声学应答释放器电路部分可靠性分析

徐向上，张选明，贾立双，冯志涛，李家军

（国家海洋技术中心，天津 300112）

声学应答释放器电路部分可靠性分析

徐向上，张选明，贾立双，冯志涛，李家军

（国家海洋技术中心，天津 300112）

声学应答释放器是一种对可靠性要求很高的海洋环境监测设备，文中对国家海洋技术中心研制的声学应答释放器进行了可靠性分析。首先介绍了声学应答释放器的电路构成及功能；然后依据可靠性建模相关理论完成电路部分可靠性模型建立，依据可靠性模型，预计了设备的固有可靠度；最后有针对性地提出改进措施，用于指导声学应答释放器设计，为释放器技术研究提供计算模型与可借鉴的经验。

声学应答释放器；可靠性分析；改进措施

深海声学应答释放器（以下简称释放器）是一种通过海水作为介质传播声学信号进行指令操作、完成预定动作的遥控装置。释放器在锚定浮标、潜标、海床基等海洋监测系统上应用广泛，而且是其中的重要一环，对于监测系统的正常在位工作和回收十分关键。

以释放器在锚定海洋监测系统中应用为例，一般将释放器串联在系统的系留索中，完成测量任务后，操作人员使用甲板单元发射声学指令，释放器在收到声学释放指令后，通过电机驱动释放机构完成释放，监测系统在浮力的作用下浮至海面[1-2]。在此过程中释放器如果不能正常释放，就会给回收系统带来很大的困难，甚至造成巨大损失。释放器作为海洋监测系统的重要一环，在监测系统布放后，位置处于整个系统的最下端，承受着巨大的海水压力和系统拉力，其工作环境长期处于海水腐蚀、低温和高湿。因此，释放器的可靠性就显得十分重要。为了提高释放器的可靠性，需要对其进行可靠性分析，然后提出相应的改进措施。

“十二五”期间，国家海洋技术中心在海洋行业公益专项的支持下承担了“深远海调查观测重点基础装备产品化应用示范”之子任务“声学应答释放器产品化”项目。本文就是基于该项目所研制的释放器进行电路部分可靠性分析。

1 释放器电路原理

释放器电路部分主要包括接收电路、控制电路、发射电路。释放器接收电路如图1所示。换能器接收水上机发出的声学信号，将其转换为微弱的电信号，由接收电路进行放大和滤波处理后，经滤波器剥离出相应频率的信号，同步检波器对剥离出的信号进行检测，若符合规定的频率，输出高电平，否则输出低电平。接收电路功能框图如图2所示。

图1 接收电路板

图2 接收电路功能框图

接收电路将高低电平输出至控制电路后，先由控制电路中的A/D转换器转换为数字信号，经控制电路中的单片机判断，若为应答指令，控制电路进行数字频率合成，合成的信号编码输出至发射电路；若为释放指令，则输出至驱动机构，驱动电机旋转释放。控制电路如图3所示，控制电路功能框图如图4所示。

图3 控制电路板

图4 控制电路功能框图

释放器发射电路将控制电路输出的电信号电压放大后，再进行功率放大后输出至换能器。发射电路如图5所示，其功能框图如图6所示。

图5 发射电路板

图6 发射电路功能框图

2 可靠性建模

2.1 可靠性建模的相关概念

①可靠度是可靠性的一个重要量化指标，是指系统在规定的条件和时间，完成规定功能的概率，记为R。②不可靠度是指在规定的条件和规定的时间内,系统不能完成规定功能的概率,记为F。③可靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性是指系统在规定的条件下无故障的持续时间或概率，对产品的寿命期进行全方位考虑。任务可靠性模型是指系统在规定的任务剖面内完成规定功能的能力，能够反映任务成功性。在完成任务的过程中，任务可靠性模型描述了系统各单元的预定用途。在系统不存在替代工作模式或者冗余的情况下，基本可靠性模型和任务可靠性模型都是串联结构。④可靠性框图从可靠性角度出发，较为直观地描述了释放器电路整体系统与部分各子单元间的失效逻辑。⑤可靠性数学模型是对电路部分进行可靠性分析之后，建立与之对应的数学模型。⑥应力分析法是基于概率统计，对电子元器件在标准应力与环境下，通过大量实验，并对其实验结果进行统计得出电子元器件的失效率。目前，应力分析法有非常成熟的标注和预计手册，比如美国军用标准手册MIL-HDBK-217，以及我国信息产业部第五研究所制定的《电子设备可靠性预计手册》（GJB/Z299C-2006）等。

2.2 建立可靠性模型

本文建立的可靠性模型包含可靠性框图和可靠性数学模型两项内容。本文仅对释放器电路的在位运行进行可靠性预计，工作时限为8 760 h（即1 a），因此采用任务可靠性模型。在进行可靠性建模时不考虑冗余或替代工作模式的存在，因此所建可靠性模型为串联结构。

针对释放器各部分电路的可靠性指标，采用应力分析法进行预计，首先依据电路的原理和功能，将电路内部划分为串联结构。在功能上，这种串联结构为相对独立的可靠性预计单元。然后根据电子元器件工作失效率模型计算每个可靠性单元的工作失效率。

根据对释放器电路部分的原理分析，建立可靠性模型，如图7～图9所示。参照可靠性建模的基本理论，R表示释放器电路部分总可靠度，接收电路、控制电路和发射电路的可靠度分别用R1，R2，R3表示，各电路组成单元分别用 R1i，R2i，R3i表示。

图7 接收电路可靠性框图

图8 控制电路可靠性框图

图9 发射电路可靠性框图

释放器电路中电子元器件故障遵循电子元器件失效物理学，其故障多为偶然因素导致，因此寿命服从指数分布。对于释放器的接收电路、控制电路、发射电路而言，各电路中的完成规定功能的组成单元都是串联系统。因此，释放器电路的可靠性数学模型为：

式中：λ为工作失效率；t为工作时间（在此取8 760 h，即 1 a）。

3 释放器电路固有可靠性预计与提高可靠性措施

3.1 释放器电路固有可靠性预计

通过对释放器电路可靠性建模，进而对各电路固有可靠性进行预计。在计算过程中，各种电子元器件的数学模型参考《电子设备可靠性预计手册》（GJB/Z299C-2006）。在查询各元器件故障数据时，需要注意的是，在《电子设备可靠性预计手册》（GJB/Z299C-2006）所列出的各种环境类别中，释放器电路的工作环境并没有明确的对应环境分类。释放器电路的工作环境与潜艇的工作环境很相似，两者工作环境都是水下耐压密封环境，因此参照“潜艇内的环境条件（NSB）”进行计算，环境温度参考深海温度，设定为2℃左右。

本文不对各电路的元器件的计算过程一一论述，只以电容器为例，其工作状态失效率预计模型为：

式（2）中：λp为工作失效率（10-6/h）；λb为基本失效率（10-6/h）；πE为环境系数；πQ为质量系数；πCV为电容量系数；πSR为串联电阻系数；πK为种类系数；πch为表面贴装系数。

根据释放器工作的环境参数以及元器件的属性，查询《电子设备可靠性预计手册》（GJB/Z299C）得出式（2）中每个系数的值，代入式（2）得到元器件的工作状态失效率,然后根据串联模型计算得到各单元的工作状态失效率。

表1 接收电路工作状态失效率

表2 控制电路工作状态失效率

表3 发射电路工作状态失效率

经过以上计算汇总，释放器电路部分失效率为表4所示：

表4 释放器电路部分工作状态失效率

由表4可以看出，释放器电路部分总失效率λ=6.972 9×10-6/h。根据第2节所建立的数学模型式（1），10-6/h，t=8 760 h。计算可得释放器电路部分可靠度R≈94.1%。由计算结果可知，释放器电路部分可靠度较高，可以满足在深海密封耐压环境中长周期使用。

3.2 提高释放器电路部分可靠性的措施

从各电路计算结果可以看出，控制电路可靠性低于接收电路和发射电路，原因是控制电路使用的元器件数量多于接收电路和发射电路，为了提高控制电路的可靠性：①控制电路在改进设计时，最大限度采用集成芯片取代原有的大量零散元器件，可以有效降低电路失效率约20%,②尽量采用军工级电子元器件，如果控制电路全部采用军工级元器件，失效率可以降低约50%。注意控制电路的电子元器件减额使用，减额使用是指电子元器件在使用时承受的应力低于其额定值。

在电子元器件采购、封装、调试、检测阶段就需要明确分工，对其进行全程质量控制。采购完成后，对所购电子元器件进行检测，筛选合格产品使用，然后对电子元器件进行封装；最后对完成的电路板进行长期拷机试验与“自然老化”试验，以保证释放器电路部分的可靠性。其中长期拷机试验是指开机运行一段时间，检测系统的可靠性，而所谓“自然老化”是指将批量完成的电路板长期静置，一段时间后（0.5～1 a），检测筛选出合格产品。

4 结论

本文对国家海洋技术中心研制的一款声学应答释放器进行电路部分可靠性建模，所建立可靠性模型为式（1），并且据此预计其固有可靠度为94.1%。能够满足正常在位工作要求。然后根据计算结果，提出改进措施，以进一步提高其可靠性。释放器作为海洋监测系统中的重要组成部件，从可靠性方面对其进行深入研究，对于今后开展样机研制和提高产品质量方面都有非常重要的指导意义。

[1]贾立双，张选明.深海声学应答释放器总体设计[J].海洋技术，2013（6）：90-91.

[2]陈雄洲，聂晓敏，陈霞，等.深海释放器的技术发展展望[C]//2008海洋前沿技术论坛论文集，广州，2008.

[3]张学坪.QSF3-1型声学应答释放器的可靠性分析[J].海洋技术，1993,12(4):1-12.

[4]方芳.投弃式温度剖面测量仪（XBT）可靠性研究[M].2011:34-35.

[5]中国人民解放军总装备部.GJB/Z299C-2006.电子设备可靠性预计手册[S].北京：总装备部军标出版发行部，2007-01-01.

Analysis on the Reliability of the Circuit Part of Acoustic Release Transponder

XU Xiang-shang,ZHANG Xuan-ming,JIA Li-shuang,FENG Zhi-tao,LI Jia-jun
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

The acoustic release transponder is a kind of marine environment monitoring device with high reliability requirement.This paper analyzes the reliability of the acoustic release transponder developed by the National Ocean Technology Center.It firstly introduces the circuit composition and functions of the acoustic release transponder.Then based on the theory of reliability modeling,the reliability model of the circuit is established,and the inherent reliability of the equipment is expected in this paper.Finally,targeted improvement measures are proposed to guide the design of the acoustic release transponder,so as to provide a computational model and a reference experience for the technology research on advanced acoustic release transponders.

acoustic release transponder;reliability analysis;improvement measures

TB56

A

1003-2029（2017）05-0062-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.010

2017-05-31

海洋公益性行业科研专项资助项目（201405006-2）

徐向上（1994-），男，硕士研究生，主要研究方向为海洋环境监测平台结构设计。E-mail:18222501712@163.com

贾立双（1980-），男，工程师，主要研究向为海洋环境监测技术。E-mail:jlsh1980@sina.com