SZC16-1型温度剖面仪测量电路可靠性预计研究

方 芳，张 鹏

（国家海洋技术中心，天津300112）

SZC16-1型温度剖面仪测量电路可靠性预计研究

方 芳，张 鹏

（国家海洋技术中心，天津300112）

文中主要以SZC16-1型XBT测量电路为例，从固有可靠性预计的理论基础出发，通过对基本元器件、单元电路及整个可靠度的计算，给出了目前该型号XBT测量电路的可靠性参数，同时阐述了硬件电路可靠性研究的方法和步骤。

XBT；测量电路；可靠性预计

XBT(The expendable bathythermograph)全称为投弃式温度剖面仪，作为一种快速、经济的海洋测量仪器，能够在船舶航行状态下，快速测量海水的温度剖面，并通过测量探头的下降时间计算相应的深度。

20世纪70年代末，国外已将XBT广泛应用于大洋科学考察和研究之中。我国自20世纪80年代，国家海洋技术中心开始该技术研究，2000年以来，在国家863等项目的支持下，经进一步深入研究和多次试验，已经完成工程样机的研制。针对其可靠性研究工作，本文以测量电路为例，通过对该仪器的工作状态及非工作状态可靠度的预计，给出了可靠性参数，同时阐述了该测量电路可靠性研究的步骤和方法。

1 测量电路固有可靠性预计

1.1 测量电路原理及建模

该型号XBT测量电路，选用热敏电阻作为敏感器件，通过传输线、发射器和连接电缆，将温度信号传送到放大器和AD转换器，使模拟信号变为数字形式，并通过微处理器进行数据处理、非线性拟合和暂存，通过串口将测量数据上传至数据采集处理计算机处理和存储。测量框图如图1所示。

图1 测量电路功能框图

使用应力分析法预计测量电路的可靠性指标，首先需根据测量电路的功能和原理划分出在功能上相对独立、内部为串联结构的可靠性预计单元；再按照各种元器件工作失效率模型，计算单元内的各元器件的工作失效率。根据对XBT测量电路原理的分析，可以划分和建立可靠性模型，如图2所示。

图2 测量电路可靠性框图

根据可靠性建模的基本理论，可靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型[1-2]，基本可靠性模型是构成的所有单元（包括冗余单元和代替工作单元）建立串联模型，无论完成一种任务或是多种任务其基本可靠性模型是唯一的，值得指出的是，基本可靠性模型全面考虑了从接收到它退出使用期（即寿命期）的可靠性，而在寿命期内，除了工作之外，还具有非工作状态，包括储存、运输等。对于该测量电路来说，由于其一次性使用的特殊性，因此该为非修复[3]。同时因为该任务剖面是唯一的，并且完成规定任务的各单元，包括非工作状态和工作状态，都是环环相扣的串联。

其串联数学模型表达如下：

则，

1.2 测量电路工作状态固有可靠性预计

根据测量电路可靠性模型，由于电子元器件服从指数分布，而且属于串联结构，因此寿命也服从指数分布。在计算过程中，由于各类元器件的数学模型不同，本文不一一介绍各单元的具体计算过程，仅以微处理器单元的失效率为例阐述计算方法[4]。处理器单元电路元件可靠性预计见表1，处理器单元电路器件可靠性预计见表2。

表1 处理器单元电路元件可靠性预计表

表2 处理器单元电路器件可靠性预计表

以微处理器为例，说明元器件工作状态可靠性计算的方法和步骤[5]：

(1)确定工作失效率模型。首先辨别微处理器是进口半导体单片集成电路，属于模拟集成电路，列出其工作失效率模型：

(2)确定环境系数πE，质量系数πQ，温度应力系数πT。根据舰船良好舱NS1环境，查找环境系数表，得到：πE=3；根据微处理器制造商规定的生产和试验流程确定的产品级别，查找质量系数表，得到：πQ=6；根据微处理器芯片的结温Tj，查找温度应力系数表，得到：πT=1.609。

(3)确定单片模拟集成电路复杂度失效率C1，集成电路封装复杂度失效率C2。根据微处理器芯片的晶体管数NT，查找单片模拟集成电路的复杂度失效率表，得到C1=0.009 6；根据微处理器芯片的引出端数目Np，查找集成电路封装复杂度失效率表，得到非密封器件C2=0.010 2。

(4)计算工作失效率：

(5)最后计算该单元的工作状态总失效率：

根据以上的计算说明，依次计算得到其他单元的失效率，各个单元失效率之和即为工作状态的失效率，如表3所示。

1.3 测量电路非工作状态固有可靠性预计

经过长时间的实践发现，长期不工作或出于储存状态的设备存在一定的退化，即设备在非工作状态下失效率并不为“0”。但是目前，在进行可靠性分析的时候，经常将设备的非工作状态失效率忽略不计，这是很不合理的。有很多设备，比如，本文论述的测量电路，在其使用寿命期间内的绝大多数时间都处于储存或者运输的状态，工作的时间非常短，其非工作状态的可靠性对其投放成功率的影响非常大。

表3 工作状态失效率

这里谈到的非工作状态，是指其能工作而不在工作的状态，指运输期、储存期的状态。在非工作期间内，对失效产生影响的主要有振动、盐雾、温度、冲击、湿度、霉菌等环境应力。非工作状态可靠性预计的一般程序与工作状态可靠性预计程序相似，也属于串联，预计程序如图3所示：

图3 非工作状态可靠性预计程序图

假设非工作环境温度为25℃，该程序的非工作环境状态一般处于储存和运输两种状态中，根据非工作环境分类，属于地面良好GB及平稳地面移动GM1两种环境类别，因此，非工作状态系数πNE要进行系数修正，在两种环境下系数取中间值。

下面再以放大器为例，进行说明[5]。其中，与工作状态可靠性预计不同之处在于，各λNb、λNp及π因子均指在非工作状态的系数。放大器单元元件非工作状态预计表如表4所示，器件非工作状态预计表如表5所示。

计算该单元的非工作状态总失效率为：

非工作状态失效率汇总如表6。

表4 放大器单元元件非工作状态预计表

表5 放大器单元器件非工作状态预计表

表6 非工作状态失效率

1.4 工作与非工作失效率的综合预计

根据测量电路的特点，其非工作时间占用了使用寿命的很大部分，可靠性预计的结果应该是其工作时的失效率与非工作期间失效率的综合[6]。因此，使用修正模型，在修正模型里包括非工作失效率的修正项。其数学模型如下：

式中：λT为总失效率；λp为工作失效率；λNp为非工作失效率；d为工作时间与非工作时间之比。

测量电路的实际工作时间约为1 h，非工作时间约为240 h，时间总计241 h。计算可得d=0.004 2,λp=16.002 2，λNp=3.822 8，则：

2 结语

通过以上分析，可以看出SZC16-1型XBT测量电路的可靠度预计值已经达到了99%以上，进一步提高SZC16-1型XBT的可靠性，应着重对工艺和其他部分进行深入的分析、试验和研究。

[1]曾声奎.可靠性设计分析教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]孙青.电子元器件可靠性工程[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3]李海泉，李刚.可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003.

[4]总装电子信息基础部．GJB/Z 299C-2006．电子设备可靠性预计手册[S]．北京：解放军总装备部，2006.

[5]信息部产业部电子第五研究所．GJB/Z 108A-2006．电子设备非工作状态可靠性预计手册[S].北京：解放军总装备部，2006.

[6]张增照，潘勇.电子产品可靠性预计[M].北京：科学出版社，2007

Study on Reliability Prediction of Measurement Circuit for SZC16-1 XBT

FANG Fang,ZHANG Peng
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The general method and steps of reliability for the measurement circuit of XBT is analyzed on the basis of reliability prediction theory.The basic component calculation,circuit calculation and system calculation are carried out.The reliability parameters of measurement circuit system which is useful for improving reliability of marine instruments later are given finally.

XBT;measurement circuit;reliability prediction

P716+.12

A

1003-2029（2011）02-0088-04

2011-02-15