謝 銳，，裴東興，

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

火炮發(fā)射惡劣環(huán)境下存儲測試儀的可靠性設計

謝 銳1，2，裴東興1，2

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

存儲測試儀是火炮發(fā)射過程中動態(tài)參數測試的首選裝置，在使用中往往面臨惡劣的測試環(huán)境，其可靠性是影響測試結果的關鍵因素之一。通過分析惡劣環(huán)境因子對存儲測試儀輸出的影響，分別從電路模塊、電池和防護殼體幾個主要部件進行失效模式分析，并針對性地提出了提高其可靠性的有效方法，詳細說明了真空灌封的工藝流程，對存儲測試儀的可靠性設計有一定的價值。

儀器儀表技術；惡劣環(huán)境因子；電路可靠性；電池可靠性；防護殼體；真空灌封

火炮發(fā)射過程中存在高速、高溫、高壓、高沖擊、高瞬態(tài)性和強電磁干擾等不利因素，存儲測試技術是在特殊環(huán)境條件下完成各種動態(tài)參數測試的有效方法[1]。測試時需要把測試儀放置到被測對象內或被測環(huán)境中，測試儀將承受與被測對象相同的惡劣環(huán)境力的作用，對其性能將產生影響。為了不改變被測對象運動狀態(tài)，減少介入誤差，對測試儀的體積和質量也有嚴格限制。為了保證測試的有效性,測試結束后能可靠地回收數據，要求存儲測試儀具有高可靠性；同時對存儲測試儀的可靠性研究及驗證也是評價鑒定其可靠性水平和提高產品可靠性的基礎[2]。

存儲測試儀一般由傳感器、電路模塊、電池、連接導線和保護殼體構成，各部件的可靠性共同決定了測試儀的可靠性。目前，對于高沖擊下傳感器的可靠性研究較多，文獻[3]對加速度傳感器進行了沖擊測試，分析傳感器結構在高沖擊環(huán)境下的輸出信號及可靠性，總結出大量程加速度傳感器在高沖擊環(huán)境下的失效模式；文獻[4]分析了高沖擊環(huán)境下器件的失效機理, 從材料、結構和封裝等方面介紹了3種防護措施；文獻[5]對壓阻式懸臂梁加速度計在不同的環(huán)境下的失效模式進行了討論, 并給出了一些加速度計可靠性設計方面的建議；文獻[6]分析了高沖擊加速度傳感器靈敏度橫向效應產生原因與測試儀整體力學模型，測試儀結構發(fā)生振動時傳感器裝配方式可導致測試誤差。筆者主要對存儲測試儀的其他組成部分的可靠性進行分析，總結出提高各部分可靠性的設計方法。

1 存儲測試儀可靠性分析

通常在動態(tài)測試中，測試儀置身于被測環(huán)境之外，不受惡劣環(huán)境力的影響，測試儀的體積、質量一般不受限制，測試過程常是模擬的?；鹋诎l(fā)射過程動態(tài)參數的測試，是把測試儀直接放置在藥室或藥筒中，測試儀會承受發(fā)射過程中惡劣的環(huán)境力的作用，環(huán)境力將影響測試儀的性能，甚至會損壞測試儀。惡劣環(huán)境下存儲測試儀的輸入輸出關系如圖1所示。

被測信號x(t)通過測試儀系統(tǒng)特性Gs輸出yx(t)。v(t)是第1類環(huán)境因子，是一種調變信號，它通過Gvs調變Gs，通過Gvg調變Gg，g(t)是第2類環(huán)境因子，是干擾信號，通過干擾特性Gg直接輸出yg(t)。yx(t)與yg(t)合成為輸出信號y(t)。常規(guī)動態(tài)測試的信號數學表述為：

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

(1)

式中，Gs可以通過校準得到測試儀的靈敏度函數及其不確定度，Gg可以通過輸入不同的g(t)得到測試儀對其的靈敏度函數及其不確定度，在此基礎上若測試儀要獲取有效、準確的測試結果，需要得到Gvs、Gvg與Gs、Gg的關系，但是建立其函數關系是很復雜的，所以降低惡劣環(huán)境因子的影響是提高存儲測試儀可靠性的一種重要途徑[7]。

2 電路模塊的可靠性設計

電路模塊是存儲測試儀的核心，是測試儀失效的主要因素之一，因此在電路模塊的設計與生產過程中需要對各環(huán)節(jié)進行可靠性設計。

2.1電路結構設計

常用的電路結構可根據功能單元之間的邏輯關系分為串聯型、并聯型和混聯型。由于測試儀的體積限制，無法采用大量的并聯結構設計，所以測試儀的電路模塊多采用若干個單元串聯而成，每個單元包括元器件和連線，其可靠性是各單元可靠度的乘積，因此各單元中元器件和連線的數量直接影響整個測試儀的可靠性。測試儀可靠性模型如圖2所示。

電路模塊的整體可靠度為

(1)

則整體不可靠度為

(2)

當Fi很小時，有：

(3)

(4)

式中：Ri為單元i的可靠度；Fi為單元i的不可靠度。

可見，當且僅當n個單元全部正常工作時，測試儀才能正常工作，電路模塊的可靠性隨著組成單元數量的增加而降低。因此需要對電路模塊進行簡化設計，即去掉多余或不必要的功能，盡可能減少組成單元的數量，及其相互間的關聯，減少軟件指令數，并使每一個元器件的Fi盡可能小。盡可能采用模塊化設計，即將其中幾個相關模塊集成，既減少了元器件個數，又減少了導線數量，將極大地提高可靠性，同時也減小了測試儀體積。

此外，為了保證在一次測試過程中有效地獲取數據，可以對電路中的重要單元進行冗余設計。冗余設計一般針對電路中可靠性最低的功能單元，特別是當基礎元器件由于各種原因質量與可靠性水平比較低，采用簡化設計無法滿足測試儀可靠性要求的情況下。例如：設計雙電源保證測試儀的正常工作，雙觸發(fā)機制保證可靠的觸發(fā)，備份存儲器保證數據的完整獲取。

2.2元器件的可靠性設計

電子元器件是構成電路模塊最基本的單元，電子元器件的失效與損壞會直接導致電路功能異常。首先所選用元器件的質量和性能指標要滿足使用要求，在此基礎上優(yōu)選抗沖擊性能好的、經過可靠性篩選試驗和可靠性增長試驗的元器件，并且所選元器件要經過實際或模擬的應用環(huán)境考核。元器件失效的重要原因之一是其工作在允許的應力(電、熱、機械應力)水平之上，因此為提高元器件可靠性延長其使用壽命，設計時要降低加在元器件上的工作應力，使其低于規(guī)定的額定應力。電路設計過程中為使元器件的電性能合理發(fā)揮，可以采用降額設計方法，一般選擇II級降額幅度，即50%的降額。例如：電阻主要從功率角度考慮，將實際功率降至額定功率的50%以下；電容主要從電壓角度考慮，將實際工作電壓降為額定工作電壓的50%以下；二極管主要從電流和電壓角度考慮，防止大電流擊穿，降額50%；邏輯器件主要從容量和頻率響應方面考慮；頻率響應速度設計為最高響應速度的50%。同時注意防過熱、防靜電、防瞬態(tài)過載、防寄生耦合和防干擾，使之符合元器件電性能的要求。

2.3PCB的電磁兼容設計

隨著測試要求的提高，信號速率越來越快，電路模塊的功能越來越強，PCB(印制電路板)集成度也越來越高，PCB的可靠性設計主要考慮火炮發(fā)射過程中存在的電磁干擾，使電路模塊能夠在復雜電磁環(huán)境下正常工作，實現高精度測試。從PCB的分層、布局及布線3個方面進行電磁兼容設計，盡量減小差模信號回路面積，提高電路的抗干擾能力；通過合理選擇濾波、隔離及匹配等方式減小高頻噪聲電流；通過良好的接地設計減小共模電壓。

由于測試儀體積的限制多采用多層板，在分層設計時，對于時鐘信號、數據線、復位信號及各種控制信號等關鍵信號線所在層應與完整地平面相鄰，對信號線形成均勻的接地面，加大信號線和接地面間的分布電容，抑制其向空間輻射的能力；數字信號地線與模擬信號地線應分離；電源和地線設置成獨立的板層，用以降低供電線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲，提高電路的抗干擾能力。

PCB布局遵循沿信號流向直線放置原則，避免信號直接耦合影響信號質量。若數字、模擬、高速、低速中多個部分在同一板上時要分開布局，避免電路間的信號串擾。PCB的電源輸入端和接口電路端的濾波電路及其他防護及隔離器件應靠近端口放置，以達到更好的效果。時鐘信號線與模擬信號不可并行布置；數字信號接口連線應遠離A/D轉換器；在芯片的電源和地線之間增加去耦電容，為芯片提供電路輸出狀態(tài)發(fā)生變化時所需的大電流，減小電源線上的電流突變時感應出的噪聲電壓。

布線時要避免直角走線引起的阻抗不連續(xù)，從而產生振鈴或過沖。多層板的兩布線層中的走線要相互垂直，或平行走線長度小于25.4mm，關鍵信號走線和其他同層平行走線應滿足3W原則，以減小平行走線之間的串擾。差分信號布線應同層、等長、并行，線間無其他走線，保證差分對的共模阻抗相等，提高信號抗干擾能力。多層板中的信號線換層時，應在其換層過孔附近設計地過孔，以減小信號回路面積。

最后，在焊接PCB板并調試完成后，應當在-40～120℃之間進行若干次溫度沖擊循環(huán)試驗，對元器件、PCB板以及焊點等進行環(huán)境應力篩選試驗和電應力老化試驗。

3 電池的可靠性設計

存儲測試儀使用電池供電，電路模塊中的電源管理芯片根據不同元器件的要求提供不同的工作電壓，電池的可靠性是決定測試是否成功的另一個關鍵因素。經過多次電池性能試驗并結合實測過程中出現的現象，總結出在惡劣環(huán)境下電池失效的主要原因有：瞬間斷電、內部極板斷裂及由于內部電解質短路而造成的爆炸，因此采取以下措施來提高電池的可靠性。

3.1應用環(huán)境下的篩選

使用前根據測試環(huán)境的實際要求，例如高低溫環(huán)境，高沖擊環(huán)境，對所選用的電池在同樣的環(huán)境下分帶負載和無負載兩種模式進行嚴格的篩選試驗。選用經過考核的內部結構強度高、抗過載能力強、熱穩(wěn)定性好的高性能電池。

3.2電池結構及布放

試驗表明，沖擊載荷作用方向垂直于電池極板時電池的可靠性,高于平行于電池極板時的可靠性，因此要根據測試儀使用過程中具體的受力情況對電池進行布放。如果測試過程中的沖擊載荷比較復雜，可采用在不同方向上分別布置多個電池并聯的供電方式，如圖3所示。為使電池在高沖擊下瞬間斷電時能夠不間斷給電路模塊供電，采用一個電容與電池并聯，并聯電容一般取較大的容值，這對電池瞬時斷電或電壓波動能起到一定的補償作用，并且在每個電池正極串聯二極管，起到隔離作用以防止電流倒灌，并聯電池組可以較大地提高供電的可靠性。

3.3功耗降額設計

由于存儲測試儀對體積的要求比較嚴格，所能選擇的電池容量一般都很小，相應的電池額定放電電流也比較小，且每種電源管理芯片都有其最大輸出電流，因此在系統(tǒng)功耗設計時就必須考慮電池的額定功率和芯片的額定工作電流。系統(tǒng)功耗越大，電池和芯片的熱應力越高，由此而引起的熱失效概率也越大。所以，電源管理電路的設計必須采用降額設計方法，一般采用50%的降額。

4 測試儀的防護及強化灌封

4.1防護殼體

防護是提高存儲測試儀抗擠壓能力和抗電磁干擾能力的有效方法，其原理是利用殼體的抗壓強度，隔離內部或外部其他零部件作用在內部電路模塊和電池上的力，使其在只受自身慣性力的作用下不發(fā)生塑性變形。如果測試儀的使用環(huán)境中存在強電磁干擾，可通過選取適合的殼體材料，實現對外部電場、磁場或電磁場的屏蔽，防止對內部電路模塊的功能產生影響，在干擾復雜的環(huán)境中，也可采用多層屏蔽殼體的結構。

存儲測試儀通常選用圓柱形殼體，因為圓柱殼在高g值沖擊下具有潛在的緩沖吸能作用，能夠起到較好的緩沖效果。在相同初始沖擊加速度下，壁厚相同時，隨著圓柱殼的直徑減小其緩沖效果越來越明顯;直徑相同時，隨著圓柱殼壁厚的減小，緩沖效果越來越明顯[8]。測試儀殼體上的接插件、操作鍵和電纜孔等使得殼體不是一個完整的封閉體，另外殼體結構上的不連續(xù)性均會造成電磁泄漏，以至于降低屏蔽效果。因此在設計時殼體的構件之間可以采用凹凸對接的方式，增加接觸面重疊面積，并在對接處添加軟性導電材料如導電橡膠墊，實現結構上的連續(xù)性，以減小電磁波的縫隙泄漏。

圖4為雙環(huán)境力電池性能存儲測試儀的防護殼體，測試儀的使用環(huán)境中存在高沖擊、高速旋轉和磁場干擾，因此殼體分3層。內層采用磁導率較高的30#鋼對磁場進行屏蔽。外層為鋁殼進一步加強防護作用，兩層中間放置一層橡膠墊作為緩沖介質，有效保護內部電路。在內層和外層殼體間有止轉銷，防止因測試儀自身相對旋轉產生的不可靠因素。

4.2強化灌封

存儲測試儀研制完成后需要將傳感器、電路模塊和電池連接、組裝，按要求合理布置于殼體中，最后采用灌封材料整體灌封在殼體內，強化灌封是提高存儲測試儀抗高過載和強振動能力的有效方法。

4.2.1緩沖機理

在高過載條件下，灌封材料可以對殼體內的部件起到緩沖作用，以減弱或隔離高過載對內部模塊的沖擊。緩沖的原理是利用灌封材料的彈塑性變形及阻尼作用，減弱由于測試儀加速或減速運動而作用于內部部件上的力，使其承受的過載峰值小于其脆值，緩沖過程可看作能量吸收的過程。除了起到緩沖減振作用以外，灌封材料還能有效地隔離或衰減測試儀承受高過載時的應力波。由于灌封材料波阻抗低，為鋼材的0.0001～0.001倍，當應力波從測試儀透射到灌封材料中時，應力幅值將減小約萬分之一至千分之一。另外，由于灌封材料的粘彈性效應和橫向慣性效應，使得應力波在傳播過程中會發(fā)生幅值衰減和波形彌散[9]，即起到很好的緩沖效果。

4.2.2真空灌封

為了提高存儲測試儀的灌封質量，避免常規(guī)灌封工藝可能產生的氣泡和裂紋，采用真空灌封技術。真空灌封技術包括灌封材料選擇和配制，真空灌封工藝控制，以及真空灌封質量檢測，通過在真空條件下用灌封材料進行封裝，最終固化成型，實現對測試儀內部件的絕緣保護，是提高過載能力、防潮、抗沖擊振動和有效解決局部擊穿的關鍵技術，是降低測試儀短路風險和提高可靠性的重要手段[10-11]。

灌封材料選擇時主要考慮材料的膨脹系數和固化應力，確保灌封后元器件管腳焊接的可靠性。配制時要以測試儀灌封后達到最佳抗沖擊性能為目的來確定不同組份的比例，保證測試儀既具有一定的強度，又具有一定的韌性[12]。根據多次灌封和測試結果，目前采用改性環(huán)氧樹脂和新型固化劑，在中溫或高溫下固化的材料。灌封前，對測試儀內各部件上的雜質進行清理，避免引起短路或影響粘結強度，之后將測試儀各部件合理組裝于殼體內并密封，預熱至與灌封材料相近的溫度，以避免產生過大的內應力。灌封材料配制時，先將環(huán)氧樹脂和固化劑經過加溫、稀釋，利用真空泵在真空室中進行脫泡處理，之后混合攪拌進行第2次脫泡處理，配制時要充分攪拌，使材料處于均勻狀態(tài)，經過真空處理的灌封材料質地細密，強度有明顯的提高。然后在一定溫度下對組裝好的測試儀進行灌封，使其固化成型。固化之前先升高灌封箱內壓力，使灌封材料內殘留的微氣泡縮小，同時增加其密實程度，提高灌封質量。灌封材料固化過程中會放熱，若散熱不及時會引起固化反應速度加快，導致在短時間內凝膠，因此采用分步灌封的方法，即先將電路掛膠，然后根據殼體的大小分步封裝。灌封后將測試儀在真空中進行最后一次脫泡處理，并進行退火處理消除內應力，如果灌封材料固化產生收縮，則進行補膠處理。

5 結束語

存儲測試儀的可靠性是其正常工作的基礎，筆者分析了實際使用中影響存儲測試儀可靠性的各種因素，通過降低惡劣環(huán)境因子的影響達到提高測試儀可靠性的目的。分別從構成測試儀的元器件、PCB板、電池、防護殼體幾方面分析了主要的失效原因，通過元器件應用環(huán)境下的篩選，PCB板的電磁兼容設計，供電電路的冗余結構和殼體防護及真空灌封等手段，有效地提高了各部分可靠性，使存儲測試儀在惡劣環(huán)境下能表現出最優(yōu)性能。

References)

[1] 秦麗，陳員娥，李峰. 彈載存儲設備在侵徹下的失效分析[J].彈箭與制導學報，2014，34(4):158-161. QIN Li，CHEN Yuan’e，LI Feng. Failure analysis of missile-borne storage device under penetration[J]. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance,2014,34(4):158-161.(in Chinese)

[2] 趙小龍，馬鐵華，范錦彪. 彈載常用芯片在高g值沖擊下的失效分析[J].儀器儀表學報，2013,34(10):2358-2364. ZHAO Xiaolong，MA Tiehua，FAN Jinbiao. Failure analysis of common missile-borne chip in highgshock[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2013,34(10):2358-2364. (in Chinese)

[3] 唐軍，趙銳，石云波，等. 高沖擊環(huán)境下MEMS 大量程加速度傳感器結構的失效分析[J].傳感技術學報，2012，25(4):483-486. TANG Jun，ZHAO Rui，SHI Yunbo，et al. Failure analysis of the MEMS ultra high measure range accelerometer structure under high impact environment[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators,2012,25(4):483-486. (in Chinese)

[4] 陳光焱. 微加速度開關在高沖擊環(huán)境中的防護技術研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，24(10)：45-47. CHEN Guangyan. Research on shield methods of micro acceleration switch under high impact[J]. Transducer and Microsystem Technologies,2007,24(10):45-47. (in Chinese)

[5] 高健飛，熊繼軍，郭濤，等. 微加速度計在惡劣環(huán)境下的可靠性[J].微計算機信息，2007，23(12)：227-229. GAO Jianfei，XIONG Jijun，GUO Tao，et al. The reliability of micro-accelerometer in harsh environment[J]. Microcomputer Information,2007,23(12):227-229. (in Chinese)

[6] 豐雷，馬鐵華. 高沖擊加速度傳感器橫向效應及裝配方式所致測試誤差[J].振動與沖擊，2014，33(20)：198-201. FENG Lei，MA Tiehua. Transverse effect on sensitivity of high impact accelerometer and measurement error caused by mounting of accelerometer[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(20):198-201. (in Chinese)

[7] 祖靜，馬鐵華，裴東興，等.新概念動態(tài)測試[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016:3-6. ZU Jing，MA Tiehua，PEI Dongxing，et al. New concept dynamic test[M].Beijing：National Defense Industry Press，2016:3-6. (in Chinese)

[8] 李文才，徐鵬.高g值沖擊下圓柱殼緩沖數值仿真[J]. 機械設計與制造，2014(8)：205-207. LI Wencai，XU Peng. Numerical simulation of cylindrical shell buffer under the highgvalue impact[J]. Machinery Design & Manufacture,2014(8):205-207. (in Chinese)

[9] 吳曉莉，張河.高沖擊下電子線路灌封材料的緩沖機理及措施研究[J].包裝工程，2004，25(1):44-46. WU Xiaoli，ZHANG He. The cushioning mechanism and measures of sealing materials of circuit boards in high-gimpact[J]. Packaging Engineering,2004,25(1):44-46. (in Chinese)

[10] 劉建偉，裴東興，尤文斌，等.回收式固態(tài)彈載記錄儀抗高沖擊設計[J].傳感技術學報，2012，25(8)：1045-1048. LIU Jianwei，PEI Dongxing，YOU Wenbin，et al. Anti-high overload excogitation of missile and hard recovery parameters recorder[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators,2012,25(8):1045-1048. (in Chinese)

[11] 洪彬，白乃東，劉曉晨，等.國內外真空灌封技術進展[J].熱固性樹脂，2012，27(3)：52-57. HONG Bin，BAI Naidong，LIU Xiaochen，et al. Vacuum casting technology progress at home and abroad[J]. Thermosetting Resin,2012,27(3):52-57. (in Chinese)

[12] 謝占魁，張文棟，曹濟.抗高過載電路的封裝技術與封裝材料[J].測試技術學報，1996,23(10)：122-125. XIE Zhankui，ZHANG Wendong，CAO Ji. Packaging technology and material for the anti-high load circuit[J]. Journal of Test and Measurement Technology,1996,23(10)：122-125. (in Chinese)

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

謝銳(1983—)，女，博士，主要從事動態(tài)測控與智能儀器研究。E-mail：zbxierui@163.com