气象水文海洋仪器可靠性强化试验技术应用研究

刘 帅，朱敏杰，杜晓辉*，徐大千，姜 飞，施继伟，韩东祥

（1.机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055；2.杭州浅海科技有限责任公司，浙江 杭州 310052；3.航天新气象科技有限公司，江苏 无锡 214127；4.航天长征火箭技术有限公司，北京 100076）

海洋仪器在实际使用环境中，易受到物理（冲刷、振动和碰撞等）、化学（腐蚀）以及生物（附着污损）等各种因素的影响，错综复杂的海洋环境对设备的可靠性和稳定性造成较大影响，因此，如何保障海洋仪器的安全、可靠、连续不间断运行是当前海洋仪器工作者面临的巨大挑战[1-3]。同时，可靠性也是影响海洋仪器工程化和产业化的关键因素，已成为制约我国海洋仪器发展的一大瓶颈问题。因此，为满足海洋仪器可靠性提升的需求，亟需探索适用于海洋仪器可靠性提升的测量方法。

国外针对海洋仪器的可靠性研究起步较早，美国在20世纪60年代已全面开展电子设备的可靠性工程研究。1979年，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)起草了专用于海洋仪器的环境试验方法和可靠性试验标准[4]。2001年，美国NOAA的海洋服务中心提出了海洋系统测试与评价发展规划（Ocean Systems Test and Evaluation Program , OSTEP）[5]，建立了海洋仪器设备可靠性测试评估信息系统。2009年，美国NOAA下属部门全国数据浮标中心颁布了《自动数据质量控制检查和程序手册》[6]，明确规定了海洋仪器及传感器的质量控制程序，从源头实现了设备的一体化管控。2013年，欧盟委员会第7框架资助的海洋未来监测项目（Next Generation Web-Enabled Sensors for the Monitoring of a Changing Ocean ,NeXOS），对提高海洋仪器可靠性提出了明确要求，并于2017年发布了《用于新开发海洋传感器的工程方法（可靠性分析、测量和环境测试程序）》[7]，指导海洋仪器的可靠性设计。总之，国外在海洋仪器可靠性领域的研究已形成了统一的可靠性管理机构、完善的可靠性政策、规范的可靠性标准，并取得了显著的效果。

相较于国外，国内海洋仪器可靠性研究起步较晚，存在着材料、现场试验等可靠性基础数据不足等问题[8]。分析相关文献表明，国内学者在提升海洋仪器可靠性方面的研究主要集中在完善海洋仪器可靠性标准体系建设、加强海洋仪器可靠性设计以及提高环境试验要求等几个方向。刁胜炎[9-12]针对国内海洋仪器可靠性标准缺乏问题，详细探讨了美国NOAA起草的海洋仪器环境试验方法和可靠性试验标准，为我国制、修订海洋仪器环境试验及可靠性标准提供了重要参考。李博等[13]针对国内海洋仪器检测技术体系不成熟，缺乏有效仪器设备测试、验证和评估机制，观测数据质量难以保证的问题，提出构建海洋观测仪器综合测试平台的建议。毕永良[14]提出通过可靠性增长试验实现海洋监测设备可靠性提升的技术方案，并指出可靠性设计和分析是可靠性增长试验的前提，正确区分设备系统性失效和残余性失效是开展可靠性增长试验的基础。赵江涛等[15]从海洋仪器可靠性试验技术及相关标准展开探索，提出在仪器工程研制阶段通过开展可靠性增长试验提高设备可靠性的技术方案。李健[16]针对海洋仪器可靠性试验空白问题，依据国内正在实施的可靠性试验标准，结合海洋仪器的环境试验情况，开展了海洋仪器可靠性增长试验研究，设计了海洋仪器可靠性增长试验步骤。梁杰[17]从加强海洋仪器环境适应性设计和提高试验要求两个方面论述了提高海洋仪器可靠性的对策。金洪禹[18]从优选材料、优化设计结构、加强工艺防护及完善海洋仪器海试体系等方面论述了提升海洋仪器环境适应性及可靠性的措施。

为进一步强化海洋仪器设备研制过程中的质量控制，2017年，中国21世纪议程管理中心发布了《海洋仪器设备研制质量管理规范》，对海洋仪器设备的可靠性指标提出了明确要求。可靠性强化试验作为一种加速的可靠性增长试验[19]，能有效解决设备高可靠性、低开发成本和短研制周期之间的矛盾，近年来在航空航天、科学仪器[20-21]等领域产品开展应用。本文针对海洋仪器可靠性提升的需求，将可靠性强化试验方法应用于海洋仪器可靠性提升，提出适用于气象与水文海洋仪器的可靠性强化试验方法，设计了可靠性强化试验剖面，搭建了强化试验测试系统，并以气象水文海洋监测仪器为研究对象，开展了相关试验，试验结果表明该方法可有效激发产品故障，通过故障定位分析及反馈优化设计，可助力海洋仪器可靠性水平的提升。

1 试验设计

为探索可靠性强化试验技术在海洋仪器可靠性提升中的应用，本文以高精度定点CTD测量仪、智能气温测量仪、智能气压测量仪、数字辐射测量仪、超声风速测量仪及小型称重雨量测量仪等气象水文海洋仪器为研究对象，设计了用于海洋仪器可靠性提升的强化试验方案，搭建了专用试验测试系统，设计了试验剖面，并开展了可靠性强化试验。

1.1 可靠性强化试验设计

可靠性强化试验属于使用加速应力的可靠性研制试验，通过施加步进应力，对产品施加大大超过设计规范的极限环境应力，在确保不改变产品失效机理的前提下，快速激发并排除产品潜在缺陷，实现提升产品固有可靠性，缩短高质量产品开发周期的目标。

1.1.1 可靠性强化试验基本原理 可靠性强化试验的理论依据是应力-强度概率分布干涉模型[19]，如图1所示。产品由许多机械机构和电子组件构成，当产品组件经受的环境应力超过产品承受范围时，产品就可能因缺陷被激发而失效。可靠性强化试验前，产品经受的应力种类繁多且大小不一，应力概率分布函数fS如图1（a）左侧曲线所示，其中µs表征应力分布均值；产品各组件的强度分布函数fR如图1（a）右侧曲线所示，其中µR表征强度分布均值。通过可靠性设计，可使产品强度远大于所经受的应力，但随着时间推移，产品强度会逐渐降低，强度分布曲线会左移，当强度低于应力时，产品失效概率将大幅增加。可靠性强化试验利用高环境应力，提前将产品设计缺陷激发并改进，试验后的产品薄弱环节得到大幅改善，产品强度提高，如图1（b）所示，强度分布曲线fR会右移至，产品不可靠区域缩小，故障概率降低，可靠性提升。

图1 应力-强度分布干涉模型

1.1.2 可靠性强化试验应力选择 产品缺陷类型众多，其对应的敏感环境应力也各不相同，因此试验环境应力的选择，应以设备实际工作环境为基础，综合考虑各环境应力间的相互影响关系，优选短试验时间可暴露尽可能多产品缺陷的环境应力[22]。设备常见故障类型及影响因子如表1所示，本文优选温度、振动应力类型，主要开展低温步进、高温步进、快速温变、振动步进及综合环境应力试验，不同试验应力可能引起的典型故障如表2所示。

表1 设备常见故障类型及影响因子

表2 不同试验应力可能引起的典型故障类型

1.1.3 可靠性强化试验应力施加顺序 在保护可靠性强化试验样本前提下，为充分获得尽可能多的可靠性数据，试验应力施加顺序必须遵循以下原则[22]：先施加破坏性比较弱的应力，后施加破坏性比较强的应力。对于热应力和振动应力，通常先进行低温试验，后进行高温试验；先进行温度试验，后进行振动试验；先进行单一应力试验，后进行综合应力试验。可靠性强化试验的一般应力顺序如图2所示，应力极限值指产品工作状态在超过某应力强度后不再满足产品技术条件要求，但应力恢复至产品规范定值上限值（或下限值）后，产品仍能恢复正常工作的应力强度值。其中温度步进试验用于确定受试产品的温度应力工作限值，振动步进试验用于确定受试产品的振动应力工作限值。

图2 可靠性强化试验一般应力加载顺序

1.1.4 可靠性强化试验停止原则 可靠性强化试验是不断增加应力量级，不断重复“试验-修正-再试验”的过程，通常遇到以下情况之一时停止试验[22]。（1）全部受试产品均失效；（2）应力量级已经达到或超过为了验证产品设计所要求的极限应力水平；（3）更高的应力量级引入新的失效机理，不相关失效开始出现。

1.2 试验系统

可靠性强化试验测试系统包括气象水文海洋仪器数据采集系统及可靠性强化试验系统两部分。

1.2.1 气象水文海洋仪器数据采集系统 气象水文海洋仪器数据采集测试系统由计算机、直流稳压电源、数据采集系统、气象水文海洋传感器及上位机软件组成，其原理框图如图3所示，搭建的硬件测试系统实物如图4所示。

图3 气象水文海洋仪器数据采集系统原理框图

图4 气象水文海洋仪器数据采集系统实物

1.2.2 可靠性强化试验系统 依据海洋仪器可靠性强化试验应力选择，其可靠性强化试验系统主要包括开展低温步进、高温步进和快速温变的温度应力试验系统，振动应力试验系统以及综合环境应力试验系统，设备性能满足试验标准要求，试验实物装置如图5所示。

图5 可靠性强化试验系统

1.3 试验剖面设计

可靠性强化试验剖面是整个可靠性强化试验的核心，指导着整个试验过程的进行，主要涉及应力的施加方式、顺序等。海洋仪器的可靠性强化试验顺序遵循上文提到的原则，具体按照低温步进→高温步进→快速温变→振动步进→综合环境应力的顺序开展，下面分别论述各试验步骤的施加方式。

1.3.1 低温步进试验 根据《JB/T 9464—1999仪器仪表海洋环境条件》[23]规定，海洋仪器的低温工作环境最低一般为–25℃，此处结合各海洋仪器的实际工作温度范围，设定可靠性强化试验低温工作极限温度为–40℃。试验以–5℃作为低温步进的起始温度，在–25℃之前，步进步长设置为–10℃，–25℃之后，步进步长设置为–5℃；温度变化速率设置为5℃/min；每个温度台阶停留时间不低于15 min，稳定期间设备通电测试3次；若受试产品的低温破坏极限低于设定的低温工作极限值，则以该设定值作为低温步进应力试验结束标志。低温步进试验剖面如图6所示。

图6 低温步进试验剖面

1.3.2 高温步进试验 根据《GB/T 32065.4—2015海洋仪器环境试验方法 第4部分 高温试验》[24]规定，海洋仪器工作温度高温最严酷等级为60℃，此处可靠性强化试验高温工作极限值设为80℃，传感器工作高温步进起始温度为30℃，在60℃之前，步进步长设置为10℃，60℃之后，步长设置为5℃；温度变化速率设置为5℃/min；每个温度台阶停留时间不低于15 min，稳定期间设备通电测试3次；若受试产品的高温破坏极限低于设定的高温工作极限值，则以该设定值作为高温步进应力试验结束标志。高温步进试验剖面如图7所示。

图7 高温步进试验剖面

1.3.3 快速温变试验 快速温变试验以常温25℃为起始温度，低温值设定为低温工作极限温度（或最低试验工作温度）增加5℃，高温值设定为高温工作极限温度（或最高试验工作温度）减少5℃，本文高低温工作极限范围设置为–35～75℃，温度变化速率不低于10℃/min，循环次数不低于5个完整试验周期；高温低温保持时间不低于30 min，期间开展受试产品通电通讯测试，受试电压在标称的上下限范围内开展测试。快速温变试验剖面如图8所示。

图8 快速温变试验剖面

1.3.4 振动步进试验 由于海洋仪器的实际工作环境主要以低频振动为主，本文振动步进试验拟采用正弦稳态扫频试验模式开展，振动频率选择依据《GB/T 32065.14—2019海洋仪器环境试验方法第14部分 振动试验》[25]中的严酷等级规定：频率范围选择2～160 Hz；振动幅值起始1 g，上限选择10 g，振动幅值步进步距选择1 g；考虑到低频时振动幅值的局限性，具体振动试验分段执行，2～25 Hz扫描振动按照位移峰峰值1.6 mm开展，25～160 Hz扫描振动幅值选择定值：1 g，2 g，3 g，4 g，5 g，6 g，7 g，8 g，9 g，10 g；每个定值振动量值扫描时间为1个周期；在整个振动过程中持续通电（施加标称电压），每完成一次振动周期扫描测试后，进行通讯功能测试；若受试产品的振动破坏极限高于可靠性强化试验规定值（10 g），则以试验大纲规定值为振动步进应力试验结束量值。振动步进试验剖面如图9所示。

图9 振动步进试验剖面

1.3.5 综合环境应力试验 综合环境应力试验是快速温变、振动步进以及电应力综合加载下严格的可靠性强化试验流程，其中温变参数与快速温变试验时保持一致，在低温和高温保持期间开展振动步进及电应力测试，每个振动量级对应一个温度循环，受试产品每循环周期内施加的电压依次按照“上限-下限-标称-下限-上限”变化；若受试产品故障无法继续试验或完成预期的试验循环，试验终止。综合环境应力试验剖面如图10所示。

图10 综合环境应力试验剖面

2 试验结果及分析

通过开展可靠性强化试验，有效激发了海洋仪器的部分故障，其故障情况汇总如表3所示（按故障出现顺序）。针对各故障情况，开展了故障定位及详细分析，优化了产品设计，并开展了部分回归验证试验。

表3 故障情况汇总表格

针对故障1，智能气温测量仪在快速温变试验阶段，在低温–35℃环境应力下，供电标称下限电压供电时，设备通讯异常。经故障复现及问题排查，发现设备电路采用的电源稳压芯片LTC3631性能异常，峰值电流阈值在低温条件下降低，无法达到设备启动电流；通过更改电流引脚配置，提高了峰值电流，解决了该问题。

针对故障2，智能气温测量仪在综合环境应力试验条件下，低温–35℃、振动量级4 g保持时，设备外壳发生破裂，其故障现象如图11（a）所示。分析原因得知，测量仪外壳采用聚酰胺（Polyamide，PA）材料，其低温脆化温度在–30～–20℃附近，当加载温度应力降低时，材料聚合物分子链活动性变小，材料屈服点升高，导致材料变脆，塑性韧性降低，结合振动量级增加，外壳发生破裂。为解决该问题，选用了结构强度更高、耐低温特性更好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）工程材料，并开展了回归验证试验，提高了产品的可靠性水平。

针对故障3，定点CTD测量仪在振动步进试验阶段结束后，拆解设备发现用于安装多层电路板的螺栓与螺母在扫频振动条件下，发生了松动、脱落故障，其现象如图11（b）所示。分析原因，扫频振动导致螺纹表面发生塑性变形，塑性变形达到一定积累时螺栓摩擦因数发生改变，导致螺栓松动直至脱落。为解决该问题，采用了将普通螺母替换为防松螺母的优化工艺方案。

针对故障4，超声风速测量仪在综合环境应力试验阶段，高温75℃，振动量级8 g时，发生通讯异常故障，通过拆解传感器内部，发现内部电源接线端子插头与插座发生脱落，导致测量仪供电异常，其故障现象如图11（c）所示。分析原因，振动和高温环境可能导致接线端子固定组件应力分布不均，后续实验虽未复现该故障，但为了消除该安全隐患，采用了固定后涂抹紧固胶的优化解决方案。

3 结 论

如何实现海洋仪器的可靠性提升是海洋设备产业化和工程化面临的重要课题。可靠性强化试验技术具有效率高、成本低的优点，可有效解决设备高可靠、低成本与短研制周期之间的矛盾问题，被广泛应用于电子电工产品的研制过程。针对海洋仪器可靠性提升的需求，本文将可靠性强化试验方法应用于气象与水文海洋仪器的可靠性提升，结合海洋仪器工作环境，设计了满足海洋仪器可靠性提升的强化试验剖面，以高精度定点CTD测量仪、智能气温测量仪、智能气压测量仪、数字辐射测量仪、超声风速测量仪以及称重雨量测量仪等气象水文海洋仪器为研究对象，搭建了专用试验测试系统，开展了低温步进、高温步进、快速温变、振动步进以及综合环境应力可靠性强化试验，试验结果显示该方法可在短期内有效激发产品故障，故障类型暴露了设计中的薄弱环节，通过故障定位及优化设计，实现了海洋仪器可靠性的有效增长，验证了该方法在海洋仪器可靠性提升方面的可行性。本文研究成果可为同类海洋仪器设备可靠性强化试验开展提供良好借鉴。

同时值得注意的是，当前海洋仪器的可靠性强化试验缺乏可指导实施的标准规范，主要以激发产品缺陷为目的，试验时间和强度只能参考同类环境试验标准。因此，在海洋仪器设备研制过程中，应进一步加强可靠性强化试验标准规范、试验评估技术的研究，为后续该类试验方法在海洋监测领域的推广应用打下基础。