电子测压器倒置开关的可靠性研究*
2014-09-06胡向南
胡向南,祖 静,张 瑜,黄 慧
(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)
电子测压器倒置开关的可靠性研究*
胡向南,祖 静,张 瑜*,黄 慧
(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)
针对由于放入式电子测压器工作环境复杂,使倒置开关在实际应用中有时会出现不上电或误上电的情况,为确保测压器可以在恶劣条件下正常上电工作,设计了利用可靠性测试系统,马歇特冲击锤以及可靠性参数计算对倒置开关进行可靠性研究的方法,并运用此方法对一组倒置开关进行了具体的可靠性分析。这种可靠性研究为火炮膛压测试的成功进行提供了重要保障。
电子测压器;倒置开关;可靠性;可靠性试验;数据分析
〗根据国军标GJB2973A—2008规定,在火炮膛压测试前,放入式电子测压器和发射药应在发射前随弹保温至少48 h。由于电子测压器固封在弹丸中,在保温期间与结束后无法对其手动上电,同时电子测压器只有22 cm3的体积(内积为15 cm3),限制了内置电池的容量。为实现测试系统的低功耗,设计了基于数字加速度计MMA8453Q的倒置开关。倒置开关是电子测压器的电源控制器件[1],作用就是在弹丸保温期间保证测压器处于最低功耗状态,弹丸入膛前通过将药筒倒置(弹尖朝下)使测压系统上电工作。但由于工作环境复杂恶劣,实际存在倒置开关不能正常对测压器上电控制的失败例子。因而,倒置开关的可靠性是判断电子测压器测试系统能否正常工作的重要指标,应对其重点研究[2]。
1 倒置开关及其工作原理
电子测压器倒置开关选用Freescale公司的3轴数字加速度传感器MMA8453Q,它具有体积小、功耗低、抗冲击性好、可靠性高等优点[3]。电子测压器倒置开关位于传感器下方,正面朝向传压孔,此时Z轴的加速度值为1gn,如图1所示。
图1 倒置开关在电子测压器中示意图
测压器系统设定当MMA8453Q的Z轴从竖直向上的初始位置向任意方向旋转一定角度(大于115°小于245°)时,如图2,便认定加速度计倒置,同时向处理器提供中断信号。为防止运输过程颠簸或使用过程中由于操作不当而引起的误上电,在系统响应加速度计输出中断后,只有连续20 s内始终判断到Z轴旋转方向达到阈值角度(此时Z轴加速度值小于-0.8gn),才认定系统上电,进入工作状态:其中,先用加速度计自带的防抖动功能进行延时10 s判断,当10 s内倒置开关都处于背面时才输出上电中断信号,处理器收到此信号后再进行10 s的Z轴加速度值的判断,满足上电条件后最终输出一个有效上电控制信号[4]。
图2 倒置开关开关通断姿势示意图
膛压测试前,接通倒置开关与电子测压器的电气连接,并对倒置开关进行编程设置。此时测压系统处于低功耗状态,倒置开关被激活,可将测压器放入药筒随弹保温。测试前5 min,利用翻弹机将弹丸倒置1 min,倒置开关也随之翻转。当倒置开关检测满足预设倒置条件时,向控制电路发送上电中断信号,激活测压器采样存储模块,进入全工状态,同时倒置开关进入待机模式。
2 可靠性测试系统及可靠性试验
2.1 可靠性测试系统
倒置开关的可靠性测试系统通过模拟倒置开关的实际应用环境,以检测智能倒置开关的上电中断信号、上电控制信号、0°基准信号和Z轴实时加速度值等信号,为后续的研究分析提供依据,从而找出实际工作中可能发生的故障,筛选出符合标准的产品。倒置开关可靠性测试系统如图3所示,倒置开关检测电路固定于转筒上,由小功率调速电机带动转筒旋转以模拟倒置开关的工作情况;高低温试验箱用以模拟倒置开关的工作环境;检测电路的微处理器采用与电子测压器相同MSP430F4618;外部NOR型FLASH用以采样和存储数据;FLASH通过通信接口与上位机相连,将存储的数据完整读出,从而对数据进行后续处理和分析,给出可靠性量化指标。
图3 可靠性测试系统的结构
由于倒置开关是以判断翻转角度阈值来发送上电中断信号的,所以在进行可靠性测试时需要一个0°的参考标准来确定何时倒置开关位于初始位置。所以在电机的安装水平面放置一个发光二极管,当转筒上的检测电路正面朝上放置时,电路板上的光敏三极管与发光二极管处于一条直线,三极管接收到的光信号最强,同时输出高电平信号;当转筒开始旋转,光敏三极管转离发光二极管时,接收到的光信号逐渐减弱,并输出低电平信号。这时就可以把光敏三极管的输出信号作为0°基准信号。
2.2 可靠性试验及结果分析
2.2.1 常温试验
进行常温环境试验时,将被测倒置开关固定于检测电路上,调节电机转动一周的时间为4 min,待其转速平稳时开启检测电路的采样存储功能,连续模拟1 000次倒置后停止采样。
图4 6~9号测压器原始波形图
如图4为本次试验48个倒置开关的6号~9号存储在外部FLASH中的原始数据波形图,其中横轴为采样点数,纵轴为加速度的bit值,由于设定的数据输出为8位,所以最大bit值为255。理论上,在倒置开关旋转到90°和270°时,加速度达到临界值,此时Z轴由受重力引起的加速度为0gn;当倒置开关翻转到背面时,Z轴理论加速度值为负数。由于加速度的二进制bit值无符号位,所以可以在图中观察到bit值在某一点会骤增,此点即为临界点。分析波形可知,采样信号波形与理论基本相符。
将bit值转换为Z轴所感应的加速度值与旋转角度随时间变化的波形图,如图5(a)、5(b)分析可知,4个倒置开关的数据一致性较好且连贯平滑,无异常数据出现,且5(b)的递增区间正好对应5(a)的递减区间,说明倒置开关正转向负半周;5(b)的递减区间正好对应5(a)的递增区间,表示倒置开关正转向正半周,与理论情况符合。分析两图可知,倒置开关随转筒旋转一周内所感应到的加速度的的范围介于-1.0140gn~+1.0140gn。同时每个倒置开关旋转到0°时有大约7.5°的滞待角,在此区间(0°-7.5°,0°+7.5°)内倒置开关都输出1gn;而在旋转至180°时有大约10°的滞待角,在此范围倒置开关输出-1gn。旋转一个周期的时间是:73.05 min~69.02 min=4.03 min,与理论值4 min相差0.03 min,角度误差为3°,与理论值基本相符。
图5 常温试验数据波形图
图6 6号倒置开关各采样信号的综合图
2.2.2 高低温试验
火炮内弹道试验方法中规定了火炮内弹道试验的温度环境:高温为+55 ℃,低温-40 ℃。由于测压器要随弹在规定温度下保温,因而测试倒置开关在高低温下的工作能力是十分重要的。利用可靠性测试系统进行高低温环境试验时,首先将高低温试验箱调至试验要求温度(高温+55 ℃,低温-40 ℃),待温度恒定后将检测电路和电机一同置于试验箱中,保温1 h后再进行测试。
图7为高温试验数据波形图,可以看到高温环境下倒置开关在旋转到180°左右时的输出不稳定,产生毛刺。由于倒置开关旋转角度在115°和245°之间并延时20s输出上电控制信号,因而毛刺的出现使得上电控制信号不能为连续的高电平。但由图可知,上电控制信号高电平最短持续时间为1 s,远大于测压器的微处理器对中断信号的响应时间。同时实际情况下测压器随弹丸倒置时不会晃动,加速度计能够输出稳定值,因而毛刺的出现不会影响倒置开关的正常使用。
而由图8可知,低温试验中0°参考信号幅值下降较为明显;On信号的脉宽也有所增加。这是由于温度的变化对加速度计内部的结构造成影响,使滞待角增加。
图7 高温试验数据波形图
图8 低温实验数据波形图
通过计算分析,各智能倒置开关输出的上电控制信号均在正常范围内,能够完成规定功能。
3 抗冲击试验
由于弹丸在发射过程中要承受上万gn的高冲击过载,所以倒置开关同样要承受高过载的冲击。在抗冲击试验中,我们利用马歇特冲击锤来检测倒置开关所能承受的最大冲击强度。
试验时将倒置开关和标准传感器同时固定于马歇特锤的锤头上方,加速度值的大小通过马歇特锤的转盘控制。以加速度计MMA8453Q芯片资料提供的所能承受的最大加速度值5 000gn为测试的初始值,逐渐增加冲击强度,在每个强度下进行两次冲击试验,冲击后将倒置开关与测试电路相连并手动倒置,以检验倒置开关能否正常工作[5-6]。表1列出了1号~3号倒置开关抗冲击试验受到的冲击加速度。通过试验可知,当马歇特锤所造成的冲击加速度超过45 000gn时倒置开关不能正常工作,表明倒置开关具有45 000gn的抗过载能力,符合电子测压器技术指标规定的倒置开关耐30 000gn冲击加速度的要求,证明了其在高冲击过载下可以可靠工作。
表1 抗冲击试验试验结果
*为不能正常工作
4 可靠性定量计算
倒置开关可靠性的要求是当可靠度为0.9时,倒置开关的工作时间要大于等于电子测压器的平均寿命时间[7-8],表2为测压器的可靠性参数。利用可靠性测试系统对48个倒置开关进行了定时截尾试验,没有产品失效,得出如表3的无失效数据。
表2 放入式电子测压器可靠性要求
表3 定时截尾试验无失效数据
经分析,定时截尾试验无失效数据服从威布尔分布,运用基于小样本的数据统计分析方法对试验数据进行参数估计。
表4 各参数计算值
对数值xi和yi进行加权最小二乘法线性拟合,拟合曲线如图9所示。
图9 最小二乘法线性拟合图
综上得这组倒置开关的平均寿命为:
1687.325Γ(1.73)
由于倒置开关属于不可修复产品,所以它的平均故障时间tMTTF就是它的平均寿命1505.094h。
智能倒置开关工作到平均寿命时的瞬时失效率是:
3.623×10-5×t0.376=7.812×10-4
根据表1的可靠性要求,可算出在90%的置信水平下倒置开关工作200h的可靠度置信下限是0.948。
综上计算结果可以看出,本组48个倒置开关的使用寿命满足规定的电子测压器的技术指标,且在使用寿命期内具有较高的可靠度。
5 总结
倒置开关是电子测压器的电源控制器件,它的可靠性很大程度上决定了测压器能否正常上电工作。本文以电子测压器技术资料以及国军标规定的倒置开关的可靠性指标为依据,通过可靠性测试系统、马歇特锤的检测,以及对样本数据进行参数估计,分析倒置开关的可靠性,从而为电子测压器正常上电,火炮膛压测试可以成功进行提供可靠性保障。
[1]常宽. 倒置开关的研究[D]. 太原:中北大学出版社,2009.
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[4]Jonathan Soen,Alina Voda,Cyril Condemine. Controller Design for a Closed-Loop Micromachined Accelerometer[J]. Control Engineering Practice. 2007,15(1):57-68.
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胡向南(1989-),男,山西太原人,中北大学硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器研究,hxn_1989@126.com;
张瑜(1979-),女,辽宁庄河人,中北大学讲师,主要从事动态测试理论与技术的研究。
TheResearchonReliabilityofInversionSwitchforElectronicPiezoGauge*
HUXiangnan,ZUJing,ZHANGYu*,HUANGHui
(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)
Due to the complex working condition of electronic piezo gauge,the inversion switch makes the electronic piezo gauge sometimes fail in power-on or sometimes makes a mistake falsify in power-on. To guarantee electronic piezo gauge could be in power-on normally,a method to study the reliability of inversion switch was designed by using reliability testing system,Marshall’s impact hammer and quantitative calculation,and a set of inversion switches was analysed specifically by using this method. The study of reliability provides an important guarantee for the success of gun chamber pressure test.
electronic piezo gauge;inversion switch;reliability;reliability test;data analysis
项目来源:国防重点实验室基金项目(9140c120704070c12)
2013-12-02修改日期:2013-12-23
TN606
:A
:1005-9490(2014)06-1062-06
10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.011