CN109932528A - 石英挠性加速度计加速寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法，通过分析加速度计常用贮存方式、外界因素影响情况，确定试验应力，包括应力形式、应力水平、评估基准等；加速寿命试验方法选用高温应力，通过Arrhenius模型、应力模型评估加速因子，从而选定试验时间，确定等效n年的高温应力激励时间段；设计试验流程，进行加速寿命试验，利用较少时间预估加速度计整机在长时间条件零偏、标度因数等性能的变化。本发明采用上述石英挠性加速度计加速寿命试验方法根据典型环境应力对石英挠性加速度计的影响，确定试验应力，建立加速寿命试验模型，在较短时间内用等效应力激励传感器，实现长时间性能指标的评估。

Description

石英挠性加速度计加速寿命试验方法

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域，特别是涉及一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法。

背景技术

惯性技术是一项涉及多学科的综合技术，它是惯性导航和惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关系统和装置技术的统称。惯性导航系统依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此它不受天然的或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。

加速度计是惯性导航系统的核心组成部分，敏感外部加速度，结合角速率传感器可获得载体姿态、速度、位置信息。目前常用的加速度传感器为石英挠性加速度计，由壳体、上力矩器、下力矩器、摆片组件、腹带、隔离环及混合集成电路组成，通过检测外部加速度输入引起的差动电容值并通过功率放大器形成电流反馈，由线圈和永磁体形成反馈驱动力，实现加速度计闭环控制，反馈电流值即代表当前加速度值。可见加速度计小结构件较多，且对于闭环控制回路都有影响，当材料、结构、电路、磁路等特性发生改变时，加速度等效电流输出相应也会发生改变，体现为零偏、标度因数等整体指标的改变，从而对实际使用造成影响。加速度计回路特性参数发生改变的诱因较多，诸如力学、温度、时间等有较大影响，在其指标参数评定中，长时间的性能稳定性相对更难测试，如果需要对零偏、标度因数等参数的年稳定性甚至更长时间稳定性进行评估，耗时耗力，需要长时间保持同样外部试验条件，从而评估时间效应单激励因素对指标参数的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法，可以用于加速度计长时间性能稳定性的评估。

为实现上述目的，本发明提供了一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法，步骤如下：

第一步：试验应力确定

加速度计主要在库房贮存，库房是加速度计长期存放、定期检测和维护保养的场所，库房贮存的温度和湿度，是可以进行控制的；加速度计总体贮存环境条件良好，温度通常在15℃～30℃之间，湿度通常不超过70％；在贮存过程中除非运输和搬用经历振动环境外，在库房长期贮存过程中基本不承受振动应力；影响加速度计的性能参数保持期的主要的环境因素包括温度和湿度，加速度计包装防护良好、且有专用密封防磁泄露；实际贮存环境中，加速度计在贮存时受湿度应力的影响比较小，通常地，仅仅考虑温度应力对加速度计的影响；

方案中选取高温应力作为加速寿命试验的加速应力，选取25℃作为加速效应评估的基准，主要针对加速度计的零偏和标度因数两项指标进行评估；

第二步：应力水平及量级确定

选择高温作为加速退化试验的应力，单温度恒定应力模型中包含2个参数，为了采用最小二乘法或极大似然估计方法求解模型参数，至少需要3个应力水平的测试数据，即至少选取3个温度应力水平；

综合加速度计内部结构组件、电路组件的部分在非工作状态下极限应力温度范围为-40～+85℃，为避免试验过程不可控因素，选定高温应力最大不超过80℃；为保证足够加速效应，高温应力不能过低，否则试验时间可能会加长；此外，各组高温应力需有足够梯度，提高加速模型参数解算的准确性；选取三组高温测试应力：60℃、70℃、80℃；

第三步：元器件加速因子

采用温度应力模型评估加速因子，由Arrhenius阿伦尼斯模型计算所得：

第四步：加速度计加速因子

对于服从指数分布的电子产品，失效率为常数，其失效概率函数为：

F(t)＝1-e^-λt

假设在正常应力水平s₀下的某元器件的失效分布函数为F₀(t)，失效率为λ₀，t_p,0为失效概率达到p的时间，即F₀(t_p,0)＝p，又设该元器件在加速应力水平s_i下的失效分布函数为F_j(t)，失效率为λ_j，t_p,j为失效概率达到p的时间，即F_j(t_p,j)＝p；根据加速系数τ₁的定义，则：

F₀(t_p,0)＝F_j(t_p,j)

而根据基本可靠性的串联模型，各个单元的失效率等于包含的所有元器件失效率之和，产品的失效率等于各个单元的失效率之和：

因此，加速度计高温条件下的加速因子为

用正常应力下的失效率与各自的加速因子(第三步所得)相乘，由此可得到加速度计各个加速应力水平下的失效率；

第五步：加速寿命试验执行

由加速度计在各个温度应力水平下的加速因子评估加速退化试验所需的试验时间；

不同高温应力激励下，所需的试验时间不同；加速试验中，施加应力期间样品不通电不检测，在各自试验时间内选定测试节点，测试时将试验样品恢复至常规库房条件，检测加速度计零偏和标度因数，测试结束后样品放回继续施加应力；最后通过三组应力测试结果，综合评估加速度计零偏和标度因数长期性能变化情况。

因此，本发明采用上述石英挠性加速度计加速寿命试验方法，通过分析加速度计常用贮存方式、外界因素影响情况，确定试验应力，包括应力形式、应力水平、评估基准等；加速寿命试验方法选用高温应力，通过Arrhenius模型、应力模型评估加速因子，从而选定试验时间，确定等效n年的高温应力激励时间段；设计试验流程，进行加速寿命试验，利用较少时间预估加速度计整机在长时间条件零偏、标度因数等性能的变化。

本发明的石英挠性加速度计加速寿命试验方法可根据典型环境应力对石英挠性加速度计的影响，确定试验应力，建立加速寿命试验模型，在较短时间内用等效应力激励传感器，实现长时间性能指标的评估，可应用于批量生产加速度计的出厂抽样检查、产品长时间性能评估规范化方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明石英挠性加速度计加速寿命试验方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

图1是本发明石英挠性加速度计加速寿命试验方法的流程框图，如图所示，一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法，选用高温应力作为外部激励，通过Arrhenius模型、应力模型评估加速因子，得到等效于n年工作或贮存条件的应力激励时间，在测试时间段内选定检测时间点，最后通过整个时间段内测试结果对加速度计长期性能指标进行评估。以目前模拟闭环石英挠性加速度计贮存条件下长期性能指标评估为例，具体步骤如下：

第一步：试验应力确定

加速度计主要在库房贮存，库房是加速度计长期存放、定期检测和维护保养的场所，库房贮存的温度和湿度，是可以进行控制的；加速度计总体贮存环境条件良好，温度通常在15℃～30℃之间，湿度通常不超过70％；在贮存过程中除非运输和搬用经历振动环境外，在库房长期贮存过程中基本不承受振动应力；影响加速度计的性能参数保持期的主要的环境因素包括温度和湿度，加速度计包装防护良好、且有专用密封防磁泄露；实际贮存环境中，加速度计在贮存时受湿度应力的影响比较小，通常地，仅仅考虑温度应力对加速度计的影响；

方案中选取高温应力作为加速寿命试验的加速应力，选取25℃作为加速效应评估的基准，主要针对加速度计的零偏和标度因数两项指标进行评估；

第二步：应力水平及量级确定

选择高温作为加速退化试验的应力，单温度恒定应力模型中包含2个参数，为了采用最小二乘法或极大似然估计方法求解模型参数，至少需要3个应力水平的测试数据，即至少选取3个温度应力水平；

综合加速度计内部结构组件、电路组件的部分在非工作状态下极限应力温度范围为-40～+85℃，为避免试验过程不可控因素，选定高温应力最大不超过80℃；为保证足够加速效应，高温应力不能过低，否则试验时间可能会加长；此外，各组高温应力需有足够梯度，提高加速模型参数解算的准确性；选取三组高温测试应力：60℃、70℃、80℃；

第三步：元器件加速因子

采用温度应力模型评估加速因子，由Arrhenius阿伦尼斯模型计算所得：

式中：

Acc——温度Ta相对于Tu的加速系数；

Ea——激活能，以eV为单位，根据IEC61709、IEC62380、IPC279、GJB299C等标准，元器件试验值和相关文献获取；

K——玻尔兹曼常数，8.6171×10-5V/K第四步：加速度计加速因子。

对于服从指数分布的电子产品，失效率为常数，其失效概率函数为：

F(t)＝1-e^-λt

假设在正常应力水平s₀下的某元器件的失效分布函数为F₀(t)，失效率为λ₀，t_p,0为失效概率达到p的时间，即F₀(t_p,0)＝p，又设该元器件在加速应力水平s_i下的失效分布函数为F_j(t)，失效率为λ_j，t_p,j为失效概率达到p的时间，即F_j(t_p,j)＝p；根据加速系数τ₁的定义，则：

F₀(t_p,0)＝F_j(t_p,j)

而根据基本可靠性的串联模型，各个单元的失效率等于包含的所有元器件失效率之和，产品的失效率等于各个单元的失效率之和：

因此，加速度计高温条件下的加速因子为

式中

λ_i——在正常应力水平下第i个组成单元的失效率；

λ'_i——在加速应力水平下第i个组成单元的失效率；

λ_s——在正常应力水平下产品的失效率；

λ'_s——在加速应力水平下产品的失效率；

n——组成产品的单元数。

用正常应力下的失效率与各自的加速因子(第三步所得)相乘，由此可得到加速度计各个加速应力水平下的失效率；

第五步：加速寿命试验执行

由加速度计在各个温度应力水平下的加速因子评估加速退化试验所需的试验时间；

不同高温应力激励下，所需的试验时间不同；加速试验中，施加应力期间样品不通电不检测，在各自试验时间内选定测试节点，测试时将试验样品恢复至常规库房条件，检测加速度计零偏和标度因数，测试结束后样品放回继续施加应力；最后通过三组应力测试结果，综合评估加速度计零偏和标度因数长期性能变化情况。

因此，本发明采用上述石英挠性加速度计加速寿命试验方法，可以用于加速度计长时间性能稳定性的评估。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种石英挠性加速度计加速寿命试验方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：试验应力确定

加速度计的贮存温度在15℃～30℃之间，湿度不超过70％；在贮存过程中除非运输和搬用经历振动环境外，在库房长期贮存过程中基本不承受振动应力；加速度计包装防护良好、且有专用密封防磁泄露；

选取高温应力作为加速寿命试验的加速应力，以25℃作为加速效应评估的基准，针对加速度计的零偏和标度因数两项指标进行评估；

第二步：应力水平及量级确定

选择高温作为加速退化试验的应力，单温度恒定应力模型中包含2个参数，为了采用最小二乘法或极大似然估计方法求解模型参数，至少需要3个应力水平的测试数据，即至少选取3个温度应力水平；

综合加速度计内部结构组件、电路组件的部分在非工作状态下极限应力温度范围为-40～+85℃，为避免试验过程不可控因素，选定高温应力最大不超过80℃；为保证足够加速效应，高温应力不能过低，否则试验时间可能会加长；此外，各组高温应力需有足够梯度，提高加速模型参数解算的准确性；选取三组高温测试应力：60℃、70℃、80℃；

第三步：元器件加速因子

采用温度应力模型评估加速因子，由Arrhenius阿伦尼斯模型计算所得：

第四步：加速度计加速因子

对于服从指数分布的电子产品，失效率为常数，其失效概率函数为：

F(t)＝1-e^-λt

假设在正常应力水平s₀下的某元器件的失效分布函数为F₀(t)，失效率为λ₀，t_p,0为失效概率达到p的时间，即F₀(t_p,0)＝p，又设该元器件在加速应力水平s_i下的失效分布函数为F_j(t)，失效率为λ_j，t_p,j为失效概率达到p的时间，即F_j(t_p,j)＝p；根据加速系数τ₁的定义，则：

F₀(t_p,0)＝F_j(t_p,j)

而根据基本可靠性的串联模型，各个单元的失效率等于包含的所有元器件失效率之和，产品的失效率等于各个单元的失效率之和：

因此，加速度计高温条件下的加速因子为

用正常应力下的失效率与各自的加速因子(第三步所得)相乘，由此可得到加速度计各个加速应力水平下的失效率；

第五步：加速寿命试验执行

由加速度计在各个温度应力水平下的加速因子评估加速退化试验所需的试验时间；

不同高温应力激励下，所需的试验时间不同；加速试验中，施加应力期间样品不通电不检测，在各自试验时间内选定测试节点，测试时将试验样品恢复至常规库房条件，检测加速度计零偏和标度因数，测试结束后样品放回继续施加应力；最后通过三组应力测试结果，综合评估加速度计零偏和标度因数长期性能变化情况。