厲召玉 張永飛

1. 中國(guó)長(zhǎng)峰機(jī)電技術(shù)研究設(shè)計(jì)院，北京 100039；2. 山東省臨沂市莒南縣應(yīng)急管理局，山東臨沂 276699

0 引言

產(chǎn)品的質(zhì)量至少應(yīng)包含技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)3部分。技術(shù)指標(biāo)和性能指標(biāo)又被稱(chēng)為顯性質(zhì)量指標(biāo)，即產(chǎn)品出廠時(shí)的質(zhì)量指標(biāo)，是在紙面上明確規(guī)定的；可靠性指標(biāo)又被稱(chēng)作為隱形質(zhì)量指標(biāo)，該指標(biāo)是必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用或者特殊試驗(yàn)才可獲得的質(zhì)量指標(biāo)[1]。上述3項(xiàng)指標(biāo)相輔相成，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的構(gòu)成缺一不可，對(duì)于傾角傳感器同樣如此。對(duì)于傾角傳感器的技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)，通常有明確的、量化的指標(biāo)要求，在產(chǎn)品出廠時(shí)可以直接測(cè)量、檢驗(yàn)；而對(duì)于可靠性指標(biāo)，一般不能實(shí)施直接測(cè)量、檢驗(yàn)，需要對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)和控制，才能確?？煽啃灾笜?biāo)滿足要求。本文主要針對(duì)傾角傳感器在研發(fā)、生產(chǎn)和使用階段的可靠性監(jiān)督與控制、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)和試驗(yàn)等方面展開(kāi)論述。

1 可靠性設(shè)計(jì)的基本原則

為使傾角傳感器達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，滿足傳感器在角度測(cè)量時(shí)的完好性和任務(wù)執(zhí)行的成功性要求，保證資源要求和壽命周期維護(hù)費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)。傾角傳感器的可靠性設(shè)計(jì)在研發(fā)、生產(chǎn)、使用階段應(yīng)按照以下原則實(shí)施：

（1）遵循預(yù)防為主，早期投入方針。由于傾角傳感器的可靠性隱性指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)只能將預(yù)防作為重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中分析影響可靠性的因素，落實(shí)可靠性設(shè)計(jì)措施，改進(jìn)設(shè)計(jì)；

（2）新型號(hào)傳感器研制過(guò)程中要將研制工作與可靠性工作統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)進(jìn)行；

（3）在新型號(hào)傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡可能使用成熟設(shè)計(jì)，控制好新設(shè)計(jì)和新技術(shù)在傳感器中所使用的占比，分析同類(lèi)產(chǎn)品使用中的可靠性缺陷，有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，以提高新型號(hào)傳感器的可靠性；

（4）在新型號(hào)傳感器軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，嚴(yán)格按照軟件管理控制要求進(jìn)行，規(guī)范軟件版本控制和代碼書(shū)寫(xiě)規(guī)范；

（5）監(jiān)督和控制好傳感器的研制和生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)傳感器研制和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行可靠性評(píng)審、評(píng)估。

在傾角傳感器研制過(guò)程中，依據(jù)傾角傳感器的技術(shù)要求，需做好傳感器的可靠性指標(biāo)論證以及合理的指標(biāo)分配，做出充分預(yù)計(jì)之后進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，做好元器件選用控制和可靠性試驗(yàn)等項(xiàng)目，統(tǒng)一協(xié)調(diào)可靠性設(shè)計(jì)和管理工作，將其統(tǒng)一納入傳感器的整體研制計(jì)劃。

2 可靠性設(shè)計(jì)

傾角傳感器研制階段可以分為論證階段、方案階段、研制階段和定型階段。根據(jù)傾角傳感器的技術(shù)要求，在論證階段確定傳感器的MTBF的任務(wù)值θS，依據(jù)傳感器產(chǎn)品的可靠性水平，對(duì)θS進(jìn)行初步論證[2]。根據(jù)相關(guān)文件（GJB450A—2004）編制行之有效的可靠性大綱。

研制的傾角傳感器處于方案階段時(shí)，要根據(jù)傾角傳感器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)，制定出傳感器的功能框圖。根據(jù)編制的傾角傳感器框圖，分析出框圖中的內(nèi)在邏輯關(guān)系，從而編制出新研制傾角傳感器的可靠性框圖。按照傾角傳感器的可靠性框圖，參考已經(jīng)定型的傳感器預(yù)計(jì)結(jié)果，將可靠性指標(biāo)分配至傳感器的各個(gè)子系統(tǒng)中，或者把技術(shù)要求上的可靠性指標(biāo)加權(quán)分配，分配之后的結(jié)果必須滿足整機(jī)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

在完成可靠性框圖編制和可靠性指標(biāo)分配后，根據(jù)GJB/Z299B—1998和MIL—HDBK—217F兩個(gè)文件中的分析方法，對(duì)硬件電路中使用到的元器件預(yù)計(jì)出可靠性預(yù)計(jì)值θP[2]，根據(jù)已經(jīng)得出的θP值，對(duì)硬件電路中影響傳感器可靠性的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，最后把根據(jù)傾角傳感器技術(shù)要求編制的功能框圖、可靠性框圖、可靠性分配指標(biāo)和可靠性的預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行階段性的評(píng)審，以便于對(duì)影響傳感器可靠性的缺陷再次進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。在傾角傳感器進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)需要考慮的方面如圖1所示。

2.1 硬件電路可靠性設(shè)計(jì)

傾角傳感器進(jìn)入研制階段后，根據(jù)方案階段編制的功能框圖，結(jié)合可靠性框圖進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)。在硬件電路可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的方面如圖2所示。

硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，元器件是電路可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)選取元器件時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）盡可能地少使用或者不使用未定型或新定型的新產(chǎn)品，若在部分硬件電路中無(wú)法找到替代的新元器件，新元器件必須有質(zhì)量認(rèn)證，避開(kāi)使用到高失效率的新型元件；

（2）購(gòu)買(mǎi)元器件時(shí)，應(yīng)使用《合格供方名單》中的元器件，無(wú)法在該范圍購(gòu)買(mǎi)的部分元器件，從擁有認(rèn)證報(bào)告和相關(guān)審批手續(xù)的供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)。

設(shè)計(jì)硬件電路過(guò)程中要求特別注意電子元器件的使用，考慮到要達(dá)到規(guī)定的傳感器可靠性指標(biāo)，要求使用元器件時(shí)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)要統(tǒng)籌考慮，對(duì)電路的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，掌握每一個(gè)元器件特性以便于對(duì)其工作時(shí)的電壓、電流、功率以及溫漂和工作環(huán)境進(jìn)行全面考慮。與此同時(shí)，對(duì)于電子元器件的體積大小、可靠性、重量和使用性?xún)r(jià)比作出權(quán)衡。

除此之外，在傾角傳感器功能框圖編寫(xiě)過(guò)程中，傳感器各個(gè)子系統(tǒng)的電子元器件和功能電路應(yīng)盡量使用經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的成熟電路，盡可能地少使用新型號(hào)元器件和功能電路。硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足傾角傳感器技術(shù)要求上的性能的前提下，要將傳感器硬件設(shè)計(jì)方案和各個(gè)子系統(tǒng)硬件電路盡可能地簡(jiǎn)化。在進(jìn)行某些微小的新性能的改進(jìn)時(shí)，不應(yīng)當(dāng)增加復(fù)雜電路和元器件，從而造成傳感器可靠性指標(biāo)有一定的減少。通常使用以下幾種方法進(jìn)行傳感器硬件電路的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：

（1）盡量體現(xiàn)硬件電路的繼承性；

（2）優(yōu)先使用標(biāo)準(zhǔn)電路和組件，盡可能地壓縮電路、電壓種類(lèi)和數(shù)量；

（3）使用集成化較高的電路。

裕度設(shè)計(jì)又稱(chēng)為“漂移設(shè)計(jì)”。在實(shí)際的傳感器硬件電路中，由于不同的環(huán)境、負(fù)荷的變化以及設(shè)計(jì)時(shí)的工差等一系列原因造成傳感器的漂移性故障，因此，在硬件電路實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)融入裕度設(shè)計(jì)，其具體情況如下：

（1）傳感器硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)將功率裕度設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去。傾角傳感器使用過(guò)程中，要求傳感器使用時(shí)達(dá)到一定的容限安全系數(shù)，這就要求傳感器中各個(gè)子系統(tǒng)都有相對(duì)應(yīng)的功率裕度，一般子系統(tǒng)的功率裕度要求達(dá)到20%～30%，特殊部位（例如電源位置的元器件）甚至達(dá)到要求的50%。傳感器各個(gè)子系統(tǒng)的功率裕度要根據(jù)其可靠性指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

（2）傳感器硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到電路模塊工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)傳感器的硬件電路時(shí)要考慮到電路模塊的狀態(tài)工作點(diǎn)，使得傳感器的硬件電路工作在各個(gè)電路模塊的穩(wěn)定區(qū)域，即元器件工作于參數(shù)穩(wěn)定區(qū)；

（3）傳感器硬件設(shè)計(jì)中融入電路溫度補(bǔ)償。選取電子元器件過(guò)程中，應(yīng)盡量選取溫度系數(shù)能夠互相補(bǔ)償?shù)脑骷M合使用，或者是使用其他的補(bǔ)償措施對(duì)硬件電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在硬件電路設(shè)計(jì)完成后，數(shù)據(jù)傳輸之前，要求檢查硬件電路中元器件的完好性，以保證傳感器上電后，各個(gè)單元之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_完好。除此之外，要進(jìn)行極限檢測(cè)和合理性檢測(cè)硬件電路中所有的模擬以及數(shù)字輸入和輸出。

2.2 軟件程序可靠性設(shè)計(jì)

在進(jìn)行傳感器的硬件接口軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮到外部輸入或者輸出設(shè)備的失效檢測(cè)，并且在檢測(cè)到失效發(fā)生時(shí)，軟件可以使接口恢復(fù)到某一個(gè)安全狀態(tài)，而且還要求對(duì)所涉及到的硬件失效模式加以考慮。在傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為了保證接收方接收到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，要求發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)使用特定格式和內(nèi)容，以便于發(fā)送方和接收方使用約定的方法進(jìn)行校驗(yàn)。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，其可靠性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在進(jìn)行傳感器的軟件程序編寫(xiě)時(shí)，首先要考慮的就是軟件的健壯性。在軟件的健壯性設(shè)計(jì)中：第一，傾角傳感器的電源模塊在加電瞬間有可能會(huì)出現(xiàn)間歇性故障，從而使傾角傳感器進(jìn)入潛在的不安全狀態(tài)，為了避免出現(xiàn)這種狀態(tài)，就要求軟件在傳感器電源出現(xiàn)失效時(shí)安全地關(guān)閉傳感器，另外，傾角傳感器的供電電源有可能會(huì)出現(xiàn)不正常的波動(dòng)，同樣要求軟件對(duì)其加以處理；第二，軟件設(shè)計(jì)必須考慮到傳感器在上電時(shí)進(jìn)行一次自我檢測(cè)，驗(yàn)證傳感器系統(tǒng)本身是安全的，而且可以正常運(yùn)行，在必要的時(shí)候，傳感器可以進(jìn)行周期的自我檢測(cè)；第三，傾角傳感器需要在電磁輻射、靜電干擾等環(huán)境中正常工作，這就要求傳感器硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)技術(shù)要求加以處理，從而使得傳感器可以將外界干擾控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)外界干擾時(shí)，軟件再次復(fù)位處理，使得傳感器仍然可以正常運(yùn)行。

其次，在編寫(xiě)傳感器運(yùn)行程序時(shí)要對(duì)其進(jìn)行余量設(shè)計(jì)。在保證軟件各個(gè)模塊的存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)通道傳輸能力的同時(shí)，還要對(duì)傾角傳感器的軟件余量加以規(guī)劃，以確保軟件余量滿足要求。根據(jù)軟件運(yùn)行時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)的具體狀態(tài)，確定軟件的各種周期和各工作時(shí)序的安排，以保證軟件工作時(shí)序之間預(yù)留出足夠的余量。

最后，要考慮傳感器程序編寫(xiě)時(shí)的數(shù)據(jù)定義。在對(duì)軟件運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義時(shí)，要保證定義的數(shù)據(jù)必須在合理的范圍內(nèi)，從而使傳感器在運(yùn)算數(shù)據(jù)過(guò)程中保證數(shù)值的大小和誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)運(yùn)算的精度。另外，還要在軟件的入口、出口以及其他關(guān)鍵位置進(jìn)行合理性檢查。

2.3 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

傾角傳感器的結(jié)構(gòu)除了起到對(duì)外界環(huán)境應(yīng)力的保護(hù)之外，其電磁兼容性也主要是在傳感器的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)代條件下，電磁干擾無(wú)處不在，在此環(huán)境下要使傳感器正常運(yùn)行，就要求傳感器在硬件電路、整體結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低傳感器對(duì)于干擾的靈敏度，從而使外部進(jìn)入和內(nèi)部泄露的電磁干擾可以控制在一個(gè)可接收的范圍內(nèi)。對(duì)于“場(chǎng)”（靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)）和“路”（傳輸線路或電路）兩種干擾才用以下方法解決電磁兼容方面的問(wèn)題：

（1）采取屏蔽設(shè)計(jì)。為了減小“場(chǎng)”耦合而引入的干擾，傳感器主要是在合適的地方進(jìn)行靜電屏蔽和電磁屏蔽以進(jìn)行電磁兼容；

（2）使用接地設(shè)計(jì)。對(duì)于不方便使用屏蔽設(shè)計(jì)的部位，要盡可能地使接地各自形成回路，從而使得各單元之間通信信號(hào)和地之間的電流形成耦合。另外，在進(jìn)行地線布線的時(shí)候，要選用合適的位置、形狀和方式，從而使接地電流達(dá)到最優(yōu)；

（3）選取高頻濾波設(shè)計(jì)。傳感器對(duì)于外部和內(nèi)部產(chǎn)生的高頻干擾，需要選取合適的濾波器實(shí)施對(duì)干擾的屏蔽和隔離，從而達(dá)到減小電磁干擾的目的。

2.4 工藝可靠性設(shè)計(jì)

工藝可靠性設(shè)計(jì)主要分為印制板可靠性設(shè)計(jì)、電氣互連設(shè)計(jì)和“三防”設(shè)計(jì)。印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)要求整個(gè)電路板布局合理，單個(gè)功能模塊或者功能電路盡可能地放置在一個(gè)面板上，這樣對(duì)于后期的故障排查和維修具有較大便利。電路板上面要合理安排電路，各級(jí)電路之間按照原理圖的分布進(jìn)行排列組合，將傳感器的輸入端和輸出端分開(kāi)布置，模擬電路模塊和數(shù)字電路模塊進(jìn)行必要的隔離，盡可能地做到布局及布線合理，抑制寄生耦合電磁干擾的產(chǎn)生。在電路印制板上放置電子元器件時(shí)，要求盡可能地做到適合視力檢查整個(gè)電路印制板，方便電子元器件標(biāo)稱(chēng)值的檢查和故障定位。在電路印制板上放置大而重的元器件時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行加固處理，防止因傳感器的振動(dòng)、沖擊造成元器件損壞而使傳感器無(wú)法正常運(yùn)行。

電氣互連設(shè)計(jì)要求傳感器工藝規(guī)范中明確元器件的裝焊溫度和時(shí)間，插裝元器件的焊接規(guī)范和焊接操作人員的操作條件?！叭馈痹O(shè)計(jì)要求研制人員對(duì)傳感器的使用環(huán)境進(jìn)行充分了解，掌握傳感器使用環(huán)境的特點(diǎn)以及變化規(guī)律，分析傳感器在其使用環(huán)境中出現(xiàn)故障的應(yīng)力條件，最終可以選取適合該傳感器的防護(hù)結(jié)構(gòu)、材料以及傳感器制造的工藝[3]。

2.5 可靠性評(píng)估與改進(jìn)

可靠性信息的收集是傾角傳感器進(jìn)行可靠性評(píng)估和改進(jìn)的前提和基礎(chǔ)。在收集傳感器可靠性信息時(shí)，要求重點(diǎn)收集傳感器在客戶方的使用信息、維修信息、貯存信息以及運(yùn)輸過(guò)程中所產(chǎn)生的信息，這些信息主要記錄傳感器工作時(shí)長(zhǎng)、故障記錄、維修記錄、檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄以及傳感器的使用環(huán)境記錄等。通過(guò)將客戶收集到的可靠性信息，對(duì)傳感器進(jìn)行全方位的評(píng)估，為之后的改進(jìn)和完善工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)可以為未來(lái)新型號(hào)傳感器的研制提供參考信息。

完成可靠性信息收集后進(jìn)入可靠性評(píng)估階段。可靠性評(píng)估分為兩個(gè)階段：第一階段是初始可靠性評(píng)估；第二階段是后續(xù)可靠性評(píng)估。以客戶在實(shí)際使用傾角傳感器時(shí)收集到的可靠性信息為基礎(chǔ)，評(píng)估傳感器正常工作時(shí)達(dá)到的可靠性水平，從而驗(yàn)證傳感器的可靠性是否達(dá)到技術(shù)要求[4]。對(duì)傳感器的使用可靠性評(píng)估完成后，編制使用可靠性報(bào)告。

在傾角傳感器可靠性改進(jìn)過(guò)程中，明確傳感器在實(shí)際使用過(guò)程中所顯現(xiàn)的問(wèn)題是關(guān)鍵，結(jié)合現(xiàn)行情況下傳感器技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)特定試驗(yàn)和分析，確定傳感器在可靠性方面的改進(jìn)措施，從而達(dá)到進(jìn)一步提高傳感器可靠性水平的目的。通常使用更改傳感器設(shè)計(jì)、選取更合適的制造工藝、使用更為高效的維修方法、改進(jìn)保障系統(tǒng)和保障資源等方案來(lái)完善傾角傳感器。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傾角傳感器在研發(fā)、生產(chǎn)和使用過(guò)程中的可靠性進(jìn)行分析，給出了傳感器可靠性設(shè)計(jì)的基本原則，將傾角傳感器的可靠性設(shè)計(jì)融入到傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中；通過(guò)客戶在傾角傳感器使用過(guò)程中的可靠性信息收集，進(jìn)行傳感器可靠性評(píng)估，最后完成傾角傳感器的可靠性改進(jìn)。