基于LNG气体传感器的可靠性评估分析-正文

中北大学学位论文中北大学学位论文II目录绪论TOC\o"1-5"\h\z1.1课题来源、研究目的及意义11.1.1课题来源11.1.2课题研究目的及意义11.2国内外可靠性研究发展历史及现状21.3可靠性试验的方法及发展趋势4仁4试验数据的统计分析及存在的问题51.5气体传感器可靠性研究现状与存在的问题71.6本文的研究思路及主要内容81.6.1本文的研究思路81.6.2本文研究的主要内容及安排9气体传感器可靠性分析2.1气体传感器结构、原理分析112・2气体传感器失效模式影响及危害度分析142.3气体传感器故障树分析162.3.1气体传感器故障树定性分析162.3.2气体传感器故障树定量分析182.4气体传感器失效机理探讨212.4.1钳丝失效机理222.4.2化铝载体失效机理223催化剂失活机理232.5气体传感器失效物理方程252.6本章小结27

气体传感器可靠性强化试验TOC\o"1-5"\h\z3.1气体传感器可靠性强化试验原理283.2气体传感器可靠性强化试验方法293.2.1试验应力选择293.2.2应力施加方式及施加顺序313.2.3试验停止原则313.3气体传感器可靠性强化试验方案设计323.3.1试验方案设计323.3.2试验剖面设计343.3.3试验失效判据383.3.4试验过程383.4气体传感器可靠性强化试验结果分析393.4.1温度应力试验结果分析393.4.2振动步进试验结果分析403电压步进应力试验结果分析423.4.4冲击步进试验结果分析433.4.5电压恒定应力试验结果分析443.5本章小结44气体传感器恒定应力试验数据统计分析4.1基本假设454.2气体传感器恒加试验的參数估计464.2.1气体传感器寿命分布的初步检验464.2.2气体传感器寿命分布的极大似然估计504.3气体传感器加速寿命方程514.3.1电应力与溫度应力转换5153544.3.2加速寿命方程参数估计53544.4气体传感器寿命评估4.4.1强化应力条件下的寿命数据折算TOC\o"1-5"\h\z4.4.2产品寿命分布评价方法574.4.3试验数据统计分析及寿命分布评价614.4.4气体传感器可靠性特征值624.5本章小结63总结与展望附录A敏感元件R-V测试数据参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及取得的成果致谢中北大学学位论文中北大学学位论文#1绪论本章简述了课题來源、研究目的及意义，国内外可靠性研究的发展历史与现状，可靠性试验的方法和应用，可靠性统计分析和存在的问题，以及气体传感器可靠性研究的现状与存在的问题，并简要介绍了本文的研究方案与主要研究内容。1.1课题来源、研究目的及意义1.1.1课题来源本课题來源于国家863计划先进制造技术领域重点项目子课题一一《危化品检测传感器性能测试与可靠性评估技术》。1.1.2课题研究目的及意义随着煤矿工业和石油化工工业等能源工业的发展，易燃、易爆及有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这类气体在生产、运输和使用过程中，虽然采取了很多安全措施，但一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾其至爆炸事故，严重危害公共安全和人民群众生命财产安全。如2005年3月29日，一辆满载的约32吨液态氯气的槽罐车在京沪高速淮安段与大货车相撞后翻倒，造成29人中毒死亡，285人送医院治疗，直接经济损失1700余万元；2006年4月6日，广西百色田东县某公司成品油罐车爆炸，4人死亡;2007年5月11H,沧州大化TDI车间发生爆炸事故，造成5人死亡，14人重伤，80人受伤；2008年10月31日，甘肃省永靖县某化工厂发生氯气储气罐爆炸事故，造成1人遇难，41人受伤；2009年9月2EI,山东省临沂市某物流城发生装载化学物品的火车意外爆燃事故，造成7人当场死亡，11人经抢救无效死亡，10人受伤⑴。据统不完全计，建国以來，我国煤矿发生100人/次以上的重特大事故就有22起，其中17起事故是瓦斯爆炸事故，约占77.3%囚；我国化工系统发生的重特大及典型泄漏事故共51起，其中由泄漏导致的中毒、火灾、爆炸事故有41起，而由爆炸等原因导致的泄漏中毒事故有10起⑶。为解决这一问题，各类气体传感器应运而生，并迅速得到广泛的应用。气传感器在长期使用中，暴露出的问题就是产品可靠性问题。如何提高产品质量，提高传感器的一致性、互换性和稳定性，保证产品安全可靠地工作，是摆在科技工作者面前的一大难题。质量问题迫使人们不得不高度重视可靠性研究，重视可靠性研究在气传感器的设计、研制、生产、管理到使用、维修的全过程上的应用。本课题针对危化品安全监测的特殊要求和特点，分析气体传感器的失效模式及失效机理，研究相关的测试和可靠性评估分析方法，为实现危化品检测传感器系统产业化及应用提供保障。1.2国内外可靠性研究发展历史及现状对可靠性问题的研究始于第二次世界大战，最早作为一个专用学术名词明确提出“可靠性”的是美国麻省理工学院放射实验室。当时正处于战争时期，美国60%的机载电子设备运到远东后不能使用，50%的电子设备在储存期失效，其主要原因就是电子管的可靠性太差。因此，在1943年，美国投入大量人力、物力和财力成立了“电子管技术委员会”，并领导“电子管研究小组”，开始了电子管的可靠性研究”同。20世纪50年代前后，学者们提出各种各样的观点，此时可靠性研究处于一种混乱的状态。R.Lusser在一次研讨会上提出，对可靠性问题应采用数理统计方法定量分析的基本原则[5][6]oR.R.Carhart对此观点作了进一步的完善，给出了更合理的可靠性定义卩]。同一时期，美国军方为解决军用电子设备和武器系统的可靠性问题有组织的开展了大量研究。1952年，美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的''电子设备可靠性顾问团”(AdvisoiyGrouponReliabilityofElectronicEquipment一AGREE),对军用电子产品从生产到使用过程中各个方面的可靠性问题作了全面的调查研究，并发表了著需的“军用电子设备的可靠性”报告冈，该报告构筑了可靠性工程学的总体框架，是可靠性工程发展的重要里程碑，标志着可靠性己成为一门独立的学科。20世纪60年代是可靠性研究全面、迅速发展的时期。这一时期美苏处于常规武器竞赛阶段，美国先后设计出新一代战斗机、坦克、导弹、及宇宙飞船等装备，这些新装备对可靠性提出了更严格的要求。为此，美国相继制定、修订了有关可靠性的军用标准和国家标准，如MIL-HDBK-217>MIL-STD-781和MIL-STD-785等；开发了加速寿命试验、快速应力筛选试验以及各种可靠性预计技术；开拓了可靠性物理这个新学科，开展了故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析(FIA)两种系统可靠性分析技术，美国航空航天局(NASA)更是将FMEA及FIA等可靠性技术归为“阿波罗计划”登月成功的三大关键技术之一。这一事件在国际学术界引起强烈反响，可靠性技术在世界范围内得到迅速推广，出现了“可靠性热”。与此同时，由于产品的复杂化和工作环境的恶化，可靠性技术也逐步推广到机械、通信等行业。20世纪70年代，虽然资本主义经济遇到危机，军费减少，但可靠性的到了进一步的发展，人们通过对复杂武器系统釆用更严格的降额设计、环境应力筛选及可靠性试验來提高其在外场使用过程中的可靠性和降低维护费用。这一阶段的主要特点就是建立了统一的可靠性管理机构，成立了全国性的“可靠性数据交换网”，并且出版了大量有关可靠性的学术论文和专著。这标志可靠性这一学科的成熟，可靠性研究向更深更广的方向发展，涉及的领域越來越广，涉及的学科越來越多，使可靠性工程学不断完善，发展成为一门综合性的工程技术学科。20世纪80年代以后，为了适应局部战争的新特点和军费短缺的限制，以美国空军1987年颁布的R&M2000年规划为标志，美国国防部的可靠性技术发展的政策发生了变化，可靠性指标大幅度提高，从追求装备的高性能转变为装备的可靠性保证，更加强调装备的可靠性与维修性。加强机械设备的可靠性研究，不断改进机械设备的可靠性设计及试验方法等，这标志着美国的可靠性技术进入了新的阶段。综上所述，可靠性经过这半个多世纪的发展，己发生了巨大的变化，从军事工业到民用工业；从电子产品到非电子产品，尤其是机械产品；从硬件到软件；从简单系统到机电、人机等复杂的物理和非物理系统；从手工、图表的定性分析设计到计算机辅助、模拟仿真的定量分析设计；从可靠性工程试验发展到统计试验，越来越重视通过环境应力筛选及可靠性增长试验来暴露产品故障，进而提高产品的可靠性等叨。我国的可靠性研究工作起步于20世纪50年代末60年代初，当时主要集中在电子、航天等领域。到了70年代，我国组建了电子产品可靠性与环境试验研究所，对我国可靠性工程起到了积极作用，电子产品可靠性研究工作取得了显著成就，保证了人造卫星的成功发射，但总体发展缓慢。20世纪80年代，我国的可靠性研究步入了崭新的时期。这一时期，各级可靠性研究机构和学术团体相继成立。1980年，国家标准总局召开了全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术第一次工作会议，同年12月，建立了全国性的“可靠性数据交换网”[®,之后编撰了我国的《电子元器件的失效率手册》，《电子元器件失效率预计手册》和《电子设备可靠性预计手册》;1982年成立了“全国可靠性与维修性标准化技术委员会”,完成了可靠性名词术语、可靠性试验方法、可靠性管理、失效分析等方面部标、国军标和国标的编写。同时，从80年代以來，国防科工委成立了可靠性教育培训中心，电子工业部也成立了培训中心，从事可靠性研究的学者、专家开始编写、翻译出版有关可靠性的学术专著；高等院校也开始从事可靠性研究与可靠性人才培养，研究领域也从电子产品发展到机械产品。90年代以來，我国在很多民用产品领域开展了可靠性研究工作，但是总体贯彻不平衡，可靠性研究仍停留在初级水平。2006年，国家发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，将重大产品和重大设施寿命预测技术写入了国家科技的中长期规划，由此可见国家对可靠性工作非常重视。虽然如此，我国的可靠性研究要赶超世界先进水平，尚需付出大量的努力。1.3可靠性试验的方法及发展趋势通过可靠性试验、失效分析及对试验数据的统计分析，可以确定产品的薄弱环节及失效原因，制定改进措施，获得产品可靠性特征值。由此可见，可靠性试验是验证、评价与分析产品的可靠性的基本手段，是可靠性工程的基本环节，是取得可靠性数据的重要來源，是进行可靠性分析和设计的基础。可靠性发展至今，产品的可靠性试验方法至少有百余种，其中常用的有20〜30种，根据出发点的不同，可按试验的目的、场所、性质、规模、应力特征及终止方式对可靠性试验方法进行分类[⑴，各类可靠性试验之间有相应的交错或包含关系。寿命试验是最重要、最基本的可靠性试验之一，其用于确定产品寿命的分布规律及失效规律，计算产品的可靠度、失效率和平均寿命等可靠性指标。但是传统的寿命试验需要投入大量试验样本、昂贵的试验费用和大量的时间，为了解决这个问题，国内外的可靠性研究人员致力于发展小样本条件下可靠性指标的估计方法。但是，随着高新技术的发展，现代电子设备的复杂程度越來越高，功能越來越强大，使得保障费用随之增高，另一方面，电子设备日益加快的发展步伐也迫切需要高效率可靠性试验技术來支持，而传统的可靠性环境模拟试验己经远远不能满足现代武器系统发展的要求。因此，必须研究新的可靠性试验技术和方法，可靠性强化试验就是为接受可靠性这种挑战应运而生的一项新技术。20世纪80年代美国的GK.Hobbs博士卩习首先提出來高加速寿命试验与高加速应力筛选，其最大特点是时间上的压缩，即在短短的儿天内模拟一个产品的整个寿命期间可能遇到的情况。同时，波音公司考虑到市场竞争的需求，为了减少产品研制费用，并在产品研制早期能得到高可靠性的产品，提出可靠性强化试验技术〔⑷。可靠性强化试验(ReliabilityE11I1ailcementTesting,RET)是对受试产品施加远超过正常使用环境的单一或综合的环境应力，快速激发产品潜在缺陷，通过故障原因、失效模式分析和改进结构设计，提高产品可靠性。其理论依据是故障物理学，它把故障或失效当作研究的主要对象,最终通过根治故障來提高产品的可靠性X】。在可靠性强化试验理论与技术研究方面比较知需的专家主要有：GK.Hobbs、S.Smithson>J.Capitano、W.Nelson、SilvermanM.flDavidRahe等。其中GK.Hobbs在强化试验效率及理论与技术方面开展了大量研究[12][15][16];S.Smithson等人〔⑴问在强化温度应力及效率方面开展了研究；W.Nelson在试验剖面和数据统计分析等方面开展研究工作问；SilvermanM.和DavidRahe在强化试验技术与应用等方面开展了研究[20][21][22]o除此之外，波音公司的RobertW.D等[同在强化试验技术方面也进行了大量的研究与实践，1994年在波音・777客机上应用，获得了成功。当前，可靠性强化试验技术还在不断的发展，随着新方法、新经验的积累，可靠性强化试验技术会不断的被完善。同时，可靠性试验技术也必然朝着可靠性强化试验的方向发展。1.4试验数据的统计分析及存在的问题在可靠性试验结束后，需要对试验数据进行统计分析，以获取产品可靠性特征值，定量分析、评价产品的可靠性水平。根据在思想上和理论基础上的差异，试验数据的统计方法可分为经典统计方法和Bayes统计分析方法。经典统计分析方法建立在概率的频率意义上，反映大量试验结果的统计规律。在实际使用时，首先假定产品寿命服从某一统计分布，然后选择一个被认为是好的统计方法,根据一组产品寿命的观测值(tl，t2,……，tn)和所选的统计方法推断未知的参数、进行假设检验和预测。经典方法认为各种寿命分布类型所含的参数是常数，不是一个变数，尽管人们暂时不知道它的值，但可以通过抽样试验的结果对这些参数进行估计，而统计分析结果精度的高低主要由试验数据个数和所选择的统计模型的准确度來决定。虽然经典统计方法在可靠性试验数据统计分析中的占主导地位，但其也存在着一些缺陷，其最大的缺陷是在作统计推断和结论时过于着眼于当前数据，忽视历史的经验、人们己有的认识、知识和主观的能动性卩习。在处理小样本数据时，经典统计方法往往难以做出准确的统计推断其至无能为力。对于这类问题，Eayes方法给出了一种不同的解决途径。从某种意义上说，Bayes统计推断方法0］是建立在主观概率的基础上，在进行统计分析时除了利用试样的寿命分布模型和试验数据外，还利用了另外的一种信息，即分布参数的先验分布°Eayes方法认为分布参数是未知的，在试验中，即使能对其进行观测,也只能得到它的表现值，因此分布参数是随机的。在试验前，人们对分布参数总会有些认识，也就是说人们有一定的先验信息，这种信息可以用一个概率分布来表示，称为先验分布。Bayes方法的统计分析模式是首先假设的分布模型和分如参数的先验分布，之后根据一组样本的观测值求的后验分布，依据后验分布进行统计分析，就可以得到可靠性指标的估计值。可以看出，与经典统计方法相比，Bayes方法引入了更多的信息，考虑了人的主观能动性和历史经验，并且有可能解决小样本数据的统计分析问题卩习。虽然Bayes在这方面比经典方法有明显的优势，但是其本身存在的缺陷制约着它的应用，其中最主要的是先验分布问题［沟，尽管提出了不少确定先验分布的方法，如Bootstrap方法、经验Bayes方法等［26］,并在工程实际中得到了应用，但至今仍未提出一种放之四海而皆准的确定先验分布的方法；其次，我们一般只知道后验分布的核，后验密度函数的计算与推导具有非常大的难度，也没有可以广泛应用的软件和程序。因此，在目前的可靠性统计分析中仍以经典的统计方法为主，常用的经典统计方法㈢］有极大似然估计法(MLE)、B&A估计法、最小二乘估计法(LQ和LMSR)和基于顺序量的各种线性估计方法，如最好线性无偏估计(BLUE)、最好不变估计(BLIE)和简单线性无偏估计等等。应用上述估计方法，可解决常用的寿命分布中各种形式的试验数据的统计处理，以求得分布参数和所关心的可靠性特征量的估计值。对于两参威布尔分布，对于截尾寿命试验来讲，以MLE、BLUE和BLIE方法估计较好[旳。1.5气体传感器可靠性研究现状与存在的问题气体传感器是传感器领域的一个重要分支，它可以感受外界气氛信息并按一定规律转换成可测信号，进而可以对所得到的数据进行记录、分析、传输、监控。根据气体传感器使用的气敏材料以及工作机理的不同，气体传感器可分为：半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、催化燃烧式气体传感器、光学式气体传感器、石英谐振式气体传感器和表面声波气体传感器〔29】。随着MEMS技术的迅猛发展及其广阔的市场前景，微型化、集成化、智能化口渐成为传感器包括气体传感器的发展趋势，成为气体传感器的主流。对于其他种类的气体传感器而言，催化燃烧式气体传感器的发展历史较长，早在1923年，美国采用裸钳丝催化传感器检测煤矿瓦斯。1957年，英国发明了在钳丝圈上涂加载体和催化剂的催化传感器。自上世纪60年代以來，金属氧化物半导体气体传感器就以较高的灵敏度、响应迅速等优点占据气体传感器的半壁江山。我国于上世纪50年代开始了气体传感器的研究,1957年抚顺煤矿安全仪器厂采用纯钳丝元件作为传感器的第一台催化原理的瓦斯报警器研制成功，揭开了我国气体传感器发展的序幕。经过五十多年的发展，我国气体传感器产业得到飞速发展，我国各类气敏元件的年总产量己达到610多万只[弼。随着气体传感器的广泛应用，对其运行安全可靠性要求也日益增加。但由于气体传感器结构和工作机理的多样性以及失效机理的复杂性，目前公开发表气体传感器的可靠性研究方面的论文较少，且主要集中在对半导体气体传感器的可靠性研究。早期有关气体传感器可靠性方面的研究主要集中在不同材料对气体传感器长期稳定性的影响[31][32][33][34]以及提高气体传感器长期稳定性的方法〔迥等方面。1997年，J.M.Bose等人[殉以MotorolaMGS1100气体传感器为例讨论了硅微器件的可靠性测试方法，指出热和机械应力是影响硅器件可靠性的主要因素，并提出以硅膜工作电压频率为加速应力的加速试验方法;I.Giacia等人㈤对半导体气体传感器进行了温度和机械性能测试,研究了传感器的漂移和失效率与应力强度的关系；R.K.Sharma等人[网对微机械气敏元件氧化锡薄膜的稳定性和可靠性进行了研究，观测到氧化锡薄膜龟裂这一失效模式，并以温度为加速应力对气体传感器进行了加速寿命测试，结果表明SnO2-Cii/Pt膜具有更高的可靠性；云南大学的Yii-deWang等人卩刃跑对酒精和丁烷气体传感器进行了寿命试验,统计分析结果表明酒精和丁烷气体传感器的寿命分布为对数正态分布；J.Puigcorbe等人⑷]对气体传感器的热疲劳模型进行了有限元分析，讨论了铝膜厚度和温度变化对气体传感器可靠性的影响；胡恩平等人国]对气体传感器加速寿命进行了研究，以工作电压频率为加速应力的加速寿命方法对Motorola公司的CO气体传感器进行了加速寿命试验，并对气体传感器失效模式进行了总结；中电49所的张洪泉、常柏灵等人[43][44][45]对可燃气体传感器进行了失效机理和失效模式进行了分析，通过寿命试验及统计分析，指出可燃气体传感器的寿命分布模型为双参威布尔分布。这些研究工作对以后气体传感器的可靠性研究有良好的借鉴作用，但也存在着一些问题和不足，主要表现在：目前，对气体传感器的研究主要集中在新材料、新工艺等方面，导致气体传感器缺乏明确的可靠性指标，这与气体传感器可靠性的复杂性、特殊性以及研究人员对其可靠性研究的不足密切相关。同时，由于材料、加工工艺、封装非标准性等问题的存在，气体传感器的失效机理对产品的设计、制造和使用者來说都还不确定。由于气体传感器结构和工作机理的多样性，不同类型的气体传感器其失效模式和失效机理也不尽相同。而在己开展的气体传感器的可靠性研究中，没有针对传感器可靠性薄弱环节提出相应的可靠性试验方法，缺乏明确、符合工程实际的失效判据和相应的失效检测装置。1•6本文的研究思路及主要内容1.6.1本文的研究思路针对气体传感器可靠性研究中存在的问题和不足，本文以LNG(LiquefiedNahiralGas)气体传感器为研究对象，就LNG气体传感器的结构原理以及敏感应力的确定、失效模式与机理、可靠性强化试验方法以及如何对试验数据进行统计分析开展系统的研究，并通过对试验数据的统计分析，确定LNG气体传感器在试验条件下的可靠性水平。所釆用的研究方案如图1.1所示，主要分四步进行。首先调研、分析气体传感器的工作原理及在危险化学品集装箱运输过程环境参数；第二，收集气体传感器场使用信息和内场各种试验信息，进行可靠性分析，分析其失效模式、失效机理，确定其薄弱环节；第三，针对薄弱环节对气体传感器进行可靠性强化试验技术研究，在试验的基础上进行可靠性评估模型的分析与研究；最后，收集气体传感器的可靠性测试数据，利用建立的可靠性模型对其进行可靠性评估。图11本文研究思路及技术路线1.6.2本文研究的主要内容及安排根据以上思路，确定本文的主要研究内容如下：对LNG气体传感器进行失效模式影响及危害度分析(FMECA)及故障树分析(FIA),确定气体传感器的可靠性薄弱环节及其重要度，结合传感器的典型工作环境，对薄弱环节的失效机理进行分析，建立了传感器失效物理方程，为传感器可靠性试验方法的制订及试验数据的统计分析奠定基础。以传感器薄弱环节失效机理的分析结果为依据，研究气体传感器的可靠性强化试验方法，制定试验方案，并对试验结果进行了分析，以传感器失效机理不变的为前提,确定了传感器寿命试验的强化应力，并对气体传感器进行寿命试验。用适当的统计分析方法对试验数据进行统计分析，确定气体传感器的寿命分布类型和选取待估计的可靠性指标，通过环境因子理论，获得气体传感器在正常应力条件下的可靠性指标的估计值。对己经开展的气体传感器可靠性研究工作进行总结，并指出了气体传感器可靠性研究中需要进一步研究的内容及本课题的下一步工作方向。2气体传感器可靠性分析本章首先对LNG气体传感器的结构、原理进行了分析，之后采用故障模式影响及危害度分析(FMECA)及故障树分析(FIA)技术，对气体传感器进行可靠性分析，鉴别其故障模式、失效机理，确定了气体传感器的可靠性重要件和关键件以及薄弱环节，对传感器可靠性薄弱环节的失效机理进行了分析。在对气体传感器失效物理分析的基础上建立了气体传感器在电应力作用下的失效物理方程，为制定气体传感器可靠性强化试验方案及寿命评估奠定了基础。2.1气体传感器结构、原理分析该微双桥催化LNG气体传感器为新型A12O3基催化燃烧式气体传感器，其采用MEMS技术工艺，将电化学生长的AI2O3膜经化学处理、涂胶、光刻、微加工、剥离、改性、热处理等工艺制作成微双桥结构，作为Al2O3-H2PdCl2-ThO-S1O复合催化剂的载体,实现将带有催化剂的敏感元件(俗称黑件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白件)单片集成，制作出的LNG气体传感器〔呦。图2.1为气敏元件结构示意图，图2.2为气敏元件二次封装样品。P(膜补偿元件PtPdP收催化兀件(a)P(膜补偿元件PtPdP收催化兀件(a)传感器芯片(b)传感器结构图21气敏元件结构示意图图12气敏元件二次封装样品微双桥催化LNG气体传感器的工作机理是在催化剂的作用下，可燃性气体（H2,CO,CH4等）与空气中的氧发生反应，产生反应热（无焰催化燃烧热），使敏感元件内部温度升高，钳丝电阻值相应增大。因此，只要测定敏感元件钳丝的电阻变化值，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，单纯使用钳丝线圈作为检测元件的传感器寿命较短。因此,实际应用的检测元件都是在钳丝圈外面涂覆一层氧化物触媒，这样既可以延长使用寿命，乂可以提高检测元件的响应特性。图13催化燃烧式气体传感器桥式电路微双桥催化LNG气体传感器的桥式电路如图2.3所示，图中比是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿由环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，为可燃性气体在检测元件F】上发生氧化反应提供所需要的温度，须在F】和F?上保持（100〜200）niA的电流。当检测元件F］与可燃性气体接触时，剧烈的氧化作用释放出热量使检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A,B间产生电位差E,则有：E=K（险）卑（2.1）式中：E——电桥A点与B点的电位差;

K-灵敏度系数；Rf2—补偿元件电阻；Rfi-敏感元件电阻；-——敏感元件电阻变化量。补偿元件F?和检测元件Fi的电阻比Rf/Rh接近于1,A、E两点间的电位差E近似与血F成比例，而力Rf与可燃性气体氧化反应热成比例。AIL=fitAT=(z—=aam—(2.2)CC式中■•a-检测元件的电阻温度系数；4T可燃性气体催化燃饶所引起的温度增加值；4H可燃性气体催化燃烧产生的热量；C-检测元件的热容量；Q—-可燃性气体的燃烧热；m——-可燃性气体的浓度；a-由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。由于a,C,a的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关，Q是由可燃性气体的种类决定的，若令K=wQ/C,在一定条件下，K是定值，则有:E=kn(23)式中：E——电桥A点与B点的电位差；K——比例系数；m气体浓度；即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成正比。如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得A、E两点间的电位差E,由此可求得空气中可燃性气体的浓度。

2.2气体传感器失效模式影响及危害度分析失效模式影响及危害度分析技术(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis,FMECA)旨在分析产品各组成单元潜在的失效模式及其对产品功能的影响，并按严酷度予以分类，判断每一个故障模式对系统影响的致命程度，定量对系统可靠性进行分析，并找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施［刈。它包括故障模式分析(FMA)、故障效应分析(FEA)和故障致命度分析(FCA)oFMECA可以看作是故障模式及影响分析(FailureModeandEffectsAnalysis»FMEA)的一种扩展和深化阿。FMECA最早出现在20世纪50年代，美国格鲁门公司将其应用于研制飞机主操作系统。当时只进行了FMEA,未进行FCA,仅属于定性分析，但取得了良好效果。在20世纪60年代，FMECA技术主要用于航天工业中系统部件的可靠性和安全性评估，美国国防部相继颁布了美军标MIL-STO-1629《船舰故障模式、影响及危害性分析》及MIL-STD-2070《航空设备的故障模式、影响及危害性分析程序》〔甸。到80年代后期，FMECA进入微电子行业，并出现过程FMECA方法。我国于92年颁布了GJB1391-1992《故障模式、影响及危害分析程序》，现已更新为GJB/Z1391-2006《故障模式、影响及危害性分析指南》，该指南适用于产品寿命周期整个阶段，补充了软件和过程FMECA的内容，并提供了FMECA在可靠性、维修性、安全性、测试性和保障性工程中大量的应用案例［切。对于本文研究用的气体传感器由气敏元件以及电路部分组成，其中气敏元件是传感器的主要部分，主要由钳丝、载体、基片组成，其可靠性框图如图2.4所示。组件级分组件级图24组件级分组件级图24气体传感器可靠性框图由图2.4可得出气体传感器的可靠度为R(t)=兀⑴％(t)&(t)%(t)%(t)(2.4)其中%(t)=RD1(t)RD2(t)KD3(t)RD4(t)RD5(t)RD6(t)(2.5)在总结调研资料和查阅相关气体传感器可靠性与故障的文献后，确定气体传感器发生故障主要由两部分组成即敏感元件和电路部分，其中敏感元件部分失效对气体传感器危害度最大，表2.1给出了LNG气体传感器的FMEA表格。表11LNG气体传感器FMEA分析设备名称功能失效模式失效原因失效效应失效检测改进措施LNG气体传感器检测LNG气体浓度无输出加热丝开路敏感体破裂罩孔堵塞内引线开路、短路调理电路失效连接器失效传感器不工作体视显微镜数字表加固焊点增加筛选应力优选元件优先连接器输出漂移加热丝材料老化加热丝电压变化敏感材料老化元器件性能漂移测量精度超差试验测试优选材料加强工艺规范灵敏度低工作温度低敏感材料老化气路不通测量精度超差试验测试加强制粉工艺规范响应时间慢敏感材料老化气路不通工作温度低反应慢秒表加强二防设计从上表可以看出气体传感器失效模式主要有以下儿种形式：无输出、参数漂移(零点时漂、温度漂移)、灵敏度降低、响应时间慢等。结合上表总结以及中电49所的工程设计人员提供的经验可知传感器的可靠性薄弱环节是传感器气敏元件。2.3气体传感器故障树分析故障树分析（FaultHeeAnalysis,FIA）是安全性与可靠性分析中最常用的方法之一，其包括故障树的建造、定性分析和定量分析。FIA是一种演绎的分析方法，它开始于系统及的一个不期望事件（顶事件），通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统失效原因的各种组合方式及其发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计方法［刃。F7A最早出现于20世纪60年代，由美国贝尔电话研究的H.AWaston提出，用于导弹的发射控制系统的安全性分析。后來，波音公司的Hassl、Scluoder和Jackson等人进行了用电子计算机可以模拟FTA的修正，使其能用计算机处理，推动了FTA技术的迅速发展。1965年，D.FHassl等在由华盛顿大学和波音公司联合主持的一次系统安全性学术会议上发表的儿篇有关FTA的论文，标志着FTA技术在航空工业、核能工业及其它工业作为一种可靠性和安全性分析的方法而受到重视的开端。此后，在用FTA法解决实际问题的过程中，FTA理论得到补充和进一步的完善。1979年开始，国际可靠性和维修性技术委员会开始制订FTA方面的标准。我国于80年代初开始研究FTA,并于87年颁布了GB7829-1987《故障树分析程序》，从此开始了规范应用故障树分析（FTA）技术。2.3.1气体传感器故障树定性分析通过对气体传感器进行相关试验及调研其使用情况，做出传感器的故障树如图2.5所示。

传感器故障树的定性分析实质上是确定系统的故障谱，即最小割集(MCS)族(对单调关联故障树)或质蕴涵集(PIS)族(对非单调关联故障树)。定性分析常用的方法有上行法和下行法，本文利用下行法求气体传感器故障树最小割集，如图2.6所示。

{刈眞噴腹{刈眞噴腹X10X11X12X13X14X13X14X17X18心X14X15X16X19X15X16图26气体传感器故障树最小割集分析由图2.6可以看出，气体传感器故障树最小割集为{XJ,{X2},,{X20}o2.3.2气体传感器故障树定量分析在求得故障树的全部最小割集后，如果能够对故障树中所有最低层事件的概率做出推断，则可进一步进行定量计算。故障树定量分析的目的就是利用故障树模型，根据各最底层事件可能发生的概率计算顶事件发生的概率、底事件概率重要度、底事件关键性重要度，从而得到气体传感器的薄弱环节，为可靠性强化试验方案的制定奠定基础。通过研制及生产过程、环境试验、寿命试验、稳定性试验及使用情况统计结果，故障树底事件发生的概率如图2.5所示，分别为：P(召)=0.0015P(X.)=P(X6)=0.0003P(X3)=0.0025P(X4)=P(X13)=0.0002P(X5)=P(X2O)=0.001P(X7)=0.0005Pg=P(®=P(X10)=PgJ=P(X12)=P(X15)=Pg?)=P(X】9)=0.0001P(X14)=0.003P(召6)=0.0035P(X1S)=0.002顶事件发生的概率由2.3.1节分析结果可知，气体传感器故障树顶事件与底事件的关系为20TOC\o"1-5"\h\zT=工兀(2.6)1=1由于故障树的最小割集一般是相容的，在求顶事件发生概率时，一般将式(2.6)化为互补相交的布尔和T=X1+f(2.7)i=2j=l则顶事件的概率表达式为_>20i-1Q(P)=Pi+工(帀沁(28)x=2j=l式中,P=[P(X1),P(X2),-,P(X19)],=P(\),q=l-Ro由式(2.8)可求出顶事件的概率，即不可靠度为Q(P)=0.0015+(1-0.0015)x0.0003+(1-0.0015)x(l-0.0003)x0.0035+(1-0.001>5)-(l0.0(00-3)(1>0.003=0.01668底事件概率重要度底事件发生概率变化引起顶事件发生概率变化的程度称为概率重要度.(兀)，其数学定义为

(2.9)(2.9)式中，P’为底事件发生概率，q（3）为顶事件发生概率。L(XJ=->

L(XJ=->

西(P)

°(P1)20i-1"-P?-工(口①疋i=3j=2=l—0・00Z-<10.0003)G-心0・98z同理可计算出每个底事件概率重要度分别为Ig（X；）=0.9848.（荃）=1/咨）=0.9836Ig（X3）=0.985816（^）=16（^3）=0.9835Ig（X5）=Ig（X20）=0.9843Ig（X7）=0.9838\（冬）=1&（禺）=1&（捡）=.（冷）=1（忑.（冯4）=0.9863L区§）=0.9868•（*）=0.9853由计算结果可以看出看，材料性能变化、加热丝断路及基片碎裂等底事件发生时，对顶事件发生概率影响最大，在设计过程中，首先降低底事件概率重要度大者，对提高可靠性明显。（3）底事件关键性重要度底事件关键性重要度的数学定义为

冬I(Xi)冬I(Xi)=£lnQ(P)=QclnP](2.10)它与底事件概率重要度的关系为(2.11)Ic(兀)=斗1/管)(2.11)Q(P)由(2.11)式可知各底事件关键性重要度为Ic(^)=0.08857Ic(X2)=Ic(X6)=0.01769Ic(X3)=0.1478Ic(X4)=Ic(X13)=0.01179丄(兀)=1」耳)=°°5902Ic(X7)=0.02949Ic(^)=Ic(X.)=Ic(捡)=Ic為)=Ic(0)=Ic(兀)=Ic(X17)=Ic(X19)=0.00591X^)=0177410(^6)=0.207110(^8)=0.1182从计算结果來看，材料性能变化、加热丝断路及基片碎裂关键性重要度较大，它表明触发顶事件发生的可能性大，是气体传感器的薄弱环节，因此，在可靠性强化试验方案制定过程中，应主要针对加热丝、基片和敏感元件材料进行试验方案设计。2.4气体传感器失效机理探讨由2.2节及2.3节的分析,总结出传感器薄弱环节的失效模式有:①钳丝失效;②氧化铝载体失效；③催化剂失活。其中催化剂失活是造成传感器输出漂移的主要原因，而失效原因之外壳气孔堵塞，主要发现于污染严重的实际工况中，在正常环境条件下，此种失效概率很小。2.4.1钳丝失效机理在本文研究的LNG气体传感器中，钳丝通过热压焊与接线柱互联，其作用主要有：①提供甲烷催化燃烧反应所必须的温度；②测量甲烷催化燃烧过程中载体表面温度变化。在工作过程中，钳丝主要失效模式有两种：阻值增大和断裂。钳丝阻值增大：经对失效产品解剖分析，发现钳丝阻值增大的主要原因有:①钳丝在高温环境下由于升华作用使钳丝变细，阻值增加；②由于钳丝和接线柱等骨架材料的热膨胀系数不同，在高温作用下，钳丝中会产生额外的应力及电阻，使阻值增大；③钳幺幺的微观结构及其内部的各种缺陷，引起电子散射，导致电阻率增加，钳丝阻值增大。钳丝断裂：钳丝断裂失效主要发生在振动或冲击应力的作用下，经对失效产品解剖分析，发现钳丝断裂的主要原因有:①钳丝在工作过程中可能接触到还原性气体，如H?,CO等。在高温作用下，这些还原性气体能很快渗透到钳丝内部，导致钳丝力学性能发生退化，钳丝变得易脆断；②在钳丝与接线柱通过焊接互联后，由于钳丝与接线柱直径不匹配以及残余应力存在或不消除，导致钳丝表面产生裂纹，成为焊接失效的隐患；③钳幺幺和接线柱之间在高温下生成某些金属间化合物，从而使焊接强度降低。2.4.2化铝载体失效机理从对失效试件的分析來看，氧化铝载体失效的主要原因为烧结造成的失效，扩散和迁移是主要的烧结机理［⑴。在长期高温的作用下，氧化铝载体表面和内部原子、分子和离子发生扩散和迁移，•卜A1?O3晶体转变成卜A1?C>3或4AI2O3晶体，表面小晶粒之间接触面增加，形成互相连接的“颈部”，随着时间的增加，这些“颈部”互相交错，形成封闭的孔，从而使氧化铝载体表面积和气孔率减少，造成对催化剂的遮蔽现象。其烧结过程如图2.7所示。图2.7氧化铝的烧结过程2.4.3催化剂失活机理根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于1981年提出的定义，催化剂是一种物质,它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由熔变化。这种作用称为催化作用，涉及催化剂的反应为催化反应［切。由上述定义可知，催化剂是通过降低活化能、改变反应路径來加快或减缓化学反应速率，而本身并不消耗的物质，它不能改变反应的平衡状态，反应后退出反应体系，自身性质无改变。但实际上由于诸多因素的影响，在参与化学反应之后，催化剂的某些物理和化学性质己经发生了变化，导致催化剂在使用过程中活性逐渐下降，这种现象称为催化剂失活，进而导致催化燃烧式气体传感器无信号输出。催化剂失活是一种复杂的物理化学变化过程，Forzatti等曾就催化剂失活原理，原因及数学描述进行了详细的论述［54］,Butt也从催化剂失活所涉及的反应，反应器动力学及传质动力学等方面作了详细的论述［旳。影响催化剂失活的原因很多，Camaxob等把它们基本归纳为两类：一是化学变化引起的失活；二是结构改变引起的失活。Hegedus等归纳为三类:即化学失活、热失活和机械失活；Huglies则归纳为中毒、堵塞、烧结和热失活〔⑴。对于本文研究的LNG气体传感器，通过环境试验及寿命试验，其催化剂失活机理可分为以下三类：烧结、结焦、中毒图】。烧结造成催化剂的失活催化剂的烧结是指由高温引起的催化剂结构和性能的变化，造成催化剂活性中心的减少。氧化铝载体在长期高温作用下，比表面积大大减小，载体内部孔道变窄或堵塞，引起部分催化剂被A1?O3载体被包埋和部分内部的催化剂无法与瓦斯气体接触。同时烧

结也会导致催化剂晶粒长大发生聚集，使得催化剂分散度降低，活性下降。高温也会使催化剂产生挥发和升华现象。烧结导致催化剂失活有以下4种方式。(a)烧结引起的御孔封闭礎吉引起的催北剂聚奂〔c)烧^引起的催北剂高温挥发或片华(d)(a)烧结引起的御孔封闭礎吉引起的催北剂聚奂〔c)烧^引起的催北剂高温挥发或片华(d)廃结引起的催化剂枝载体包理图18烧结造成催化剂的失效结焦造成催化剂的失活催化剂表面上的含碳沉积物称为结焦。LNG成分中除含甲烷外，还有丁烷、乙块

等有机绘，炷类燃饶时会在催化剂表面沉积焦炭，从而使与外界气体的催化剂活性中心减少，其失活机理如图2.9所示。未焦化微孔(a)未结焦的催化剂①)结焦的催化剂焦化傲孔未焦化微孔(a)未结焦的催化剂①)结焦的催化剂焦化傲孔图2.9焦化引起的催化剂失活中毒造成催化剂的失活催化剂的活性由于某些有害杂质的影响而下降称为催化剂中毒，这些物质称为毒物。根据毒物和催化剂相互作用的性质和强弱程度可分为可逆中毒和不可逆中毒。可逆中毒可釆取适当的方法除去毒物，不会影响催化剂的性质。对于不可逆中毒，毒物与催化剂活性组份相互作用，形成很强的的化学键，从而造成催化剂的失活。LNG成分中所含的微量的H?S、SO?、NO：＜以及反应后产物CO都可以使催化剂发生中毒，随着时间的延长，中毒区域会慢慢扩大，最终导致催化剂全面中毒。中毒引起的催化剂失活机理如图2.10所示，P是毒性物质，A为反应物甲烷。•門严严•門严严图210中毒引起的催化剂失效2.5气体传感器失效物理方程在LNG气体传感器工作时，由于气体成分的复杂性和工作的高温环境，随着催化反应的进行，催化剂的活性会逐渐减小。在催化剂活性稳定期内，其反应速率仅取决于操作条件；在催化剂活性衰退的时候，反应速率随着活性的衰退而下降，活性的变化乂与其它多种因素有关。对于一个催化反应而言，其反应速率可用下式来表示-7A=kCV(2.12)式中：k—反应速率常数；C’一反应物浓度；11一反应级数；〃一催化剂有效因子，当载体内无扩散阻力时〃=1;4一催化剂相对活性，其定义为一-/a_某一时刻反应物A在催化剂上反应速率"一莎一反应物A在新鲜催化剂上的反应速率(J某一时刻反应物A在催化剂上反应速率—仏与时间t相关，上式可改写为-从)-久(0-从)-久(0)(2.14)催化剂活性随时间减小的典型的关系曲线如图2.11所示。0.0〜―rt图211催化剂的活性和时间的关系对于多相催化反应，其失活动力学通常可用下列两个方程來表示：反应速率方程式(也称主反应速率方程式)一％=O(C,T,q)(2.15)失活速率方程式-人=q(C,T,q)(2.16)式中：T—温度；对于大多数反应过程，在符合函数可分性的条件下，可将(2.15)、(2.16)改写为(2.17)一乙=^(CJk/Cnp?©)(2.18)式中，$、2、Pi、P2通常可用幕函数形式表示；ki、k?可用Anheiiius关系式表示。LNG的主要成分是甲烷，对于甲烷的催化燃烧反应，考虑到分步化学反应动力学机理的复杂性，本文应用的是甲烷催化燃烧的总反应式ch4+o2co2+h2o催化剂在失活前，催化剂表面进行的是催化非均相氧化反应。X.Song等人［殉通过实验得到的甲烷催化非均相氧化反应速率经验公式为E-/a=-K-CCHt•cf=%exp(-—)CCHC^(2.19)K1S式(2.19)中催化剂活性在刚开始时为1,随着反应时间而逐渐下降。失活速率可写为一人=一罟=kdexp(-需^兀甲c£•aAatK1s(2.20)式中：d—失活级数b—失活反应速率常数

Ed-失活活化能花一载体表面温度R—摩尔常数在正常环境下，空气中甲烷和氧气的浓度及失活级数为常数，令'A=kd-CCH/C°25.adR则(2.20)式可化简为一人=Aexp(—%)(2.21)初始时刻催化剂的活性因子退化量v(0)为0,则t时刻后催化剂的活性因子退化量v(t)=v(0)+(-/d-v(t)=v(0)+(-/d-t)=Aexp(-%)t(2.22)经变换并令d=譽，即可得气体传感器寿命与载体表面温度的关系(2.23)由上式可看出，气体传感器寿命与载体表面温度满足Arrhenius方程。2.6本章小结本章首先对气体传感器的结构、原理进行了分析，之后采用FMECA分析方法，对气体传感器进行了失效分析，画出了气体传感器FMEA表格，总结了气体传感器失效的主要原因。采用FIA分析技术定量分析了气体传感器的不可靠度、底事件概率重要度及底事件关键性重要度，得出了气体传感器的薄弱环节，并对其薄弱环节进行了失效分析，建立了失效物理方程，为传感器可靠性强化试验方案的制定及寿命评估奠定了基础。

3气体传感器可靠性强化试验本章在承接上一章对气体传感器可靠性分析的基础上，根据可靠性强化试验的原理，针对气体传感器薄弱环节进行了试验方案设计，分析了LNG气体传感器在典型工作环境中的敏感应力，研究了LNG气体传感器的可靠性强化试验方法，并结合具体的试验条件设计了强化试验方案，对LNG气体传感器进行了可靠性强化试验。3.1气体传感器可靠性强化试验原理气体传感器可靠性试验的目的是通过试验过程中所获得的有关气体传感器的失效信息来对其可靠性指标进行估计。在可靠性试验中，如不采取强化应力方法，试验时间较长，不禁耗费大量的时间和资源，而且过长的试验时间使试验本身的意义受到影响。因此，必须通过恰当的方法來缩短气体传感器可靠性试验的时间，可靠性强化试验正是这样一种能加速试样发生失效的可靠性试验方法。在可靠性强化试验中所涉及的应力范围不同，需要不同的术语來描述其各种应力极限，在寿命试验中应根据各种应力极限合适选择加速应力，以达到缩短时间的目的。可靠性强化试验中各应力极限大小关系如图3.1所示Bl,其中工作极限是指产品在该极限内能正常工作，超出该极限则工作异常的工作应力极限；破坏极限是指产品能在其范围内工作而不出现不可逆失效的应力极限。工作极限和破坏极限可通过步进应力试验测定。r-碱坏极限上限工作极限上限J设计极限上限技术规范极限上限应力技术规范极限下限ESSRET应力技术规范极限下限ESSRET设计极限下限工作极限下限—y破坏极限下限5图3.1各种应力极限应力示意图气体传感器的可靠性强化试验是在不改变传感器失效机理的前提下提高气体传感器的试验应力水平，使其在比正常使用环境苛刻的试验条件下工作，从而使气体传感器可靠性的薄弱环节，如传感器敏感元件、集成电路模块以及其他零部件快速地发生失效,从而在很短的时间内获得试验结果，大大缩短试验时间，提高试验效率，就达到了快速评价气体传感器可靠性水平的目的。3.2气体传感器可靠性强化试验方法为了尽量地减少试验费用，必须制定科学、高效的可靠性强化试验方案。一个完整的试验方案包括试验层次的确定、失效机理分析、试验剖面设计、试验样品选择、试验结果处理等内容。其中失效机理分析是制定高效率试验剖面的理论基础。试验剖面设计是整个试验过程的核心内容，它决定了试验应力选择、应力施加方式及顺序、应力综合方式和试验停止原则等，它直接影响到试验的效率与消耗网，在实际应用过程中，需要结合具体试验对象和试验要求來设计相应的试验剖面。3.2.1试验应力选择在强化试验中，不同的应力诱发不同的失效机理，并且相同的失效机理也可由不同应力所诱发，因此在制定试验方案时要根据不同的试验目的选择相应的应力类型。图3.2是由G.K.Hobbs建立的缺陷/激励关系模型图，它表示环境激励与可激出缺陷的关系。然而，要在可靠性强化试验中要选择有效的应力类型，还必须依靠经验和试验验证以及分析产品的环境条件和工作条件。图32坏境激励弓可激出缺陷之河的关系图3.3是对12种环境应力加权评分后得到的试验效果比较图。从图中可以看到，温度循环是最有效的筛选，其次是随机振动、高温和电应力冈］。加速度加速度潮湿机械冲击打描止弦振动低温宦须止弦振动宦须止弦振动热冲击电应力随机撮动0501001502002503003®加权分值图3.3各种应力试验效果比较在气体传感器的可靠性强化试验当中，要加快气体传感器的失效过程，关键在于选用何种类型的试验应力以及这种应力的水平如何确定。恰当的试验应力及其应力水平的选取，应当以气体传感器的实际工作环境为基础，分析工作环境中的何种因素能够加快气体传感器失效的发生，并选取该因素作为强化因子，增强其应力水平，形成高于正常工作环境应力的强化试验应力，从而使得气体传感器的失效在强化试验应力下被迅速的激发出來且不改变气体传感器的失效模式与机理。通过对LNG气体传感器进行FMECA及FTA分析并结合工程经验，己经得出了传感器的可靠性薄弱环节是传感器敏感元件的加热丝、基片及敏感元件材料部分，其主要的失效模式是加热丝断裂阻值增大、载体材料性能变化及催化剂失活。由第三章分析可知，引起加热丝断裂、加热丝阻值增加、载体材料性能变化、催化剂失活的敏感应力有温度、振动、冲击及电应力。因此，要加快LNG气体传感器失效要进行四种环境应力的可靠性强化试验即温度环境、振动环境、冲击环境及电应力环境的可靠性强化试验。所以确定温度、振动、冲击及电应力为可靠性强化试验的敏感应力。在选定了敏感应力后，还需要确定敏感应力的应力水平。在确定应力水平时应符合:所选择的应力水平不能改变气体传感器在正常工作环境下的失效模式和失效机理原则。然而保证这个原则的前提条件是进行LNG气体传感器预试验从而找到气体传感器的工作极限应力和破坏极限应力，最终确定恒定应力试验的应力量级。3.2.2应力施加方式及施加顺序可靠性强化试验的核心是不模拟真实环境，而是对产品施加大大超过设计规范的极限应力，逐步增加，直至产品的工作极限和破坏极限。其应力施加示意图如图3.4所示,这些应力可以是环境应力，如温度、振动、湿度，也可以是工作应力，如电压，也可以是这些应力的组合。在应力步进施加过程中，应力步长和应力持续时间是两个关键性的问题，起始应力通常处于正常工作应力和规范应力极限之间。减小步长、r8破坏极限工作极限技术耍求时间图344靠性强化试验步进应力施加示意图对于应力施加顺序，不同的加载顺序对试件的失效有很大影响。可靠性强化试验属破坏性试验，为降低试验费用，试验一般釆取小样本（典型4到6个），因此，为尽可能多的从小样本中获取尽可能多的信息，应先施加破坏性比较弱的应力类型，然后施加破坏性比较强的应力类型。对于热应力、振动应力、电应力而言，这意味着试验按照这样的顺序进行：低温、电应力、高温、快速温变、振动，然后是电应力、温度和振动综合应力。3.2.3试验停止原则可靠性强化试验是通过不断地增加应力量级，不断重复“试验一修正一再试验”这一过程，从根本上提高产品的可靠性。在试验阶段，当出现以下三种情况则可停止本阶段试验：全部零件都失效；应力水平远远超过了所要求的应力水平；新的失效机理或不相关失效开始出现。对于整个试验过程，不断重复“试验一修正一再试验”并不意味着试验过程永不休止，图3.5所示的是可靠性强化试验带來的经济效益与试验费用之间的

关系，由图中可以看出，当试验达到一定阶段，继续试验所带來的经济效益将不再有显著性的增长，此时应及时停止试验过程。经济说总经济说总曲熟产品试验费用图35可靠性强化试验中费用效益关系3.3气体传感器可靠性强化试验方案设计气体传感器可靠性强化试验的目的是通过对受试产品施加强化应力，暴露产品设计、工艺、材料和元器件等方面的各种缺陷，利用可靠性强化试验数据对气体传感器进行可靠性评估，并得出气体传感器的可靠性特征值。本文以LNG气体传感器为研究对象，该气体传感器技术状态基本稳定，并具备产品技术规范要求的功能和性能，其主要技术参数如下：额定电压5VDC,测量范围0%〜2%(V/V),额定输出1〜3.0VDC,精度S±5%FS,响应时间S20s。3.3.1试验方案设计为了达到通过试验发现产品温度、振动、冲击及电应力工作极限，进而找到产品工作破坏极限，为恒定应力试验设计确定提供依据，本次可靠性强化试验采用如图3.6所示的方案开展实验。首先，在进行温度、振动及冲击步进应力试验前，应对可靠性试验设备进行空载测试，了解试验设备对温度、振动及冲击应力的控制情况，从而确定产品在设备中的摆放位置。第二，投入两组试验样本，对其实施高、低温温度步进应力试验，用以发现产品温度工作极限及破坏极限。第三，若在温度步进应力试验中没有发现产品的温度破坏极限，则将温度步进应力试验中的全部试验样本投入振动步进应力试验。否则，重新投入一组样本，寻找产品振动工作极限和破坏极限。第四，在产品电应力步进试验中，重新投入两组试验样本，用以寻找电应力工作极限和破坏极限。第五，若在电应力步进试验中没有发现产品的电应力破坏极限，则将电应力试验步进中的全部样品投入冲击步进应力试验，否则，重新投入一组试验样本，寻找产品冲击应力的工作极限及破坏极限。第六，对产品步进应力试验结果进行失效分析，寻找与正常环境下失效机理一致的强化应力，并根据步进应力试验结果制定恒定应力试验方案，对产品进行寿命试验，为产品的可靠性评估提供统计数据。3.3.2试验剖面设计温度应力试验基于常规试验设备的温度强化试验包含低温和高温步进应力试验。试验前需根据产品的情况设定高温和低温的截止温度，当达到截止温度后还没有发现产品的破坏极限，则可以停止此步试验，将样本投入下步试验。a)低温步进应力试验投入试验样本3个，从10°C开始，步长为-10°C,釆用设备最高降温速率。每个阶段在温度稳定后开始功能和性能测试，之后进行5次通断电测试，保证每次测试其功能和性能可以完全恢复。当产品性能出现较大变化时，改变步长为-5°C,直至找到工作极限,当找到工作极限后将步长改为-2°C,直至找到破坏极限，试验剖面如图3.7所示。(nun)图3.7低温步进试验剖面图注：匕表示温度稳定时间(产品完全冷透所需要的时间)，t?表示功能性能检测和5次通断电测试时间。b)高温步进应力试验投入试验样本3个，从30°C开始,步长为+10°C,采用设备最高升温速率。每个阶段在温度稳定后开始功能和性能测试，之后进行5次通断电测试，保证每次测试其功能和性能可以完全恢复，直至找到被测产品的工作极限，当找到工作极限后将步长改为+2°C,直至找到破坏极限，试验剖面如图3.8所示。图38高温步进试验剖面图注：b表示温度稳定时间（产品完全热透所需要的时间），t?表示功能性能检测和5次通断电测试时间。（2）步进应力振动试验试验在常温下进行，投入6个样本。起始振动为2Grms,振动频率带宽在20Hz-2000Hz范围内，步长为2〜5Grms,使用加速度传感器监测产品的振动响应。每个台阶保持ti分钟后先进行功能和性能测试，之后再进行5次通断电测试，保证每次测试其功能可以完全恢复，直至找到被测产品的工作极限和破坏极限。如果振动量值到截止振动量（例如30Gnns）时还没有发现工作极限或破坏极限，则可以停止此步试验。试验剖面如图3.9所示，振动谱型釆用GB2423.11-1997《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Fd宽频带随机振动一般要求》中的参考谱型，如图3.10所示。图39振动步进试验剖面图注：h表示试验台振动时间，如表示功能性能检测和5次上卞电功能测试时间。若应力施加方式为单轴，则持续时间匕应不小于1Omin,如果是应力施加方式为三轴，则持续时间h应不小于5min。+33B、、-6JB/otcSX、、-3dK10Hz2000Hz一图3.10振动应力谱型电压步进应力试验电压步进应力试验的试验对象为气体传感器气敏，其包含高电压和低电压步进应力试验。试验前需根据产品的情况设定高电压和低电压的截止电压，试验过程中在达到截止电压后还没有发现产品的破坏极限，则停止此步试验，将样本投入下步试验。a)低电压步进应力试验投入试验样本3个，从2.0V开始，步长为O2V,每个电压阶段保持2min后开始功能和性能测试，试验直至找到被测产品的工作极限。当找到工作极限后将步长改为O.1V,直至找到破坏极限，试验剖面如3.11所示。图311低电压步进应力试验剖面b)高电压步进应力试验投入试验样本3个，从2.2V开始，步长为+0.2V,每个电压阶段保持2min后开始功能和性能测试，试验直至找到被测产品的工作极限。当找到工作极限后将步长改为O.1V,直至找到破坏极限，试验剖面如3.12所示。图312高电压步进应力试验剖面冲击步进应力试验冲击试验的主要试验设备有落锤式冲击台(4万g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉冲击试验(4万g以上)，本文釆取落锤式冲击台。投入一组试验样本3个，从100g开始，步长+200g,每次冲击后进行功能和性能测试，试验直至找到被测产品的工作极限。当找到工作极限后将步长改为100g,直至找到破坏极限，试验剖面如图3.13所示。电压恒定应力试验根据对气体传感器失效机理及步进应力试验结果分析，发现电压步进应力试验激发的失效模式与正常环境下失效模式一致，即在电压的作用下，出现钳丝由于高温而变细、氧化铝载体表面气孔减小、催化剂失活等失效模式，故本文采取电应力作为恒定应力的加速应力。本文釆取3组加速应力，根据电压步进应力试验结果，选取电压应力强度分别为2.3V、2.5V和2.8V,每组样本数7个，釆用完全寿命试验方法。实时检测传感器的工作状态，如果发现传感器工作失效则记录传感器的寿命时间，当产品全部失效后后进入下一级应力试验，其试验剖面如图3.14所示。电压/V2.8V2.5V2.3V►”小时图3.14电压恒定应力试验剖面3.3.3试验失效判据参数漂移在LNG气体传感器失效模式中占有一定比例。其中本文主要讨论零位输出随强化应力变化而产生的漂移，根据LNG气体传感器的精度指标，LNG气体传感器随强化应力变化零位输出失效判据为：—<0.5%(3.1)其中：AU为对应强化应力变化所产生的零位输出变化值；Ufs为传感器的满量程输出。即在强化应力的作用下，传感器零位输出变化量超出UfsX5%时，判定为失效。LNG气体传感器没有输出即输出为零。3.3.4试验过程试验开始前，搭建测试系统，将传感器安装在试验仪器上，测试传感器的性能信号(传感器的零位输出)获得试样正常的工作指标(试样在室温环境下零位输出为IV,传感器零位输出的电压信号随着环境的不同，有一定的范围波动)，并将数据线引出与测试系统相连接从而进行实时监测。传感器在实验箱仪器上安装方式见图3.15。根据LNG气体传感器外壳结构，可将传感器通过螺钉固定在试验台(箱)内，测试系统是由恒压源和高精度万用表组成。该恒压源可同时接入10套传感器，从而实现实时监测的功能。

图3.15气体传感器可靠性强化试验仪器3.4气体传感器可靠性强化试验结果分析3.4.1温度应力试验结果分析(1)低温步进试验结果分析图3.16为低温步进试验得到传感器零位电压输出幅值变化图。NN孕-SO-40^0-100102030mrc图3.16低温步进试验结果当试验温度从20°C开始以10°C的步长下降至・20°C时，传感器的零位电压基本保持稳定,当试样在・25°C保温30min时，电压突然下降至0.976V。此时，改变步长为・5°C,当试验温度为-40°C,保温30niin时，传感器输出不正常。将试验温度恢复至室温后，传感器的零位电压输出恢复正常，由此可得试样的低温工作极限为-40°C,比设计规范要求的下限低15°Co此时，试探性地将温度以步长为・2°C继续降低，当温度降至-46°C时，传感器的零位电压输出为零，可得传感器的低温破坏极限为-46°Co当在室温下恢

复一段时间后，传感器输出正常。经分析表明，出现此现象是由于气体传感器气敏元件内部无法维持正常工作温度(约500°C),从而导致气体传感器无法正常工作。(2)高温步进试验结果分析图3.17为高温步进试验得到传感器零位电压输出幅值变化图。FF204060301»0120海血叱图3.17高温步进试验结果当试验从30°C开始以1O°C的步长上升至11O°C时，传感器的零位电压随温度的升高而逐渐增加，当试样在11O°C保温30miii时，电压突然上升至1.130V,传感器输出不正常。将试样在室温下恢复一段时间后，传感器的零位电压输出恢复正常，由此可得试样的高温工作极限为11O°C,比设计规范要求的上限高40°Co此时，试探性地将温度以步长为2°C继续升高，当温度升至120°C时，传感器的零位电压输出为零，由此可得传感器的高温破坏极限为120°Co经分析表明，出现此现象是由于气体传感器中单片机出现损坏，从而导致气体传感器无法正常工作。将电路板拆下对气敏元件进行测试，气敏元件工作正常。3.4.2振动步进试验结果分析由于产品的差异性，各个产品的工作极限和破坏极限不同。经对损坏的传感器拆开进行分析发现传感器输出不正常是传感器的气敏元件在振动应力下开裂，导致敏感体热容下降，敏感体温度上升，输出变大，如图3.18所示。图3.18敏感球失效照片由工作极限应力的定义可知，产品工作极限应力和使用环境应力之间的关系决定产品能否正常工作，设产品的工作极限应力为S,使用环境应力为E。在实际工作过程中,S和E都是随机变量，分别服从某种分布，设其分布函数分别为f(S)和h(E)o将两者在同一坐标系中表示，如图3.19所示。当S的均值大于E的均值时，在图中阴影部分的干涉区域就有可能发生S小于E的情况，即失效的情况，则产品的可靠度表示为：R=P(S>E)=P(S-E>0)d八图3.19应力强度干涉模型由于E与S都是随机变量，假设它们之间互相独立，且S服从参数为均、于的正态分布；E服从参数/、加的正态分布。令Z=SHE,则Z服从参数为/z=/z1-/z2,/=另的正态分布。此时，产品的可靠度为：17(z-〃)2R=P(Z>0)=^^expI-^-42]dZ(3.3)^2兀bi2b对于本文所用的LNG气体传感器工作环境为公路运输环境，根据GJB150.16,其环境应力强度大致服从N(1.29,0.13?)的正态分布。由试验测得6个试件的工作极限(均方根值，单位Guns)分别为：19,17,26,12,15,16则样本均值和方差分别为17.5、22.7o分别利用样本均值和方差估计产品工作极限应力分布参数均、of,根据(3・3)式可

得产品的可靠度为:得产品的可靠度为:175-I29R=P(Z>0)=0(_：_=)=0.9996V22.7+0.1323.4.3电压步进应力试验结果分析图3.20(a)为电应力步降试验得到气敏元件零位电压输出幅值变化图。图3.20(b)为电应力步升试验得到气敏元件零位电压输出幅值变化图。>£、「、UnesFllofB□nearFllofB>£、「、UnesFllofB□nearFllofB(a)(b)图3.20敏感体零位电压输出幅值变化图当试验从2V开始以0.2V的步长下降时，气敏元件的零位电压输出随之升高，当电压降低至1.4V时，气敏元件输出上升至1.881I1V,在正常电压应力下恢复一段时间后，气敏元件输出恢复正常。本阶段试验表明，气敏元件电压的工作极限下限为1.4Vo考虑到继续降低电压不能寻找到气敏元件破坏极限，故停止步进试验。当试验从2.2V开始以0.2V的步长增加时，气敏元件的零位电压输出随之降低，当电压升至2.4V时，气敏元件输出下降至-3.03111V,在正常电压应力下恢复一段时间后，敏感体输出恢复正常，由此可知气敏元件工作电压的工作极限上限为2.4VO之后，试探性的继续增加电压值，当电压升高至4.6V时，气敏元件电压输出为IV。恢复到正常电压后，气敏元件输出不正常，因此，确定气敏元件电压破坏极限为4.6V。将损坏的气敏元件解剖分析，发现加热丝已烧断，如图3.21所示。

图3.21敏感体失效照片3.4.4冲击步进试验结果分析图3.22为冲击步进试验得到传感器零位电压输出幅值变化图。[SbI086^21oQ0.O»2-086^21oQ0.O敏感体完好基片震碎正常情况工作极限情况基片震碎敏感体完好基片震碎正常情况工作极限情况基片震碎并脱离戶」效情况020GMO6G0BOD10DO120014CO冲击应力g图3.22冲击步进试验结果当试验从100g开始以200g的步长上升时，传感器的零位电压输出基本保持不变，

当冲击量值增加到HOOg时，传感器输出突然下降至0.863V,在正常环境恢复一段时间

后，传感器输出基本稳定。经解剖分析，气体传感器基片碎裂，导致气体传感器输出异常，如图3.23所示。敏感体引

线断开图3.23敏感体失效照片本阶段试验表明，试样的冲击工作极限为1100g,之后，试探性的改变步长为100g,

当冲击量级为1300g时，传感器输出为0V。经分析发现，气体传感器的敏感体引线断裂，基片震碎并脱离，导致传感器输出为0。3.4.5电压恒定应力试验结果分析按照电压恒定应力试验剖面进行传感器的电压恒定应力试验，得到三组强化应力下LNG气体传感器失效时间如表3.1所示。表31传感器在各电压应力卜失效时河表格效时间/h应力金卜、、tlt2t3t4t5t6t72.8V0.8333116671.66672.00002.16673.00003.66672.5V1421.525.530.54142.55152.3V76120164192228264388在试验过程中各失效传感器的主要失效模式是传感器零位输出漂移严重。出现上述失效模式主要原因是电压所产生的高温环境不仅影响了气敏元件内加热丝电阻，而且使传感器气敏元件内AI2O3载体气孔率减小，催化剂及Pt膜电阻被遮蔽，从而使传感器零点输出漂移。3.5本章小结本章根据可靠性强化试验的原理对LNG气体传感器开展了可靠性强化试验。以气体传感器典型的工作环境为依据，以加速气体传感器的可靠性薄弱环节为目的，并根据强化应力不改变传感器的失效机理或引入新的失效机理的原则，确定了具体的可靠性强化试验方案，通过对试验样品的分析表明强化应力不仅没有改变传感器的失效模式，并且加快了传感器的失效过程，缩短试验时间，提高试验效率。并选取电应力作为强化应力，对21个LNG气体传感器的气敏元件进行了恒定应力试验，得到了三组加速失效寿命数据，从而为可靠性统计分析及评估奠定基础。4气体传感器恒定应力试验数据统计分析本章在上一章对气体传感器恒定应力试验的基础上，对试验数据进行了统计分析，确定了加速寿命方程参数。通过环境因子理论将不同环境下的寿命数据折合到同一环境，研究了同一环境下有限数据寿命分布评价方法，最后利用极大似然法对正常应力水平下传感器寿命进行了评估。4.1基本假设为了得到产品可靠性特征值，需对试验数据进行统计分析，对于大子样数据的处理已有一套较成熟的方法卩7][6叮61],即经典的数值分析方法，首先统计寿命服从何种分布,然后根据试验