CN103616326B

CN103616326B - 通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法

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Publication number: CN103616326B
Application number: CN201310664118.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡金燕; 韩春辉; 张芳; 吕萌; 张国龙
Original assignee: Ordnance Engineering College of PLA
Current assignee: Ordnance Engineering College of PLA
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103616326A

Abstract

本发明涉及一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，步骤包括：（一）试验样品选取；（二）试验样品试验：将选取的试验样品进行试验；（三）试验后对试验样品的处理：试验完成后，通过信号检测选取试验样品的各项数据进行检测；（四）获得雷达的平均使用寿命：通过步骤（三）中测得的各项数据判定雷达线路板在不同环境中的寿命。本发明结构简单、成本低、精度高。本发明适用于对各种雷达线路板进行寿命检测。

Description

通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种获取雷达线路板寿命的方法，具体涉及一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法。

技术背景

近年来，随着科技的不断发展，各个国家对作为国家保护盾的国防武装也越来也重视。而由于现在的国防设备很多以雷达装备作为武器装备系统的主要设备，因此雷达装备性能直接决定国防力量的强弱。

由于雷达装备应用领域的特殊性，因此国防需要雷达装备在使用时能够满足使用要求，达到使用的精度，而现在的环境复杂，雷达装备的线路板受到外界环境的影响，进而影响雷达装备的平均使用寿命，如果环境及其恶劣，雷达装备会极快失效，对国防造成不可估量的影响。

基于上述的原因，要保证国防力量不受影响，就需要工作人员了解雷达装备线路板在所处环境中的失效规律，尽量延长雷达装备的平均使用寿命，为国防提供良好的后援支持。

现有技术中对雷达装备寿命的检测手段比较缺乏，无法提供雷达装备在不同温湿度，以及不同电应力冲击条件下的失效规律，因此不能够分析出雷达装备在不同环境下的平均使用寿命，工作人员也无法获知所雷达装备是否到达平均使用寿命，因此不能有效地进行预防性维修，影响其作战效能的发挥，加大了维修成本和时间，严重削弱我国的国防力量。

发明内容

本发明的目的，是提供一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，能够获知不同温湿度及不同电应力条件下雷达线路板的平均使用寿命，进而可以为工作人员提供不同环境下雷达线路板的失效规律，同时可以为工作人员提供良好的雷达线路板使用环境，尽量延长雷达线路板的平均使用寿命。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，它包括以下步骤：

（一）试验样品选取；

（二）试验样品试验：将选取的试验样品进行试验，在试验期间每隔相同的时间对各个样品的各项数据进行采集，直至试验结束；

（三）获得雷达的寿命：通过步骤（二）中测得的各项数据判定雷达线路板在不同温湿度及电应力下的平均使用寿命。

作为对步骤（二）的限定：所述步骤（二）中对试验样品进行试验的步骤包括：

1）选定影响试验样品寿命的因素：选定温度、湿度，以及电应力作为影响试验样品的试验因素；

2）确定加速退化试验的试验剖面：选定两组试验剖面，其中温度、湿度的组合为一组试验剖面，电应力为单独一组试验剖面，并且试验时两组试验剖面共同作用于试验样品上；

3）确定试验方案：包括试验样本量的大小、试验截止时间，以及检测频率的确定；

4)开始试验，试验中定期采集各个线路板输出的波形参数，直至时间到达停止试验。

作为对步骤2）的限定：所述步骤2）中对温湿度的试验剖面的确定均采用正交试验，包括以下步骤：

（a1）确定试验的最高温度与最低温度，以及最高湿度与最低湿度；

（a2）选取若干个最高温度与最低温度之间的温度值，以及若干个最高湿度与最低湿度之间的湿度值；

（a3）根据步骤（a1）和（a2）选取的数值制作温度与湿度的正交搭配表。

作为对步骤（a2）的限定：所述步骤（a2）中对最高温度与最低温度之间的温度值的确定采用等间隔取值法。

作为对步骤2）的另一种限定：所述步骤2）中电应力的试验剖面的选择包括：

（b1）高压电应力试验；

（b2）电源通断循环冲击应力试验；

（b3）纹波电压冲击试验。

作为对步骤3）的限定：所述步骤3）中试验用的样本数量的选择为：试验样品的体积占试验箱体实际工作内容积的五分之一；试验时间通过定时结尾法确定；试验中对试验样品输出波形的检测频率确定为每隔24小时进行一次检测。

作为对步骤（三）的限定：所述步骤（三）中测得的数据包括：试验样品输出波形的幅度特征量。

本发明由于采用以上技术方案，可以达到如下的技术效果：

（1）本发明通过对多组雷达的线路板进行不同温湿度及电应力条件下的试验，然后试验完成后通过对线路板检测点的输出波形的幅度特征量进行峰峰值检测，并计算，得到不同环境下雷达线路板的失效规律，进而得到不同温湿度及电应力条件下雷达线路板的平均使用寿命，试验步骤简单得到的数据较为精确；

（2）本发明对试验样品进行温湿度试验剖面和电应力试验剖面的综合试验，且设置了多组试验，保证试验的精准性；

（3）试验中采用定时结尾法进行加速寿命试验，得到试验样品的失效时间，令试验得到的数据相对准确的同时能够节省试验花费的成本。

综上所述，本发明结构简单、成本低、精度高。本发明适用于对任何雷达线路板在不同的温湿度及电应力条件下进行寿命检测。

附图说明

图1是本发明实施例的流程框图；

图2是本发明实施例中试验样品的电路原理图；

图3是电应力试验中利用电感实现交流叠加的网络拓扑图；

图4是本发明实施例电应力试验中利用脉冲变压器实现交流脉冲和直流电压叠加的网络拓扑图；

图5是本发明实施例中试验样品输出幅度特征量随时间变化的趋势的曲线图；

图6是本发明实施例中样品输出频率特征量随时间变化的趋势的曲线图；

图7是本发明实施例中样品输出相位特征量随时间变化趋势的曲线图；

图8是本发明实施例中样品输出直流分量随时间变化趋势的曲线图。

具体实施方式

实施例一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法

本实施例提供的一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法如图1所示，包括以下步骤：

（一）试验样品选取。

本实施例中以某型号的雷达装备20Kz的信号发生器为试验对象，所有的试验样品均是通过仿制电路板获得，在仿制过程中要保证仿制的电路板与原板的失效规律保持一致，即按照原来电路板的设计布局进行设计，确保仿制板与原板在功能、外观、设计布局上完全保持一致，具体其如图2所示，包括：三个运算放大器和四个三极管，其中第一运算放大器U1的同相输入端用于与外界的地相连接，同时还通过第一电容器C1用于与外界的+12V电源相连接；反向输入端通过第一电阻R1、第二电容器C2、第二电阻R2的串联电路连接第三运算放大器U3的同相输入端，同时还通过第四电容器C4连接自身的V₊管脚；输出端通过第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6接地，同时还通过第七电阻R7与第三电容器C3的并联电路连接自身的反相输入端，并且通过第三电阻R3与第一稳压二极管DW1、第二稳压二极管DW2的串联电路接地。

所述第二运算放大器U2的同相输入端通过第八电阻R8用于与外界地相连接；反向输入端通过分别第九电阻R9与第五电容器C5、第六电容器C6的并联电路构成的串联电路连接自身的输出端，同时还通过第七电容器C7与第一二极管D1的串联电路连接自身的第八管脚；输出端通过第二电容器C2与第二电阻R2的串联电路连接第三运算放大器U3的同相输入端。

所述第三运算放大器U3的反相输入端连接自身的输出端，输出端通过第十电阻R10用于与外界的地相连接，同时还通过第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第八电容器C8、第十四电阻R14的串联电路用于与外界的+12V电源相连接。

所述第一三极管Q1的基极通过第十四电阻R14用于与外界+12V电源相连接，同时还通过第九电容器C9与第十五电阻R15的并联电路用于与外界-12V电源相连接；集电极用于与外界+12V电源相连接，发射极通过第十六电阻R16用于与外界-12V电源相连接。

所述第二三极管Q2的基极通过第十七电阻R17用于与外界+12V电源相连接，同时还通过第十八电阻R18用于与外界-12V电源相连接；集电极通过第十九电阻R19用于与外界+12V电源相连接；发射极连接第二十电阻R20，然后通过第二十一电阻R21与第十电容器C10的并联电路用于与外界-12V电源相连接。

所述第三三极管Q3的基极通过第十一电容器C11连接第二三极管Q2的基极；集电极通过第二十二电阻R22用于与外界的+48V电源相连接，同时还通过第十二电容器C12接地；发射极连接第四三极管Q4的基极。

所述第四三极管Q4的集电极连接第三三极管Q3的集电极；发射极通过第二十三电阻R23与第二十四电阻R24构成的并联电路用于与外界+12V电源相连接，同时还通过第十三电容器C13用于分别作为本电路正弦解调基带的输出端，以及旋变激励20Hz的输出端。

（二）试验样品试验：将选取的试验样品进行试验，其步骤包括：

1）选定影响试验样品寿命的因素：选定温度、湿度，以及电应力作为影响试验样品的试验因素。

由于雷达线路板性能退化主要受环境应力与电应力等因素的影响，其中环境应力主要有温度、湿度、振动等，而现有的资料表明，环境应力对产品失效影响的比例分别为温度41%，振动29%，湿度18%，沙尘6%，低气压4%，盐雾2%。可见，温度、湿度、振动引发的失效占所有环境应力的88%，且温度应力是引起产品失效的最主要因素，因此本实施例选取温度和湿度作为主要的环境加速应力；同时考虑电应力冲击对装备使用过程中性能退化的影响，因此本实施例还选择了电应力来研究。

2）确定加速退化试验的试验剖面：选定两组试验剖面，其中温度、湿度的组合为一组试验剖面，电应力为另一组试验剖面，在试验进行时，将两组试验剖面同时加设在试验样品上。其包括以下步骤：

（a1）确定试验的最高温度与最低温度，以及最高湿度与最低湿度。

由于最低应力标准与最高应力标准的设置影响试验的时间和试验成本，因此综合权衡考虑，结合样品前期的摸底试验、环境试验、可靠性强化试验，以及相似产品的信息设置来确定，保证最高应力水平不超过改变失效机理的极限应力的80%。本实施例所选取的线路板的最高使用温度为65℃，为保证失效机理不变，同时保证试验结果的准确性，本实施例的最低温度应力选为80℃，最高温度应力选择为110℃。而我国全国范围内的相对湿度变化较大，因此，在此选择极干燥的25%为最低湿度应力，极湿润的85%作为对高湿度应力。

（a2）选取若干个最高温度与最低温度之间的温度值，以及若干个最高湿度与最低湿度之间的湿度值：

为了试验的相对准确，应力水平数不少于4，因此在最高温度应力与最低温度应力之间应再选取至少两个应力值，同理，在最高湿度应力与最低湿度应力之间也应再选取至少两个应力值，随着所选取应力水平数的增加，试验的成本也不断增加，因此，综合多方面原因，本实施例中温度值的选择按照等间隔选取法，分别再选择90℃和100℃；而湿度值的选择采用倒数间隔选取法再选取两个湿度值，分别为55%与65%。

（a3）根据步骤（a1）和（a2）选取的数值制作温度与湿度的正交搭配表：

本实施例中选择的温度值由高到低分别定义为T₁、T₂、T₃、T₄，而选择的湿度值由高到低分别定义为H₁、H₂、H₃、H₄，将这八个数值做成的正交表如下述表1所示：

表1

即在试验时，最高温度T4与湿度H3作为一组试验条件，最低温度T1与湿度H2作为一组试验条件，温度T3与最低湿度H1作为一组试验条件，温度T2与最高湿度H4作为一组试验条件。

而本实施例对于电应力的试验包括以下几种：

（b1）高压电应力试验，即将试验样品置于高于额定工作电压的恒定电压应力下进行通电运转。此类试验中对于恒定电压的选择可以根据装备的实际工作额定电压以及工程经验确定，选择为高于额定电压而又不改变线路板失效机理的电压作为恒定电压。

（b2）电源通断循环冲击应力试验。此类试验通过继电器或其他电源控制设备来设计，主要确定的参数有通断的频率、通断的持续时间。

（b3）纹波电压冲击试验。此类试验的电应力主要是电源纹波，电源纹波是指叠加在直流电压上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，在模拟电路中，纹波可能引起信号波形的畸变失真，信噪比变差，甚至完全淹没信号；在数字电路中，可能使误码率上升，逻辑电平紊乱，信息系统的可靠性降低，极端情况下将导致失控或误操作。

本实施例可以如图3所示采用电感实现交直流叠加，图中包括一个电容器C、一个电感L，以及一个电阻R，所述电容器C、电感L与交流电，直流电构成串联电路，电阻R的一端连接电容器C、电感L的中间节点，另一端分别连接交流电和直流电。

本实施例也可以采用脉冲变压器实现交流脉冲和直流电压的叠加，如图4所示：所述运放电路分别接收正反馈网络、选频网络的信号，并输出信号给微分电路，有微分电路输出尖顶脉冲波，为了输出信号的稳定性，图中还添加了与运算放大电路相连的稳幅环节。输出的尖顶脉冲波输送给交直流叠加电路，最后通过不同纹波的直流电压为试验用的线路板供电。

本实施例直接采用图3所示的电路对试验样品进行电应力试验，试验时将电应力与前述确定的温湿度应力结合，最终构成如表2所示对试验样品进行试验。

表2

3）确定试验方案：包括试验样本量的大小、试验截止时间，以及监测频率的确定。

由于试验箱体空间有限，而为了保证试验结果的相对准确性，要求进行试验的样品量的体积不超过试验箱体体积的二分之一，本实施例中的试验样品量最终确定为试验箱体实际工作内容积的五分之一，在保证试验样本量的同时节省成本，最终本实施例共选取了50块电路板，每组应力水平下4个样本进行加速退化试验，2块样本置于正常应力水平下用于对比观察。

受试验时间和成本的限制，本实施例采用定时截尾法，截止时间确定为1500h。同时，本实施例在对试验监测频率进行确定时，依照下述的原则进行确定：测试时间的选择不能太密，太密会增加测试和统计分析的工作量；但也不能太疏，太疏会影响估计的准确性。最终确定在试验期间每隔24小时对样品的输出波形进行一次检测，其中测得的数据包括：输出信号的幅度特征量、输出信号的频率特征量、输出信号的相位特征量，以及输出信号的直流分量。

4）开始试验，试验中定期采集各个线路板输出的波形参数，直至时间到达停止试验。

试验完成后，还要对完成试验的样品进行检测，然后工作人员根据步骤3）以及步骤4）所测得的数据分别绘制每个试验样品输出幅度特征量随时间变化的趋势的曲线图、输出频率特征量随时间变化的趋势的曲线图、输出相位特征量随时间变化趋势的曲线图，以及输出直流分量随时间变化趋势的曲线图。本实施例绘制的曲线图具体如图5、图6、图7、图8所示。

然后选择具有代表性的特征量作为特征退化量进行试验分析。由于特征退化量的选取须遵循以下两个原则：

一是特征退化量必须具有准确定义且能够监测，最好是具有明确的物理或化学意义，易于测量且比较稳定的量；

二是要随着工作或试验时间的延长有明显变化趋势，能够客观反映产品工作状态，能对退化的时间特性进行预测。

从图5、图6、图7、图8中四个特征量随时间变化的趋势，可以看出幅度特征量随时间有明显变化规律，满足上述特征量选取遵循的原则，因此本实施例选择幅度值作为特征退化量进行退化轨迹分析。

（四）获得雷达的平均使用寿命：通过步骤（三）中测得的各项数据判定雷达线路板在不同环境中的寿命。

根据公式（1）

获得最终的寿命。

其中为特征寿命；m、和是参数模型，为常数；H为相对湿度；是与电压有关的函数；Ea是激活能；k是波尔兹曼常数，因此上述公式中H为已知数，即雷达设备处使用环境的湿度；而以对试验样品采用的电应力试验的不同而不同，而本实施例为温湿度、电源通断循环试验，且电压为额定工作电压得到的数值作为最终的结果，因此以电源通断循环应力中f(V)是以电压幅度V和通断频率F为自变量的函数, 其中是电源开/关率的影响因子。

因此，根据以上所述公式中各个字母的含义，得知本实施例中雷达线路板的寿命主要受温度、湿度，以及通断频率的影响，而由于上述的m、、，以及均是不容易确定的数值，因此可以将公式（1）取对数简化为：

(2)

该模型表明了寿命与温度、相对湿度及电应力之间的关系。通过各组应力水平下获得的寿命与应力水平的之间的数据，再利用上述模型进行多项式拟合，可求得模型参数。其中为对数特征寿命，也是对数寿命分布的均值参数；a、b、c、d为模型参数，为待估计常数，要想获得a、b、c、d的数值需要进行以下步骤：

首先拟合获得试验样本的退化轨迹模型，外推得到伪寿命：拟合获得的退化轨迹模型为（3），

然后将性能退化量，即幅度和时间分别代替y和t，拟合得到，的值，而后将失效阈值代入公式中的y,外推得到其对应的t即为伪寿命。而且本实施例中实测获得线路板输出的信号峰峰值，即幅值为9.0V，将失效阈值D_f设定为实测值的80%～120%，将幅值和失效阈值数据带入到公式（3）中后，得到下列公式

（4）

然后根据公式（4）得到伪寿命如表3所示：

表3

利用伪寿命分布的统计分析和判定得到均值参数和方差参数，具体如表4所示：

表4

将获得的方差和均值差的数值带入到公式（2）中得到下列公式：

对上述公式进行多项式求解得到a、b、c、d四个模型参数的值，最终求解得到=0，=4.323，=7585.31，=5.847，将a、b、c、d分别带入式（2），可得到，然后取产品正常情况下温度T为293K(20℃)，湿度H取50％时，取开关电源开关频率F为0.108Hz时,代入到公式（2），可得到=10.7137；并换算获得本实施例中雷达线路板的平均寿命为：=5.8331×10⁴(h)。

Claims

1.一种通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(一)试验样品选取；

(二)试验样品试验：将选取的试验样品进行试验，在试验期间每隔相同的时间对各个样品的各项数据进行采集，直至试验结束，该步骤包括以下步骤：

1)选定影响试验样品寿命的因素：选定温度、湿度，以及电应力作为影响试验样品的试验因素；

2)确定加速退化试验的试验剖面：选定两组试验剖面，其中温度、湿度的组合为一组试验剖面，电应力为单独一组试验剖面，并且试验时两组试验剖面共同作用于试验样品上，本步骤中对温湿度的试验剖面的确定均采用正交试验，包括以下步骤：

(a1)确定试验的最高温度与最低温度，以及最高湿度与最低湿度，本步骤中选定的最低温度为80℃，最高温度为110℃；最低湿度为25％，最高湿度为85％；

(a2)采用等间隔取值法选取若干个最高温度与最低温度之间的温度值，本步骤中选取90℃与100℃两个数值作为最高温度与最低温度之间的温度值；同时选择若干个最高湿度与最低湿度之间的湿度值，本步骤中选取55％与65％作为最高湿度与最低湿度之间的湿度值；

(a3)根据步骤(a1)和(a2)选取的数值制作温度与湿度的正交搭配表，本步骤中正交表的具体创建为：110℃温度搭配65％的湿度，80℃温度搭配55％的湿度，100℃温度搭配25％的湿度，90℃温度搭配85％的湿度；

所述电应力的试验剖面的选择包括以下步骤：

(b1)高压电应力试验；

(b2)电源通断循环冲击应力试验；

(b3)纹波电压冲击试验；

3)确定试验方案：包括试验样本量的大小、试验截止时间，以及检测频率的确定；

4)开始试验，试验中定期采集各个线路板输出的波形参数，直至时间到达停止试验；

(三)获得雷达的寿命：根据公式：

ξ＝Aexp[(-m)H]f(V)exp[E_a/kT+DH/T]，通过步骤(二)中测得的各项数据判定雷达线路板在不同温湿度及电应力下的平均使用寿命，其中ξ为特征寿命；m、A和D是参数模型，为常数；H为相对湿度；其中f(V)＝V·F^δ，V是电压幅度，F是通断频率，δ是电源开/关率的影响因子，E_a是激活能；k是波尔兹曼常数，T是温度。

2.根据权利要求1所述的通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，其特征在于：

所述步骤3)中试验用的样本数量的选择为：试验样品的体积占试验箱体实际工作内容积的五分之一；

试验时间通过定时结尾法确定；

试验中对试验样品输出波形的检测频率确定为每隔24小时进行一次检测。

3.根据权利要求1所述的通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，其特征在于：所述步骤(三)中测得的数据包括：试验样品输出波形的幅度特征量。

4.根据权利要求2所述的通过温湿度、电应力加速退化试验获得雷达寿命的方法，其特征在于：所述步骤(三)中测得的数据包括：试验样品输出波形的幅度特征量。