传感器可靠性.doc

传感器的可靠性问题

一、基本概念与数学表示

1.基本概念

1. 可靠性:

可靠性是指元器件、装置在规定的时间内，规定的条件下，具有规定功能的概率。
可靠性的经典定义着重强调四个方面:
.概率:元器件、装置特性变化具有随机性，只能根据大量实验和实际应用进行统计分析。
(概率表示一个事件发生的可能性)
.性能要求:即指技术判据。性能变化是绝对的，关键是允许变化范围大小。
.使用条件:包括环境条件(如温度、湿度、振动、冲击等)和工作状态(如负载的轻重)
.时间:器件在一小时内保持规定性能当然比在10年内保持同样性能容易改变的多。其 它条件不变，时间愈长则可靠性越低。

2.失效:
元器件、装置失去规定的功能称为失效。
3.寿命:
元器件、装置失效前的一作时间。寿命是一个随机变量。
2.数学描述
1. 可靠度R(t)
①描述元器件、装置在某一时刻前止常工作的可能性。它与时间有关
②在实际数据统计中近似值为

此比值常称为残存率。
n(t)——试验开始，到时间t仍为失效的元器件、装置数
n——进行实验的元器件、装置总数。

2.失效率F(t)
①指元器件、装置在特定条件卜，在时间t以前失效的(概率)可能性。它是寿命这一随机变量的分布函数。
实际数据统计中近似值为

②由于对立事件概率之和为I，所以有R(t)十F(t)=l

3.失效密度f(t)
①指元器件、装置在时间t内的单位时间内失效发生的(概率)可能性。是寿命这一随机变量的密度函数，即

在实际数据统计中它的近似值为

△n(t)——为t时刻附近，在△t时间间隔内失效的器件数
f(t)——用来描述器件失效的可能性在O到+∞的整个时间轴上分布情况。

4.故障率λ(t)
定义:故障率(瞬时失效率) λ(t)

① 指在t时刻尚未失效的元器件、装置在单位时间内失效的概率
② 描写在各时刻仍正常工作的元器件、装置失效的可能性。
③ 在实际数据统计中它的近似值为

①单位:(小时)-1：%/1000小时或10-9小时，λ(z)是比较常用的特征函数。

5.平均寿命m(常用缩写MTTF)
(Mean Time Between Failure 可修复)
(Mean Time to Failure 不可修复)
①定义:

②乃是寿命这一随机变量的均值。
③它是标志元器件、装置平均能工作多长时间。
④实际可以表示t时刻，在△t时间间隔内失效的概率(百分数)在此时间内失效的器件寿命应是t。平均寿命

二、失效规律及数学描述

1.(元器件及仪表装置的)失效规律

人们对出实验和使用中得到的人量数据进行统计:发现一般元器件及仪表装置的失效率和时问的关系，如下图所示。通常称为浴盆曲线。

曲线明显的分为三个阶段
1.早期失效阶段:
这一阶段失效率较高，但失效率随时间增加而下降。
失效上要由一种或几种具有一定普遍性的原因造成。
对于不同品种，不同工艺的器件，这一阶段延续的时间和失效比例不同。
应采取措施：严格操作，加强对原材料、半成品和成品的检验可减少这一阶段的失效。进行合理的筛选，以使尽可能在使用前，把早期失效的器件淘汰掉，可使出厂器件失效率达到或接近偶然失效期的较低水平。

2.偶然失效阶段
在这一阶段，失效率较低，少钊主变化不大，是器件的良好使用阶段。器件的失效率常常是由于多种(而每一种都不太严重)原因造成的。

3.耗损失效阶段
在此阶段到来时，失效率明显上升，致使大部分器件相继失效。
器件的失效是由全体性的原因造成。器件设计和工艺选择应考虑到尽举延迟耗损(老化)期的到米。使用期间时应尽快发现耗损期的到来，以便采取预防性措施(如整批更换器件)来保证系统正常工作。
半导体器件由于它本身的特点，在没有(转动)潮、雾、核辐射等恶劣外界作用条件下正常工作时，早期失效阶段表现明显，偶然失效阶段时间较长，而且失效率常有缓慢下降的趋势，一般难以观察到明显的耗损失效阶段。
2.威布尔分布:
适用范围较广，分析半导体寿命分布时应用较多。
失效密度函数

——尺度参数，横坐标拉开程度不同，相当于时间的尺度不同。

——形状参数
时，曲线随时间单调下降，常用来描述早期失效阶段的寿命分布；
时，为指数分布，常用来描述偶然失效阶段；
时，曲线有一峰值，愈大曲线愈趋近于正态分布，常用来描述耗损失效阶段的寿命分布。

γ——位置参数，决定曲线的起点位置。

一般γ=0，这时，则

当时，
——特征寿命

平均寿命

Γ——伽马函数
正好与偶然失效阶段相符。而偶然失效阶段是正常使用阶段。
指数分布的数学处理特别简单，在很多情况下，β仅是近似于1，或比1小的不多， 为取其简便仍按指数分布处理。

3.使用寿命期的数学描述:
失效密度
代入

为指数分布。此时

失效率
产品的瞬时失效率（故障率），在一组给定的应力、温度及质量条件下，λ是一个常数。λ可通过收集大量数据及实验加以确定。

.可靠性
故障率

.平均寿命
平均无故障工作时间(MTBF)是失效率的倒数。MTBF=1/λ

MTBF是产品间进行比较的主要质量指标，它是产品在使用寿命期间失效率的度量。
如λ=0.2%/千小时，则m=50万小时。

三、传感器可靠性计算

1.计算方法
(1)设各环节的可靠性为R1,应用概率乘法定律，传感器(系统)的可靠度

（2）若环节失效密度服从指数分布，即，则
(3)系统故障

(4)平均寿命(无故障工作时间)
2 举例
某传感器由下列元器件组成，若不考虑结构、装配及其它因索，只考虑这些元器件的失效.试求:
1)传感器可靠性表达式;
2)传感器故障率;
3)传感器的平均寿命.

种类
晶体管
集成运放
二极管
电位器
电阻
高频电容
电解电容
金属膜片
故降
率
%/千
小时
0 .1

0 .1

0 .1

0 .5

0 .05

0 .02

0 .2

0 .1

数量
5
2
6
2
20
l6
4
l

解:

结论:
① 选用可靠度高的元器件:
② 尽量少用元器件数目.
注意:
明确环境条件:
随着工业生产过程的不断发展，传感器的工作条件变得更加复杂;
必须明确(仪表装置)传感器可能经受的各种较为恶劣的环境条件，以此作为设计的一个出发点.以环境温度为例:某仪表公司有如下规定标准
基准条件:25. 符合标准温度
动作条件: ，即正常工作条件，在此范围内仪表能满足各项指标.
工作极限条件:;在这一范雨，某些指标趋差，但回到动作条件范围内仍能满足各项指标.
运输条件: ，在此范围内仪表包装运输，正式工作前要经过调整.

四、常见故障形式及产生原因

1. 常见故障形式

1 状态性故障
是传感器工作状态发生根本变化而不能正常运行.例:差压传感器中弹性膜片损坏.
2.功能性故障
是指传感器的性能随时间缓慢的变坏;而逐渐不能满足正常运行的要求.例:传感器的零漂._

3.危险性故障
是指会引起潜在的或实际的不安全事件的故障.例:本质安全防爆系统中的防爆栅失灵.

2.产生故障的原因

1. 属于仪表设计制造方面的原因.
主要包括:
①元器件:选择不当;老化筛选不严.
②设计:结构设计不合理:线路设计不合理;安装裕度小.
③加工工艺:不合理;焊接质量差;装配质量差.即由于仪表本身质量不好而引起的故障.

2.属于操作方面的原因
主要包括:
①误操作:
②误调校;
③误检修;
④供电系统失电;
⑤主设备工艺事故导致仪表装置失控.

3.属于外界环境方面的原因.
主要指:气候、电气、机械、辐射、生物、化学
外界条件对仪表特性的影响或引起的故障.
传感器可靠性设计主要针对(l)、(3)方面的原因.根据实际工作的环境条件进行防护设计.
参考书:
〔美〕。R.T.安德森，可靠性设计手册，国防版。1981____

五、国内外传感器可靠性水平与现状

1.国外仪表可靠性水平
(1)国外技术先进国家为保证仪表产.错的可靠性和环境适应性，非常重视仪表的可靠性评
定等和环境影响的试验工作。
① 可靠性技术指导设计制造;
② 可靠性试验项目全;
③ 分级。
据统计国际电工委员会(IEC)设计仪表环境试验和影响量效应试验的项日有48项，其中包括气候因素、机械因素和电磁干扰等方面的试验项日，同时还要进行产品寿命试验。
(2)日本将仪表的可靠性按故障率可分为四级
①故障多 〉l%/千小时，1000x 100=10万小时
②故障一般 1-0.5%/千小时，10-20万小时
③故障少 0.5-0.2%/千小时.20-50万小时
④无故障 <0.2%/千小时，>50万小时
日本横河I系列仪表可靠性以平均故障率在1%/千小时以下作为开发项目，但实际上己达下表指标

名称
型号
故障率%/千小时
预测值
实测值例
指示调节器
温度变送器
警报设定器
开方演算器
差压变送器
定位器
气动指示调节仪
气动差压变送器
ICE
ITE
IKY
ISQ
EB
EP
BOA
T/BA
0 .35
0.18
0.11
0.24
0 .15
<0 .12
0.06
<0 .45
<0 .08
<0 .1
0.2
0.03

日木过程仪表控制技术协会(IPC)在80年代初发表的用户调查报告书“关于石油、石油化学工业中仪表故障情况(NOIPC-TB-01-78)”中指出，他们调查了17个仪表用户对其中5个厂家的仪表故障率作了统计，结果是:电子式盘装表故障率为0.96%/千小时
电子式变送器故障率为0.52%/千小时
气动仪表故障率为0.25%/千小时
若按0.2%/千小时换算成仪表的MTBF为50万小时。

2.国内仪表可靠性现状(理论脱离实际)
据调杳，国产仪表在
①试制和投产过程中，比较缺乏认真的全面性评定，更谈不上可靠性试验。
②在仪表设计时也缺乏可靠性技术理论的指导和进行可靠性试验分析，所以，许多仪表的
可靠性和环境适应性很差。
例:据四川几个天然气矿所作初步统计表明:双波纹管差压计平均700小时左右就要拆下来维修一次。