CN110260907B - 一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，涉及一种用于传感器的可靠性试验方法。本发明首先对传感器进行恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验；然后确定恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命，求解出形状参数；进行失效机理一致性的检验，如果失效机理不一致，重新进行温度高加速寿命；给出传感器在正常温度应力水平下，给定可靠度，置信水平寿命置信下限的寿命评估模型；最后推算出传感器在正常的温度应力水平下的使用寿命年限。本发明解决了现有寿命试验技术在定时截尾试验中无失效数据情况下，无法有效进行传感器的寿命评价。本发明可用于传感器的寿命评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于传感器的可靠性试验方法，具体是涉及一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法。
背景技术
传感器技术作为现代信息技术的三大支柱之一，被广泛地应用在各种先进的设备和系统中，在其传感器可靠性进行分析，对提高设备和系统的可靠性，保证设备和系统长期稳定运行有至关重要的作用。常规的寿命试验是将产品在规定使用和维护条件下进行试验，对试验结果进行分析获得产品的可靠水平。但是随着现在生产和科学技术的飞速发展，传感器的寿命较长。如果采用在正常试验条件下对传感器进行寿命试验的方法来评估其可靠性水平，往往需要耗费很长的时间和大量的人力物力。
为了缩短试验时间、降低试验成本和提高试验效率，常采用加速寿命试验方法。加速寿命试验是在假设产品失效机理不变的基础上，通过寻找产品寿命与应力之间的映射关系—加速模型，利用高(加速)应力水平下的寿命特征去外推或评价正常应力水平下的试验技术。加速寿命试验技术突破了传统可靠性试验的技术思路，将激发的试验机制引入到可靠性试验，可以在时间内能够对高可靠性长寿命产品进行寿命与可靠性水平的快速评估。
加速寿命试验的应力施加方式有三种：恒定应力、步进应力和序进应力，其中，恒定应力加速寿命试验是把全部样品分为几组，每组样品都在某个恒定加速应力水平下进行的寿命试验。
在加速寿命试验中，广泛采用定时截尾试验方案。在定时截尾试验中，可靠性高的产品即使进行试验很长一段时间内也很可能出现无任何故障数据的情况，这种定时截尾试验中得到的规定试验时间内没有产品失效的数据被称为无失效数据。在无失效数据的情况下，对产品的可靠性进行统计分析，无法再使用传统的基于失效数据的定时截尾试验方法。
目前对于传感器在定时截尾试验中，温度应力无失效加速寿命试验的研究刚刚起步，尚未有适合于工程应用的传感器温度应力无失效加速寿命试验方法。
发明内容
本发明为了克服现有寿命试验技术在定时截尾试验中无失效数据情况下，无法有效进行传感器的寿命评价的问题，提供一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，实现传感器温度应力无失效加速寿命试验得到寿命有效评价，从而保证传感器在设备和系统中长期正常工作。
本发明的技术解决方案是：
一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，包括以下步骤：
(1)抽样N只传感器作为试验样本进行恒温应力加速寿命试验：
首先将所述N只传感器分为k组，第i组的数量为ni，i＝1,…,k；然后每组分别设置加速温度应力水平Si，每个加速温度应力水平都高于正常的温度应力水平S0，且S1＜S2＜…＜Sk；各组传感器在各自的加速温度应力水平下进行定时截尾加速寿命试验，定时
截尾得到k组无失效数据，其中
表第i个加速温度应力水平下的第j个无失效数据，j＝1,…,ni；
(2)将所述N只传感器进行温度高加速寿命试验：
采用步进应力方式，把所述N只传感器都置于加速温度应力水平Sk下进行步进应力加速寿命试验；经过Δt时间后，把加速温度应力水平提高到Sk2，将未失效的样品在Sk2下继续进行寿命试验；如此继续下去，直到产生破坏极限时停止试验；将温度高加速寿命试验中发生失效温度应力记为Sm，对应的试验持续平均时间记为tm；tm即为极限应力下的寿命；
(3)依据逆幂率模型，以及温度应力下寿命特征与加速寿命试验理论，确定恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
(4)对所述
tm分别用威布尔参数的极大似然估计，求解出等效寿命、恒温应力加速寿命试验、温度高加速寿命试验传感器的形状参数，分别记为α、α′、α"；
(5)利用步骤(4)中求得的形状参数α′和α"，从统计方差齐性检验的角度，对恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验进行失效机理一致性的检验，如果失效机理不一致，回到步骤(2)，重新进行温度高加速寿命试验确定Sm和tm；否则转入步骤(6)；
(6)结合威布尔分布，给出传感器在正常温度应力水平下，给定可靠度为R，置信水平γ的寿命置信下限为tR,low的寿命评估模型；
(7)由步骤(6)的寿命评估模型，结合步骤(1)获得的试验数据与步骤(4)求得的形状参数，计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow；进而由寿命评估模型推算传感器在正常的温度应力水平下的使用寿命年限。
本发明的有益效果是：
(1)在本发明之前尚无用于传感器温度应力无失效加速寿命试验及寿命评价方法，尤其在工程应用方面，本发明填补了该类传感器寿命试验及寿命评价方法的空白。
(2)本发明全面考虑了恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验失效机理的一致性，因此得到的寿命年限数据更符合实际状况。
(3)本发明所述温度应力无失效加速寿命试验方法，可有效压缩寿命时间，提高试验效率，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为多个加速温度应力水平下的无失效加速寿命试验数据散点图；
图3为本发明温度应力与寿命对数关系折线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，具体包括以下步骤：
(1)抽样N只传感器作为试验样本进行恒温应力加速寿命试验：
首先将所述N只传感器分为k组，第i组的数量为ni，i＝1,…,k；然后每组分别设置加速温度应力水平Si，每个加速温度应力水平都高于正常的温度应力水平S0，且S1＜S2＜…＜Sk；各组传感器在各自的加速温度应力水平下进行定时截尾加速寿命试验，定时
截尾得到k组无失效数据，其中
表示第i个加速温度应力水平下的第j个无失效数据，j＝1,…,ni；
(2)将所述N只传感器进行温度高加速寿命试验：
采用步进应力方式，把所述N只传感器都置于加速温度应力水平Sk下进行步进应力加速寿命试验；经过Δt时间后，把加速温度应力水平提高到Sk2，将未失效的样品在Sk2下继续进行寿命试验；如此继续下去，直到产生破坏极限时停止试验；将温度高加速寿命试验中发生失效温度应力(破坏极限)记为Sm，对应的试验持续平均时间记为tm；tm即为极限应力下的寿命；
(3)依据逆幂率模型，以及温度应力下寿命特征与加速寿命试验理论，确定恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
(4)对所述
tm分别用威布尔参数的极大似然估计，求解出等效寿命、恒温应力加速寿命试验、温度高加速寿命试验传感器的形状参数，分别记为α、α′、α"；
(5)利用步骤(4)中求得的形状参数α′和α"，从统计方差齐性检验的角度，对恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验进行失效机理一致性的检验，如果失效机理不一致，回到步骤(2)，重新进行温度高加速寿命试验确定Sm和tm；否则转入步骤(6)；
(6)结合威布尔分布，给出传感器在正常温度应力水平下，给定可靠度为R，置信水平γ的寿命置信下限为tR,low的寿命评估模型；
(7)由步骤(6)的寿命评估模型，结合步骤(1)获得的试验数据与步骤(4)求得的形状参数，计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow；进而由寿命评估模型推算传感器在正常的温度应力水平下的使用寿命年限。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤(3)中所述恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
通过以下步骤获得：
如图2所示，各个加速温度应力水平下的无失效寿命试验数据点，有：
即：
其中，
为加速温度应力水平Si的已知函数，本发明中Si为绝对温度，因此
为极限应力；tm为极限应力下的寿命；
将加速温度应力水平下的寿命试验数据转换到正常的温度应力水平的等效寿命
为：
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤(4)中所述等效寿命传感器的形状参数α的求解过程为：
对于传感器样本形状参数α，可以用极大似然估计方法得到。根据极大似然准则，对α的极大似然点估计，α是方程(2)的根。计算下述方程的根
其中，t为给定寿命；划定α的范围为:α1≤α≤α2；
若方程(2)的解为
当
时，取α＝α1；当
时，取α＝α2；当α1＜α＜α2时，
若方程(2)无解，当t＞max(ti j)时，取α＝α2；当
时，取α＝α1；当
时，α＝α*，α*是方程(3)的根：
其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述α1＝1；α2＝10。
在工程实践中，威布尔分布的形状参数α，一般情况下不大于10。由于设备大多定期进行维护保养和检修检测，而且出现故障后，故障部件都能得到及时的修复，设备的故障率也是随着使用时间的增加而逐渐增大。因而可以确定形状参数α≥1，于是划定形状参数α的范围为：1≤α≤10；即，α1＝1；α2＝10。
其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二、三或四不同的是，步骤(5)中采用巴特利特(Bartlett)检验法来进行所述失效机理一致性的检验。
在各加速温度应力水平Si下，假设威布尔分布W(αi,βi)的形状参数αi相等，则
服从极值分布G(μi,σi)，即yi＝G(μi,σi)。其累积失效分布函数为
式中：μi＝lnβi为极值分布G(μi,σi)位置参数；
σi为极值分布G(μi,σi)尺度参数。
其中，G(μi,σi)为极值分布。
检验假设：
由于σi＝1/αi，因此检验各αi相等的假设就等价于如下检验假设：
采用Bartlett检验法来检验原假设H0是否成立；接受H0，则认为各加速温度应力水平Si下，威布尔分布W(αi,βi)的形状参数αi相等；α′＝α"＝αi，即认为失效机理一致，否则认为不一致。
其他步骤及参数与具体实施方式二、三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤(7)中所述计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow具体为：
其中，i＝1,…,k；j＝1,…,ni；n1+n2+…+nk＝N。
其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
下面以某型号传感器为样本为例，以温度作为试验应力进行加速寿命试验。按照以下步骤进行：
(1)抽样N＝40只传感器作为试验样本进行恒温应力加速寿命试验：
首先将所述40只传感器分为k＝4组，每组10只，分别连接好夹具置入四个温箱内，高温试验箱温度分别设置为60℃、79℃、101℃和125℃进行恒温应力加速寿命试验，定时截尾时间为8000小时。
(2)再将这40只传感器进行温度高加速寿命试验：
采用步进应力方式，步数为2℃/1小时，把所述40只传感器都置于起始温度应力水平Sk＝125℃下进行步进应力加速寿命试验；直到产生破坏极限时停止试验；将温度高加速寿命试验中发生失效温度应力(破坏极限)记为Sm，对应的试验持续平均时间记为tm；tm即为极限应力下的寿命；
(3)确定恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
如图3所示；
(4)对所述
tm分别用威布尔参数的极大似然估计，求解出等效寿命、恒温应力加速寿命试验、温度高加速寿命试验传感器的形状参数，分别记为α、α′、α"；
由式下式求α*值：
设α*＝1.35，G(α*)＝0。
(5)从统计方差齐性检验的角度，对恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验进行失效机理一致性的检验，如果失效机理不一致，回到步骤(2)，重新进行温度高加速寿命试验确定Sm和tm；否则转入步骤(6)；
(6)结合威布尔分布，给出传感器在正常温度应力水平下，给定可靠度为R，置信水平γ的寿命置信下限为tR,low的寿命评估模型；
(7)由步骤(6)的寿命评估模型，结合步骤(1)获得的试验数据与步骤(4)求得的形状参数，计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow；进而由寿命评估模型推算传感器在正常的温度应力水平下的使用寿命年限为29.2年：
tR,low＝exp(3.4)＝29.2
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)抽样N只传感器作为试验样本进行恒温应力加速寿命试验：
首先将所述N只传感器分为k组，第i组的数量为ni，i＝1,…,k；然后每组分别设置加速温度应力水平Si，每个加速温度应力水平都高于正常的温度应力水平S0，且S1＜S2＜…＜Sk；各组传感器在各自的加速温度应力水平下进行定时截尾加速寿命试验，定时
截尾得到k组无失效数据，其中
表示第i个加速温度应力水平下的第j个无失效数据，j＝1,…,ni；
(2)将所述N只传感器进行温度高加速寿命试验：
采用步进应力方式，把所述N只传感器都置于加速温度应力水平Sk下进行步进应力加速寿命试验；经过Δt时间后，把加速温度应力水平提高到Sk2，将未失效的样品在Sk2下继续进行寿命试验；如此继续下去，直到产生破坏极限时停止试验；将温度高加速寿命试验中发生失效温度应力记为Sm，对应的试验持续平均时间记为tm；tm即为极限应力下的寿命；
(3)依据逆幂率模型，以及温度应力下寿命特征与加速寿命试验理论，确定恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
(4)对所述
tm分别用威布尔参数的极大似然估计，求解出等效寿命、恒温应力加速寿命试验、温度高加速寿命试验传感器的形状参数，分别记为α、α′、α"；
(5)利用步骤(4)中求得的形状参数α′和α"，从统计方差齐性检验的角度，对恒温应力加速寿命试验和温度高加速寿命试验进行失效机理一致性的检验，如果失效机理不一致，回到步骤(2)，重新进行温度高加速寿命试验确定Sm和tm；否则转入步骤(6)；
(6)结合威布尔分布，给出传感器在正常温度应力水平下，给定可靠度为R，置信水平γ的寿命置信下限为tR,low的寿命评估模型；
(7)由步骤(6)的寿命评估模型，结合步骤(1)获得的试验数据与步骤(4)求得的形状参数，计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow；进而由寿命评估模型推算传感器在正常的温度应力水平下的使用寿命年限。
2.根据权利要求1所述一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，步骤(3)中所述恒温应力加速寿命在正常应力水平下的等效寿命
通过以下公式获得：
其中，
为极限应力；tm为极限应力下的寿命；
为正常应力。
3.根据权利要求2所述一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，步骤(4)中所述等效寿命传感器的形状参数α的求解过程为：
计算下述方程的根
其中，t为给定寿命；划定α的范围为:α1≤α≤α2；
若方程(2)的解为
当
时，取α＝α1；当
时，取α＝α2；当α1＜α＜α2时，
若方程(2)无解，当t＞max(ti j)时，取α＝α2；当
时，取α＝α1；当
时，α＝α*，α*是方程(3)的根：
4.根据权利要求3所述一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，所述α1＝1；α2＝10。
5.根据权利要求2、3或4所述一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，步骤(5)中采用巴特利特检验法来进行所述失效机理一致性的检验，当各加速温度应力水平Si下威布尔分布W(αi,βi)的形状参数αi相等，α′＝α"＝αi，即认为失效机理一致，否则认为不一致。
6.根据权利要求5所述一种用于传感器的温度应力无失效加速寿命试验方法，其特征在于，步骤(7)中所述计算传感器在正常应力水平S0下，给定可靠度R，置信水平γ的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow具体为：
其中，n1+n2+…+nk＝N。
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