, Guangzhou 510610, China；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610, China；3. Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology, Guangzhou 510610, China）

Abstract:In view of the problem of the storage life evaluation of quartz flexible accelerometer, the method to analyze the weak link in storage of quartz flexible accelerometer is given based on the full use of design information and historical data, and the method to determine the failure mode and failure mechanism of quartz flexible accelerometer is studied. Based on this, the method to determine the sensitive environmental stresses and sensitive parameters is proposed, and the storage acceleration modeling method of quartz flexible accelerometer is showed. In the end, a storage life evaluation method of quartz flexible accelerometer is put forward, which provides the basis for the storage life evaluation of mechanical and electrical products.

Key words:quartz flexible accelerometer；storage life；evaluation method

作者简介：潘广泽（1989-），男，广西崇左人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心工程师，硕士，主要从事可靠性技术研究工作。

收稿日期：2015-10-20修回日期：2015-12-18

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.003

中图分类号：TH 824+.4；TB 114.37

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0011-05