火炮发射恶劣环境下存储测试仪的可靠性设计

谢 锐，，裴东兴，

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

火炮发射恶劣环境下存储测试仪的可靠性设计

谢 锐1，2，裴东兴1，2

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

存储测试仪是火炮发射过程中动态参数测试的首选装置，在使用中往往面临恶劣的测试环境，其可靠性是影响测试结果的关键因素之一。通过分析恶劣环境因子对存储测试仪输出的影响，分别从电路模块、电池和防护壳体几个主要部件进行失效模式分析，并针对性地提出了提高其可靠性的有效方法，详细说明了真空灌封的工艺流程，对存储测试仪的可靠性设计有一定的价值。

仪器仪表技术；恶劣环境因子；电路可靠性；电池可靠性；防护壳体；真空灌封

火炮发射过程中存在高速、高温、高压、高冲击、高瞬态性和强电磁干扰等不利因素，存储测试技术是在特殊环境条件下完成各种动态参数测试的有效方法[1]。测试时需要把测试仪放置到被测对象内或被测环境中，测试仪将承受与被测对象相同的恶劣环境力的作用，对其性能将产生影响。为了不改变被测对象运动状态，减少介入误差，对测试仪的体积和质量也有严格限制。为了保证测试的有效性,测试结束后能可靠地回收数据，要求存储测试仪具有高可靠性；同时对存储测试仪的可靠性研究及验证也是评价鉴定其可靠性水平和提高产品可靠性的基础[2]。

存储测试仪一般由传感器、电路模块、电池、连接导线和保护壳体构成，各部件的可靠性共同决定了测试仪的可靠性。目前，对于高冲击下传感器的可靠性研究较多，文献[3]对加速度传感器进行了冲击测试，分析传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性，总结出大量程加速度传感器在高冲击环境下的失效模式；文献[4]分析了高冲击环境下器件的失效机理, 从材料、结构和封装等方面介绍了3种防护措施；文献[5]对压阻式悬臂梁加速度计在不同的环境下的失效模式进行了讨论, 并给出了一些加速度计可靠性设计方面的建议；文献[6]分析了高冲击加速度传感器灵敏度横向效应产生原因与测试仪整体力学模型，测试仪结构发生振动时传感器装配方式可导致测试误差。笔者主要对存储测试仪的其他组成部分的可靠性进行分析，总结出提高各部分可靠性的设计方法。

1 存储测试仪可靠性分析

通常在动态测试中，测试仪置身于被测环境之外，不受恶劣环境力的影响，测试仪的体积、质量一般不受限制，测试过程常是模拟的。火炮发射过程动态参数的测试，是把测试仪直接放置在药室或药筒中，测试仪会承受发射过程中恶劣的环境力的作用，环境力将影响测试仪的性能，甚至会损坏测试仪。恶劣环境下存储测试仪的输入输出关系如图1所示。

被测信号x(t)通过测试仪系统特性Gs输出yx(t)。v(t)是第1类环境因子，是一种调变信号，它通过Gvs调变Gs，通过Gvg调变Gg，g(t)是第2类环境因子，是干扰信号，通过干扰特性Gg直接输出yg(t)。yx(t)与yg(t)合成为输出信号y(t)。常规动态测试的信号数学表述为：

y(t)=F[x(t),v(t),g(t),Gs,Gvs,Gg,Gvg]

(1)

式中，Gs可以通过校准得到测试仪的灵敏度函数及其不确定度，Gg可以通过输入不同的g(t)得到测试仪对其的灵敏度函数及其不确定度，在此基础上若测试仪要获取有效、准确的测试结果，需要得到Gvs、Gvg与Gs、Gg的关系，但是建立其函数关系是很复杂的，所以降低恶劣环境因子的影响是提高存储测试仪可靠性的一种重要途径[7]。

2 电路模块的可靠性设计

电路模块是存储测试仪的核心，是测试仪失效的主要因素之一，因此在电路模块的设计与生产过程中需要对各环节进行可靠性设计。

2.1电路结构设计

常用的电路结构可根据功能单元之间的逻辑关系分为串联型、并联型和混联型。由于测试仪的体积限制，无法采用大量的并联结构设计，所以测试仪的电路模块多采用若干个单元串联而成，每个单元包括元器件和连线，其可靠性是各单元可靠度的乘积，因此各单元中元器件和连线的数量直接影响整个测试仪的可靠性。测试仪可靠性模型如图2所示。

电路模块的整体可靠度为

(1)

则整体不可靠度为

(2)

当Fi很小时，有：

(3)

(4)

式中：Ri为单元i的可靠度；Fi为单元i的不可靠度。

可见，当且仅当n个单元全部正常工作时，测试仪才能正常工作，电路模块的可靠性随着组成单元数量的增加而降低。因此需要对电路模块进行简化设计，即去掉多余或不必要的功能，尽可能减少组成单元的数量，及其相互间的关联，减少软件指令数，并使每一个元器件的Fi尽可能小。尽可能采用模块化设计，即将其中几个相关模块集成，既减少了元器件个数，又减少了导线数量，将极大地提高可靠性，同时也减小了测试仪体积。

此外，为了保证在一次测试过程中有效地获取数据，可以对电路中的重要单元进行冗余设计。冗余设计一般针对电路中可靠性最低的功能单元，特别是当基础元器件由于各种原因质量与可靠性水平比较低，采用简化设计无法满足测试仪可靠性要求的情况下。例如：设计双电源保证测试仪的正常工作，双触发机制保证可靠的触发，备份存储器保证数据的完整获取。

2.2元器件的可靠性设计

电子元器件是构成电路模块最基本的单元，电子元器件的失效与损坏会直接导致电路功能异常。首先所选用元器件的质量和性能指标要满足使用要求，在此基础上优选抗冲击性能好的、经过可靠性筛选试验和可靠性增长试验的元器件，并且所选元器件要经过实际或模拟的应用环境考核。元器件失效的重要原因之一是其工作在允许的应力(电、热、机械应力)水平之上，因此为提高元器件可靠性延长其使用寿命，设计时要降低加在元器件上的工作应力，使其低于规定的额定应力。电路设计过程中为使元器件的电性能合理发挥，可以采用降额设计方法，一般选择II级降额幅度，即50%的降额。例如：电阻主要从功率角度考虑，将实际功率降至额定功率的50%以下；电容主要从电压角度考虑，将实际工作电压降为额定工作电压的50%以下；二极管主要从电流和电压角度考虑，防止大电流击穿，降额50%；逻辑器件主要从容量和频率响应方面考虑；频率响应速度设计为最高响应速度的50%。同时注意防过热、防静电、防瞬态过载、防寄生耦合和防干扰，使之符合元器件电性能的要求。

2.3PCB的电磁兼容设计

随着测试要求的提高，信号速率越来越快，电路模块的功能越来越强，PCB(印制电路板)集成度也越来越高，PCB的可靠性设计主要考虑火炮发射过程中存在的电磁干扰，使电路模块能够在复杂电磁环境下正常工作，实现高精度测试。从PCB的分层、布局及布线3个方面进行电磁兼容设计，尽量减小差模信号回路面积，提高电路的抗干扰能力；通过合理选择滤波、隔离及匹配等方式减小高频噪声电流；通过良好的接地设计减小共模电压。

由于测试仪体积的限制多采用多层板，在分层设计时，对于时钟信号、数据线、复位信号及各种控制信号等关键信号线所在层应与完整地平面相邻，对信号线形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的能力；数字信号地线与模拟信号地线应分离；电源和地线设置成独立的板层，用以降低供电线路阻抗，抑制公共阻抗噪声，提高电路的抗干扰能力。

PCB布局遵循沿信号流向直线放置原则，避免信号直接耦合影响信号质量。若数字、模拟、高速、低速中多个部分在同一板上时要分开布局，避免电路间的信号串扰。PCB的电源输入端和接口电路端的滤波电路及其他防护及隔离器件应靠近端口放置，以达到更好的效果。时钟信号线与模拟信号不可并行布置；数字信号接口连线应远离A/D转换器；在芯片的电源和地线之间增加去耦电容，为芯片提供电路输出状态发生变化时所需的大电流，减小电源线上的电流突变时感应出的噪声电压。

布线时要避免直角走线引起的阻抗不连续，从而产生振铃或过冲。多层板的两布线层中的走线要相互垂直，或平行走线长度小于25.4mm，关键信号走线和其他同层平行走线应满足3W原则，以减小平行走线之间的串扰。差分信号布线应同层、等长、并行，线间无其他走线，保证差分对的共模阻抗相等，提高信号抗干扰能力。多层板中的信号线换层时，应在其换层过孔附近设计地过孔，以减小信号回路面积。

最后，在焊接PCB板并调试完成后，应当在-40～120℃之间进行若干次温度冲击循环试验，对元器件、PCB板以及焊点等进行环境应力筛选试验和电应力老化试验。

3 电池的可靠性设计

存储测试仪使用电池供电，电路模块中的电源管理芯片根据不同元器件的要求提供不同的工作电压，电池的可靠性是决定测试是否成功的另一个关键因素。经过多次电池性能试验并结合实测过程中出现的现象，总结出在恶劣环境下电池失效的主要原因有：瞬间断电、内部极板断裂及由于内部电解质短路而造成的爆炸，因此采取以下措施来提高电池的可靠性。

3.1应用环境下的筛选

使用前根据测试环境的实际要求，例如高低温环境，高冲击环境，对所选用的电池在同样的环境下分带负载和无负载两种模式进行严格的筛选试验。选用经过考核的内部结构强度高、抗过载能力强、热稳定性好的高性能电池。

3.2电池结构及布放

试验表明，冲击载荷作用方向垂直于电池极板时电池的可靠性,高于平行于电池极板时的可靠性，因此要根据测试仪使用过程中具体的受力情况对电池进行布放。如果测试过程中的冲击载荷比较复杂，可采用在不同方向上分别布置多个电池并联的供电方式，如图3所示。为使电池在高冲击下瞬间断电时能够不间断给电路模块供电，采用一个电容与电池并联，并联电容一般取较大的容值，这对电池瞬时断电或电压波动能起到一定的补偿作用，并且在每个电池正极串联二极管，起到隔离作用以防止电流倒灌，并联电池组可以较大地提高供电的可靠性。

3.3功耗降额设计

由于存储测试仪对体积的要求比较严格，所能选择的电池容量一般都很小，相应的电池额定放电电流也比较小，且每种电源管理芯片都有其最大输出电流，因此在系统功耗设计时就必须考虑电池的额定功率和芯片的额定工作电流。系统功耗越大，电池和芯片的热应力越高，由此而引起的热失效概率也越大。所以，电源管理电路的设计必须采用降额设计方法，一般采用50%的降额。

4 测试仪的防护及强化灌封

4.1防护壳体

防护是提高存储测试仪抗挤压能力和抗电磁干扰能力的有效方法，其原理是利用壳体的抗压强度，隔离内部或外部其他零部件作用在内部电路模块和电池上的力，使其在只受自身惯性力的作用下不发生塑性变形。如果测试仪的使用环境中存在强电磁干扰，可通过选取适合的壳体材料，实现对外部电场、磁场或电磁场的屏蔽，防止对内部电路模块的功能产生影响，在干扰复杂的环境中，也可采用多层屏蔽壳体的结构。

存储测试仪通常选用圆柱形壳体，因为圆柱壳在高g值冲击下具有潜在的缓冲吸能作用，能够起到较好的缓冲效果。在相同初始冲击加速度下，壁厚相同时，随着圆柱壳的直径减小其缓冲效果越来越明显;直径相同时，随着圆柱壳壁厚的减小，缓冲效果越来越明显[8]。测试仪壳体上的接插件、操作键和电缆孔等使得壳体不是一个完整的封闭体，另外壳体结构上的不连续性均会造成电磁泄漏，以至于降低屏蔽效果。因此在设计时壳体的构件之间可以采用凹凸对接的方式，增加接触面重叠面积，并在对接处添加软性导电材料如导电橡胶垫，实现结构上的连续性，以减小电磁波的缝隙泄漏。

图4为双环境力电池性能存储测试仪的防护壳体，测试仪的使用环境中存在高冲击、高速旋转和磁场干扰，因此壳体分3层。内层采用磁导率较高的30#钢对磁场进行屏蔽。外层为铝壳进一步加强防护作用，两层中间放置一层橡胶垫作为缓冲介质，有效保护内部电路。在内层和外层壳体间有止转销，防止因测试仪自身相对旋转产生的不可靠因素。

4.2强化灌封

存储测试仪研制完成后需要将传感器、电路模块和电池连接、组装，按要求合理布置于壳体中，最后采用灌封材料整体灌封在壳体内，强化灌封是提高存储测试仪抗高过载和强振动能力的有效方法。

4.2.1缓冲机理

在高过载条件下，灌封材料可以对壳体内的部件起到缓冲作用，以减弱或隔离高过载对内部模块的冲击。缓冲的原理是利用灌封材料的弹塑性变形及阻尼作用，减弱由于测试仪加速或减速运动而作用于内部部件上的力，使其承受的过载峰值小于其脆值，缓冲过程可看作能量吸收的过程。除了起到缓冲减振作用以外，灌封材料还能有效地隔离或衰减测试仪承受高过载时的应力波。由于灌封材料波阻抗低，为钢材的0.0001～0.001倍，当应力波从测试仪透射到灌封材料中时，应力幅值将减小约万分之一至千分之一。另外，由于灌封材料的粘弹性效应和横向惯性效应，使得应力波在传播过程中会发生幅值衰减和波形弥散[9]，即起到很好的缓冲效果。

4.2.2真空灌封

为了提高存储测试仪的灌封质量，避免常规灌封工艺可能产生的气泡和裂纹，采用真空灌封技术。真空灌封技术包括灌封材料选择和配制，真空灌封工艺控制，以及真空灌封质量检测，通过在真空条件下用灌封材料进行封装，最终固化成型，实现对测试仪内部件的绝缘保护，是提高过载能力、防潮、抗冲击振动和有效解决局部击穿的关键技术，是降低测试仪短路风险和提高可靠性的重要手段[10-11]。

灌封材料选择时主要考虑材料的膨胀系数和固化应力，确保灌封后元器件管脚焊接的可靠性。配制时要以测试仪灌封后达到最佳抗冲击性能为目的来确定不同组份的比例，保证测试仪既具有一定的强度，又具有一定的韧性[12]。根据多次灌封和测试结果，目前采用改性环氧树脂和新型固化剂，在中温或高温下固化的材料。灌封前，对测试仪内各部件上的杂质进行清理，避免引起短路或影响粘结强度，之后将测试仪各部件合理组装于壳体内并密封，预热至与灌封材料相近的温度，以避免产生过大的内应力。灌封材料配制时，先将环氧树脂和固化剂经过加温、稀释，利用真空泵在真空室中进行脱泡处理，之后混合搅拌进行第2次脱泡处理，配制时要充分搅拌，使材料处于均匀状态，经过真空处理的灌封材料质地细密，强度有明显的提高。然后在一定温度下对组装好的测试仪进行灌封，使其固化成型。固化之前先升高灌封箱内压力，使灌封材料内残留的微气泡缩小，同时增加其密实程度，提高灌封质量。灌封材料固化过程中会放热，若散热不及时会引起固化反应速度加快，导致在短时间内凝胶，因此采用分步灌封的方法，即先将电路挂胶，然后根据壳体的大小分步封装。灌封后将测试仪在真空中进行最后一次脱泡处理，并进行退火处理消除内应力，如果灌封材料固化产生收缩，则进行补胶处理。

5 结束语

存储测试仪的可靠性是其正常工作的基础，笔者分析了实际使用中影响存储测试仪可靠性的各种因素，通过降低恶劣环境因子的影响达到提高测试仪可靠性的目的。分别从构成测试仪的元器件、PCB板、电池、防护壳体几方面分析了主要的失效原因，通过元器件应用环境下的筛选，PCB板的电磁兼容设计，供电电路的冗余结构和壳体防护及真空灌封等手段，有效地提高了各部分可靠性，使存储测试仪在恶劣环境下能表现出最优性能。

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ReliabilityDesignofStorageTestingInstrumentinArtilleryFiringinHarshEnvironment

XIE Rui1,2, PEI Dongxing1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, NUC, Taiyuan030051, Shanxi,China;2.KeyLaboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,NUC, Taiyuan030051,Shanxi, China)

The storage testing instrument is the first choice for dynamic parameter testing of gun firing. It often faces a harsh environment with its reliability being one of the key factors affecting the testing results. By analyzing the impact of harsh environmental factors on storage testing instrument output, fai-lure mode analysis was carried out from several major parts including circuit module, battery and protective shell respectively, and puts forward effective methods to improve the reliability, with the process of vacuum potting described in detail. The contents in this paper have a certain value to the reliability design of storage testing instruments.

technology of instrument and meter; harsh environmental factors; circuit reliability; battery reliability; protective shell; vacuum potting

TJ306

： A

：1673-6524(2017)03-0079-06

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.016

2016-10-24

谢锐(1983—)，女，博士，主要从事动态测控与智能仪器研究。E-mail：zbxierui@163.com