CN111707348A - 光纤水听器寿命评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光纤水听器寿命评价方法。所述方法包括：判断是否存在封装交界面；如果不存在封装交界面，则根据产品退化模型评估实际温度应力下的待测产品寿命；如果存在封装交界面，则根据产品退化模型、界面退化模型以及竞争失效原理，评估实际温度应力下的待测产品寿命。本申请综合考虑了器件自身退化与封装界面退化对产品寿命的影响，建立了更加贴近产品实际应用工况的寿命评价方法，从而有效提高了评估准确性。

Description

光纤水听器寿命评价方法

技术领域

本申请涉及光电子技术领域，特别是涉及一种光纤水听器寿命评价方法。

背景技术

光纤水听器是一种建立在现代光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，在水下警戒、地震波探测、石油地震勘探、鱼群探测等领域具有重要应用。光纤水听器属于高可靠、长寿命产品，传统寿命试验方法存在时间过长的缺陷，工程上需要采用加速寿命试验方法。

加速寿命试验是指在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与失效物理规律相关的统计模型对超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到产品额定应力下可靠性特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之，就是在在保持失效机理不变条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。

目前，光纤水听器寿命评估时主要是开展基于定时截尾的高温加速寿命考核试验，评估过程比较简单，难以保证评估的准确性。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高评估准确性的光纤水听器寿命评价方法。

一种光纤水听器寿命评价方法，包括：

判断是否存在封装交界面；

如果不存在所述封装交界面，则根据产品退化模型评估实际温度应力下的待测产品寿命；

如果存在所述封装交界面，则根据所述产品退化模型、所述界面退化模型以及竞争失效原理，评估实际温度应力下的待测产品寿命。

在其中一个实施例中，还包括：

根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间；

根据不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间建立所述界面退化模型。

在其中一个实施例中，所述根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间之前，还包括：

确定所述高温水浴加速寿命试验的第一极限温度应力；

在所述第一极限温度应力与所述待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

在其中一个实施例中，所述根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间包括：

制作所述待测产品的等效测试样品；

对所述等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

在其中一个实施例中，所述对所述等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间包括：

在各温度应力下，每隔预设时长对相应等效测试样品进行多次剥离测试；

根据所述多次剥离测试数据确定在相应温度应力下，封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型；

根据封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型，确定在相应温度应力下封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

在其中一个实施例中，在同一温度应力下试验的等效测试样品的数量为多个，且每个等效测试样品进行剥离测试的次数不少于6次。

在其中一个实施例中，所述第一失效判据为封装交界面材料的粘结强度退化大于等于50％。

在其中一个实施例中，还包括：

根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间；

根据不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间建立所述产品退化模型。

在其中一个实施例中，所述根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间之前包括：

确定所述高温加速寿命试验的第二极限温度应力以及敏感参数；

在所述第二极限温度应力与所述待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

在其中一个实施例中，所述产品退化模型为阿列尼乌斯模型。

上述光纤水听器寿命评价方法，首先对于是否存在封装交界面进行判断，然后根据封装交界面的有无分别采用不同的方式评估实际温度应力下的待测产品寿命。因此，本申请综合考虑了器件自身退化与封装界面退化对产品寿命的影响，建立了更加贴近产品实际应用工况的寿命评价方法，从而有效提高了评估准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中光纤水听器寿命评价方法的流程示意图；

图2为一个实施例中建立界面退化模型的流程示意图；

图3为一个实施例中获取不同温度应力下的粘结强度达到第一失效判据所用的时间的流程示意图；

图4为一个实施例中对等效测试样品进行试验的流程示意图；

图5为一个实施例中建立产品退化模型的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术，现有技术中的光纤水听器寿命评价方法有难以保证评估准确性问题。经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于：

光纤水听器通常是在海水环境中进行工作。压力是海水环境的一个重要特征，主要是受海水重力作用而产生，水深每增加100m，压力约增大1MPa。可靠的水密封封装是决定光纤水听器能否在长达数年的海底服役期内高效、稳定工作的重要前提。所以，封装结构是光纤水听器中极为关键的部分。其一，封装结构要能够保证在高静水压力下装置内部光纤器件与外部海水之间的有效隔离密封。其二，封装结构还要能够高效的将外部水下待测声压信号传递到装置内部光纤敏感线圈上，实现目标探测。

根据设计方案不同，光纤水听器的封装结构可以分为全包覆结构和半包覆结构两种。前者通过聚氨酯材料将整个光纤水听器包覆起来，不存在暴露于海水环境的金属基体与聚氨酯封装交界面。后者存在暴露于海水环境的金属基体与聚氨酯封装交界面。

实际海底工况下，半包覆封装结构的封装交界面长期受到高静水压力作用，两侧材料由于形变不同将产生一定的剪切力。长期海水环境作用下，若封装交界面材料发生水解或其他作用引发退化，导致交界面材料粘结强度下降到不足以抵抗剪切力时，则会出现封装泄露失效。

现有光纤水听器寿命评价方法并未考虑光纤水听器的具体封装结构与实际应用环境，并未考虑可能存在的封装交界面退化对产品寿命的影响，进而导致其难以保证评估的准确性。

基于以上原因，本发明提供了一种考虑光纤水听器封装情况的光纤水听器寿命评价方法。待测产品可以为岸基型光纤水听器等。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种光纤水听器寿命评价方法，包括：

步骤S1，判断是否存在封装交界面。

封装交界面是指构成光纤水听器的承压基体(通常为金属)与透声防水功能的封装材料(如聚氨酯材料)的交界面。

步骤S2，如果不存在封装交界面，则根据产品退化模型评估实际温度应力下的待测产品寿命。

当待测光纤水听器不存在封装交界面时，封装材料将整个光纤水听器包覆起来，因此封装交界面通常不会发生水解或其他作用引发退化。此时，可以通过高温加速寿命考核试验而得到产品退化模型。

产品退化模型即产品的敏感参数(如光路损耗)达到相应的失效判据所用的时间随温度应力变化的模型。此时，可以将产品实际工作温度应力带入该模型，即可以得到待测产品寿命。

步骤S3，如果存在封装交界面，则根据产品退化模型、界面退化模型以及竞争失效原理，评估实际温度应力下的待测产品寿命。

当待测光纤水听器存在封装交界面时，长期在海水环境作用下，封装交界面材料的粘结强度不断下降，进而出现封装泄露失效现象。

此时，可以首先通过高温加速寿命考核试验而得到产品退化模型，且通过高温水浴加速寿命考核试验而得到界面退化模型。界面退化模型即产品的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间随温度应力变化的模型。

产品退化模型具体可以为阿列尼乌斯模型。该模型是在19世纪由阿列尼乌斯从经验总结出来的，此时产品退化模型，如下式所示：

ξ＝Ae^E/KT

其中，ξ是第一寿命；A是一个常数，E是激活能，两者均可通过开展试验获得；K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。将产品实际工作温度应力代入上式中即可获得的第一寿命ξ₁。

界面退化模型具体可以如下式所示：

lnθ＝a+b/T

其中，θ是第二寿命；a和b为常数，可以通过开展试验获得。

将产品实际工作温度应力带入产品退化模型，可以得到第一寿命ξ₁。将产品实际工作温度应力带入界面退化模型，可以得到第二寿命θ₁。然后，根据竞争失效原理，可以得出待测产品寿命为第一寿命ξ₁与第二寿命θ₁中较小的一个，即产品寿命t＝min(ξ₁,θ₁)。

当然，产品退化模型以及界面退化模型也可以为其他形式，只要其满足客观退化规律均可，本申请对此并没有限制。

在本实施例中，首先对于是否存在封装交界面进行判断，然后根据封装交界面的有无分别采用不同的方式评估实际温度应力下的待测产品寿命。因此，本实施例综合考虑了器件自身退化与封装界面退化对产品寿命的影响，建立了更加贴近产品实际应用工况的寿命评价方法，从而有效提高了评估准确性。

在一个实施例中，光纤水听器寿命评价方法还包括：

步骤S013，根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

第一失效判据可以根据经验或者之前的多次测试结果获取。例如，第一失效判据可以为封装交界面材料的粘结强度退化大于等于50％。此时，当然，第一失效判据也可以根据实际情况设置为其他值，本申请对此并没有限制。

步骤S014，根据不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间建立界面退化模型。

不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间可以看做不同温度应力下的第一特征寿命，在此试验数据的基础上可以进一步对数据进行拟合外推处理，从而建立界面退化模型。

在一个实施例中，参考图2，步骤S013(根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间)之前，还包括：

步骤S011，确定高温水浴加速寿命试验的第一极限温度应力。

第一极限温度应力可以依据所采用的封装材料(如聚氨酯材料)的耐水性能的极限温度应力来确定。

步骤S012，在第一极限温度应力与待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

具体地，水浴试验的介质可以采用去离子水。同时，可以设定四组高温加速寿命试验的温度应力，最高温度应力不大于第一极限温度应力，最低温度应力尽量接近实际的工作温度应力。当然，高温加速寿命试验的温度应力组数也可以为其他数量，本申请对此并没有限制。本实施例的温度应力设置方式可以有效提高试验的准确性。

在一个实施例中，参考图3，步骤S013(根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间)包括：

步骤S0131，制作待测产品的等效测试样品。

等效测试样品的制备中，需要保证其与光纤水听器具有相同的封装材料以及基体材料，且加工工艺条件相同。例如，当封装材料为聚氨酯材料、基体材料为金属时，可以依据国标GB/T 15254-2014制作聚氨酯与金属基体的等效测试结构样品。

步骤S0132，对等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

通常情况下，光纤水听器不设有用于进行粘结强度测试的专属结构。因此，本实施例通过制作待测产品的等效测试样品，从而可以通过对等效测试样品的测试结果，方便地获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

在一个实施例中，参考图4，步骤S0132(对等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间)包括：

步骤S01321，在各温度应力下，每隔预设时长对相应等效测试样品进行多次剥离测试。

对于每个温度应力下，每隔预设时长对相应等效测试样品进行多次剥离测试。对于不同的温度应力，预设时长可以不同。各个温度应力下的预设时长可以通过历史试验数据获得。

本步骤可以设置在同一温度应力下试验的等效测试样品的数量为多个，且每个等效测试样品进行剥离测试的次数不少于6次。例如，在某一温度应力下，设置进行试验的等效测试样品的数量为5个。每隔相应的预设时长取出5个等效测试样品，并采用万能拉力试验机进行一次剥离测试。每个等效测试样品进行剥离测试的次数不少于6次。此时，可以获取更多试验数据，从而使得试验更加客观可靠。

步骤S01322，根据多次剥离测试数据确定在相应温度应力下，封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型。

每次进行剥离测试时，封装交界面材料的粘结强度会随之降低，封装交界面材料的粘结强度会随时间呈现规律变化。因此，通过对各等效测试样品的多次剥离测试数据进行分析以及曲线拟合，可以得到封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型。

步骤S01323，根据封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型，确定在相应温度应力下封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

将第一失效判据条件(例如粘结强度退化大于等于50％时的粘结强度值)代入步骤S01323所确定的粘结强度随时间变化的模型，即可得到在相应温度应力下封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

本实施例通过曲线拟合的方式建立粘结强度随时间变化的模型，进而可以通过间隔性的剥离测试而准确推算出在相应温度应力下封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

在一个实施例中，光纤水听器寿命评价方法还包括：

步骤S023，根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间。

类似于第一失效判据，第二失效判据可以根据经验或者之前的多次测试结果获取。

步骤S024，根据不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间建立产品退化模型。

可以对不同温度应力下的待测产品的敏感参数进行实时监控，当敏感参数达到第二失效判据所用的时间可以看做不同温度应力下的第二特征寿命，在此试验数据的基础上可以进一步对数据进行拟合外推处理，从而建立产品退化模型。

在一个实施例中，参考图5，步骤S023(根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间)之前包括：

步骤S021，确定高温加速寿命试验的第二极限温度应力以及敏感参数。

第二极限温度应力为使得失效机理不发生变化的最高温度应力。在该温度应力范围内待测产品的失效机理不发生变化。即在该温度应力范围内待测产品的敏感参数呈现规律性变化，不会产生突变。第一极限温度应力可以对一定数量待测产品开展高温步进应力摸底试验而获取。

敏感参数可以为光路损耗等。光纤水听器具有多种能够监测的性能参数，例如光路损耗、光程差、干涉条纹对比度、升压灵敏度等。在摸底试验时，可以通过对各性能参数的检测，而获取随高温步进应力而明显变化的性能参数(例如光路损耗)作为敏感参数。当然，敏感参数的确定也可以根据试验人员的经验获得，本申请对此并不做限定。

步骤S022，在第二极限温度应力与待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

具体地，可以根据摸底试验得到的极限温度应力与实际工作温度应力情况，设定高温加速寿命试验所需的四组温度应力。最高温度应力加速应力应不大于极限温度应力，此时可以防止出现失效机理变化。最低温度应力加速应力应尽量接近工作温度应力。进而使得由此确定的产品退化模型更加准确。

当然，高温加速寿命试验所需的温度应力的数量也可以根据实际情况进行调整。

应该理解的是，虽然图1-图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图5中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，包括：

判断是否存在封装交界面；

如果不存在所述封装交界面，则根据产品退化模型评估实际温度应力下的待测产品寿命；

如果存在所述封装交界面，则根据所述产品退化模型、所述界面退化模型以及竞争失效原理，评估实际温度应力下的待测产品寿命。

2.根据权利要求1所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，还包括：

根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间；

根据不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间建立所述界面退化模型。

3.根据权利要求2所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间之前，还包括：

确定所述高温水浴加速寿命试验的第一极限温度应力；

在所述第一极限温度应力与所述待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

4.根据权利要求2所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述根据高温水浴加速寿命试验获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间包括：

制作所述待测产品的等效测试样品；

对所述等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

5.根据权利要求4所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述对所述等效测试样品进行高温水浴加速寿命试验，获取不同温度应力下的封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间包括：

在各温度应力下，每隔预设时长对相应等效测试样品进行多次剥离测试；

根据所述多次剥离测试数据确定在相应温度应力下，封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型；

根据封装交界面材料的粘结强度随时间变化的模型，确定在相应温度应力下封装交界面材料的粘结强度达到第一失效判据所用的时间。

6.根据权利要求5所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，在同一温度应力下试验的等效测试样品的数量为多个，且每个等效测试样品进行剥离测试的次数不少于6次。

7.根据权利要求2所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述第一失效判据为封装交界面材料的粘结强度退化大于等于50％。

8.根据权利要求1所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，还包括：

根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间；

根据不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间建立所述产品退化模型。

9.根据权利要求8所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述根据高温加速寿命试验获取不同温度应力下的待测产品的敏感参数达到第二失效判据所用的时间之前包括：

确定所述高温加速寿命试验的第二极限温度应力以及敏感参数；

在所述第二极限温度应力与所述待测产品的工作温度应力之间确定多组不同的温度应力。

10.根据权利要求1-9任一项所述的光纤水听器寿命评价方法，其特征在于，所述产品退化模型为阿列尼乌斯模型。

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