何榮華，張亞，李波，黃運鑾，郭攀

（1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍66440部隊，河北 石家莊 050081）

1 引言

電容的失效是指電容執(zhí)行其要求功能的能力的喪失，對于可修復(fù)的產(chǎn)品來說，也可稱為 “故障”[1]。電容的失效可根據(jù)失效部位、失效機理或失效模式來分類。失效部位是失效發(fā)生的位置。失效機理是指由物理、電、化學(xué)和機械等應(yīng)力的特殊組合引起失效的過程。失效模式是指由失效機理所引起的可觀察到的物理變化（如斷路、短路或電子器件參數(shù)的變化）[2]。某無線電引信中的軍用電容不僅要承受非常嚴(yán)酷的高過載環(huán)境，而且還要求具有很高的安全性和作用可靠性，電容的特性參數(shù)發(fā)生改變，會影響到引信系統(tǒng)的工作性能。因此，對軍用電容高過載環(huán)境下的性能參數(shù)進行動態(tài)測試，實時地采集和記錄高過載環(huán)境下的引信內(nèi)部電容的動態(tài)參數(shù)，能更好地了解電容在高過載環(huán)境中特性參數(shù)的變化規(guī)律及失效模式，對無線電引信高過載環(huán)境下的工作性能研究和提高引信的設(shè)計水平和可靠性具有重要的意義。

2 試驗方案

高過載機械沖擊試驗用標(biāo)準(zhǔn)錘擊試驗機（馬歇特試驗機）來產(chǎn)生高過載慣性力。錘擊機的棘輪上共有30個齒，每齒轉(zhuǎn)角為12°。錘擊機轉(zhuǎn)動的齒數(shù)與錘擊時產(chǎn)生的慣性加速度成正比。通過調(diào)整實驗機上棘輪的齒數(shù)可控制錘擊機并模擬出1000～30000 g左右的慣性力。擊錘有效碰撞時間約為0.15 ms。本文研究的電容破壞極限在15000 g左右，在標(biāo)準(zhǔn)錘擊機上就可完成高沖擊試驗[3]。

此試驗把被測電容焊接在電路板上，電路板采用剛性夾持支持方式和擊錘相連，所以電路板本身的振動可忽略。沖擊方向與電容在某無線電引信的發(fā)射過程中受到的后座力方向一致。利用標(biāo)準(zhǔn)錘擊試驗機產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊過載，用加速度傳感器實時校核沖擊過載的大小，并傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)延時觸發(fā)信號。實驗所采用瞬態(tài)記錄儀TST3000的采樣頻率可達(dá)1～40 MHz，精度為12位，最大采樣點數(shù)為1024個，可以真實地記錄元件參數(shù)的動態(tài)變化。試驗完成后，任何按規(guī)定的測量或檢查中出現(xiàn)的不合格，都應(yīng)視做失效；由于試驗期間夾具或處理引起的標(biāo)記損壞不得視為器件失效[4]。高過載機械沖擊動態(tài)測試示意圖如圖1所示。

圖1 高過載機械沖擊動態(tài)測試示意圖

3 參數(shù)測試

3.1 電容的主要測試參數(shù)

判斷電容器失效的標(biāo)準(zhǔn)依電容器的用途而定。如對于高頻電路用的電容器，依其阻抗和漏電流增大的程度來判斷它是否失效；而對于其它用途的電容器，則可能只依其漏電流的增大量來判定它是否失效[5]。對于不同類型的電容器，失效標(biāo)準(zhǔn)也常有不同。

考核電容器的性能有眾多的技術(shù)參數(shù)：漏電流、標(biāo)稱容量、允許偏差、損耗因數(shù)、絕緣電阻及時間常數(shù)等[6]。在試驗項目中，重點對電容器的標(biāo)稱容量和漏電流進行測試。待測參數(shù)中的任何一個超出規(guī)定值即判定為產(chǎn)品失效。

3.2 電容容值的測量

設(shè)計測試電路，由基準(zhǔn)電容和被測電容CX構(gòu)成分壓電路，將400 Hz的交流方波信號源加到基準(zhǔn)電容C1和被測電容CX構(gòu)成的分壓電路上。通過測試電容CX上的壓降，進行阻抗變換后經(jīng)過儀器采集，則可換算成相應(yīng)的容值。換算公式為：

3.3 電容漏電流的測量

漏電流，在對電容器施加額定的直流工作電壓后，將觀察到充電電流的變化；開始很大，隨著時間而下降，到某一終值時達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)，這一終值電流就被稱為漏電流[7]。

對待測電容的兩極施加正向額定直流電壓，到規(guī)定時間（一般為1～5 min）時測試電容兩極間的電流值即為電容的漏電流，測試原理如圖2所示。當(dāng)漏電流大于各電容的規(guī)定值時，則電容失效。

圖2 漏電流測試原理

4 實驗結(jié)果分析

圖3為某陶瓷電容在慣性力為11200 g、脈寬為0.1 ms的高過載機械沖擊試驗條件下所測得的容值變化曲線：

圖3 容值變化曲線

由圖3可知，在機械沖擊過程中，該電容上的分壓出現(xiàn)大約15 ms的不穩(wěn)定，可認(rèn)為該電容在高過載條件下不穩(wěn)定的時間很長。

由于該陶瓷電容為積分電路中的電容，積分電路在無線電引信中常用作模擬定時器，以延期解除保險，電容容值時大時小出現(xiàn)不穩(wěn)定，會造成定時時間的不準(zhǔn)確性。

經(jīng)實驗對引信內(nèi)某電解電容在高過載條件下的容值進行測試，也觀察到了電解電容在高過載下出現(xiàn)了長時間的不穩(wěn)定現(xiàn)象，而該電容的不穩(wěn)定會造成某無線電引信在工作中斷供電不足，間隙斷電。

對于不同電路中的電容，其容值變化對引信電路產(chǎn)生的影響也不一樣。如果用作濾波電容、旁路電容，高過載條件下電容容值變化對電路的總體影響不大；如果用作傳遞目標(biāo)信號的耦合電容，高過載條件下其容抗時大時小，無線電引信探測的目標(biāo)信號也會時強時弱，即目標(biāo)信號疊加了干擾。

在慣性力為11200 g、脈寬為0.1 ms的高過載機械沖擊試驗條件下所測得的某電容的漏電流變化曲線如圖4所示，可看出在高過載下電容漏電流基本上在增大，期間也出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖4 漏電流變化曲線

而由于漏電流增大造成的電容失效，對引信的影響相對比較大，嚴(yán)重者使得引信電路得不到電源供電，引信完全失效。

在高過載實驗中，電容的引線出現(xiàn)了引線脆硬折斷的失效現(xiàn)象。即在高過載條件下，電容的開路失效也會由引線的失效引起。

由電容引線折斷造成的電容失效對引信的影響，也依電容在引信電路中的用途而不同，但高過載下出現(xiàn)引線脆硬折斷的現(xiàn)象相對較少。

通過對大量的軍用電容高過載動態(tài)測試實驗數(shù)據(jù)的分析可知，電容在高過載條件下，其性能參數(shù)通常會發(fā)生變化，而沖擊結(jié)束后，被測參數(shù)又逐漸恢復(fù)到初始值，這是常規(guī)測試方法基本上觀察不到的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過高過載下軍用電容的動態(tài)測試，可以實時地記錄電容的參數(shù)變化?？芍?，高過載下電容的性能參數(shù)出現(xiàn)了短暫的不穩(wěn)定波動的現(xiàn)象，電容的失效模式主要有開路、漏電流增大和容值變化，而電容的失效會引起引信作用的改變。本文設(shè)計了高過載下的軍用電容動態(tài)測試方案，對高過載條件下軍用電容的參數(shù)變化和失效模式進行了分析，并分析電容失效引起的引信作用變化，對提高引信的設(shè)計水平和可靠性具有一定的意義。但由于設(shè)備限制，電容的某些技術(shù)參數(shù)沒有進行測試，這是有待改進的地方。

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