极端温度条件典型引信电参数变化规律和失效机理

2022-12-09李波张宏翔李世中张亚

装备环境工程 2022年11期

李波，张宏翔，李世中，张亚

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2. 晋西工业集团有限责任公司防务装备研究院，太原 030027）

引信元器件在极端环境应力下的参数变化会导致引信电参数变化，甚至引起性能失效、弹道炸、瞎火等严重后果[1-6]。其中，温度是造成引信在工作过程中失效的重要原因[7-9]，而引信在野外战备状态或发射时可能遭受极端温度应力。我国极端最低温度记录在-50 ～-60 ℃[10-11]，弹底引信在膛内发射过程中引信外壳温度最高可达140 ℃[12-17]。因此，研究典型引信在极端温度应力叠加电应力条件下的有效试验方法和测试方法，对揭示引信在恶劣工作环境中的失效机理，保证引信产品高可靠性要求的实现有着重要意义[18-19]。

1 典型引信高低温强化试验

1.1 典型引信概述

被试引信为发射前开始供电的时间固定型电子时间引信，在发射过程中需对引信二级电源（储能电容）快速感应充电，经过固定延时，点火电路输出点火脉冲，引爆传爆序列。其电路由整流稳压模块、二级电源储能模块、RC 振荡电路模块、数字定时模块、点火电路模块组成，所使用的元器件封装形式包括表面贴装和分立元件，其模块电路、使用的元器件以及制造工艺具有一定的典型性。

1.2 高低温强应力场模拟

采用CZ-A 型高低温试验机可实现-60～150 ℃任意温度值的设定，试验箱留有测试孔，可外接导线进行在线测试。在高低温环境试验中，2 个热电偶分别置于被试引信的外表面和内部，同时置于高低温试验机内，通过热电偶补偿导线与试验机外部的测试系统相连。当2 个温度传感器与试验机设定温度一致时，表明引信温度达到试验箱设定温度，达到测试条件。

1.3 在线测试方法

在实验过程中，利用自主开发的测试系统模拟发射过程的充电脉冲为引信二级电源充电，同时全程记录引信电参数随时间变化曲线，自动提取引信电参数，并输出保存[20]。

1.4 高低温强化试验方案

试验在常温、标准大气压下进行，参考厂家对该引信进行的实验室试验项目和测试方法进行试验。

1）试验样件。随机抽取引信作为样件，增加测试接口，埋入热电偶温度传感器探头，焊接测试线缆和专用插头，改装后测试合格。

2）检测项目。取基准频率、定时时间、点火脉冲、工作电压为被测电参数，可进一步细化为基准频率、定时时间、初始工作电压、点火时工作电压、点火脉冲初始电压、点火脉冲结束电压、点火脉冲持续时间等被测参数。

3）试验前性能参数测试。选取改装后的样件，对其主要电参数进行测试，并记录样件的初始参数。

4）试验方法。在高低温试验机可设定的温度极限-60～150 ℃内进行试验，将试验样件放入高低温试验机，对典型引信进行步长为10 ℃的步进应力强化试验。在每一阶应力处，待引信温度达到试验箱设定温度时，通过外接测试线缆和自主开发的测试系统对箱内引信进行参数测试，得到电参数随时间变化曲线。

5）终止判据。1/2 以上的受试样件达到破坏极限或步进试验应力达到设备极限。

1.5 高低温强化试验操作

采用高低温试验机，依据引信强化试验的方法和步骤，在-60～140 ℃内，对典型引信进行步长为10 ℃的步进应力强化试验。在每一阶应力处，待引信温度达到试验箱设定温度时，对箱内引信进行参数测试。高低温正式试验中试验样件数为6 个，测试系统和被试引信样件分别置于高低温试验机外部和内部，测试线缆通过高低温试验机测试孔进入高低温试验机内部完成测试，如图1 所示。

图1 试验中的测试系统和被试引信Fig.1 (a) Test system and (b) tested fuze

2 典型引信电参数在高低温条件下变化规律

2.1 典型引信电参数选择依据

电子时间引信验收检测参数为定时时间和点火脉冲峰值电压[21-23]。对于电子时间引信，定时时间和基准频率之间一般存在强相关性，对于靠储能电容供电的引信，点火脉冲峰值电压与引信工作电压也存在关联关系。为了能揭示引信参数变化机理，在实验过程中增加了基准频率和工作电压的监测，以获取更多有价值数据。

由于工作电压曲线为非线性曲线，曲线上存在多个拐点。为描述其变化情况，可进一步细化为初始工作电压、点火时工作电压等被测参数，还可以计算出引信电路在点火前的电能损耗率（工作电压下降斜率）等参数。

2.2 引信参数在不同温度条件下变化的表征方法

对于引信特征参数的定量描述和评估，可借鉴电子元器件高低温试验中的描述和评估方法[24-25]。当参数变化近似线性时，采用温度系数进行表征；当参数变化规律较复杂时，采用温度变化百分率和温度稳定性系数进行描述。

2.2.1 温度系数

当引信电参数Y随温度t变化，温度稳定性较好，且近似呈线性时，引信电参数是温度的函数。在电参数–温度关系曲线上，任一点的斜率即表示该温度时电参数变化的大小。温度变化1 ℃时，电参数的相对变化率就称为该电参数的温度系数，即：

在实际情况下，工程上希望知道某一较宽温度范围内的温度系数。如果电参数Y随温度t的变化是线性的，则该电参数温度系数可表示为：

式中：Y1为常温t1时的电参数，或负极限工作温度t1时的电参数；Y2为正极限工作温度t2时的电参数。

2.2.2 温度变化百分率ΔY/Y

对一些随温度变化规律复杂的电参数，可用温度变化百分率表示，即：

式中：Y1为常温时的电参数，或负极限工作温度时电参数；Y2为正极限工作温度的电参数。

2.2.3 温度稳定性系数

以上讨论的2 个参数均为可逆变化情况，即产品从高低温状态恢复到常温状态时，其电参数变化自行消失。当引信电路在工作状态下受到一系列外界因素影响时，还可能引起电参数的不可逆变化。例如，储能电容在极端温度环境下由于介质内部发生物理、化学或电化学变化，使介质的结构性能改变，从而使介电常数发生变化。这些变化一经产生就不再消失，从而引起电容量的不可逆变化。

为了表征电参数不可逆变化的程度，采用稳定性系数，即：

式中：Y1为试验前常温时的电参数；Y2为经过试验后恢复到常温时的电参数。

2.3 基准频率在高低温条件下变化规律

被试引信基准频率的温度特性是其内部RC 振荡回路中所有元器件及材料温度特性的集中体现，如图2 所示。在-60～140 ℃内，基准频率f相对20 ℃的温度变化百分率为Δf/f＜5%，总体呈现非线性。由于该引信定时时间为基准频率的计数，基准频率的变化也决定了定时时间的变化范围。如在50～140 ℃高温条件下，随温度升高，基准频率降低，定时时间延长。

图2 引信基准频率的温度特性曲线Fig.2 Reference frequency temperature characteristic curve of Fuze

2.4 电能损耗率在高低温条件下变化规律

被试引信工作电压随时间变化的实测曲线如图3所示。充电结束后，工作电压曲线的第1 个拐点对应初始工作电压。在引信工作过程中，随着电能的消耗，引信工作电压呈近似线性下降，下降速率可用电能损耗率表示。当到达定时时间，引信输出点火脉冲，工作电压曲线的第2 个拐点对应点火时工作电压。电能损耗率过大易导致点火时工作电压和点火脉冲初始电压过低，引起引信瞎火。随着温度的升高，受引信基准频率下降、引信电路中的负温度系数元件在高温条件下功耗下降等综合因素的影响，引信电能损耗率总体呈现低温高损耗率和负温度系数特性，如图4 所示。排除5#样件粗大误差后，在损耗率最大的-60 ℃，相对20 ℃的变化百分率为9%～35%。

图3 -60 ℃下1#样件工作电压随时间变化曲线Fig.3 Power supply voltage change curve of sample 1 # with time under -60 ℃

图4 引信电能损耗率的温度特性曲线Fig.4 Electric energy loss temperature characteristic curve of Fuze

3 典型引信极端温度下故障分析

3.1 低温掉电故障分析

在-60～-30 ℃内，当19 V 充电脉冲结束后，试验样件的初始工作电压均出现2～4 V 瞬间压降的掉电故障。由图3 可见，在引信充电结束时，初始工作电压突然降低，引起引信工作电压和点火电压低于正常值，引信点火能量不足，严重时将导致引信点火不充分或瞎火。

经分析发现，造成“低温掉电”故障原因为：在外部脉冲电源充电结束后，型号为BZX84-18 的18 V 稳压管在-60 ℃雪崩击穿，稳压值降为 15～17 V，稳压管启动，消耗电能，低温掉电造成的电压损失在引信工作过程中不能恢复。同时，随着温度升高，稳压管稳压值也逐步升高，其温度系数为8×10-4～9.5×10-4/K，而外部脉冲电源最高充电电压为19～19.5 V 左右。在高温条件下，稳压管击穿电压高于19 V，稳压管处于不导通状态，此时引信初始工作电压与外部脉冲电源充电电压相等，如图5 所示。

图5 引信初始工作电压的温度特性曲线Fig.5 Temperature characteristic curve of initial working voltage of fuze

一般稳压管稳压值低于6 V 属齐纳击穿，温度升高时，耗尽层减小，耗尽层中原子的价电子上升到较高的能量，较小的电场强度就可以把价电子从原子中激发出来，产生齐纳击穿，因此它的温度系数是负的。如BZX84-C3V6 的3.6 V 稳压管稳定系数为-8×10-4～-3×10-4/K。高于6 V 的属雪崩击穿，雪崩击穿发生在耗尽层较宽、电场强度较低时，温度增加使晶格原子振动幅度加大，阻碍了载流子的运动。这种情况下，只有增加反向电压，才能发生雪崩击穿。因此，雪崩击穿的电压温度系数是正的。如BZX84-C15 的15 V稳压管稳定系数为7×10-4～9×10-4/K。可将BZX84-18的18 V 稳压管，换为串联的2 只BZX84- C3V3 稳压管和BZX84-C3 稳压管，这2 只稳压管合计稳压值为17.2～19.4 V。由于其温度系数相反，通过温度补偿，达到在高低温条件下得到稳定18 V 电压的作用[26]。

3.2 高温短路故障分析

在高低温强化试验过程中，引信在低温极限-60 ℃仍能正常工作，但在高温（130～140 ℃）条件时，出现确定性故障，如图6a 所示。1#、3#、9#、6#样件2 条外部充电导线之间呈现低阻和短路特性，充电脉充峰值由正常状态的19 V 降为5 V，引信电路不上电，不工作。

图6 1#、3#、9#、6#样件对应的故障充电脉冲信号和充电线之间短路Fig.6 (a) 1#, 3#, 9#, 6# samples corresponding to the fault charging pulse signal and (b) the charging line short circuit

对于故障引信，测量引信2 根充电导线以及充电导线和外壳之间的电阻值均近似为0，存在短路现象，如图6b 所示。由此可确定短路位置为充电导线穿过引信外壳的引线孔处。通过解剖和显微分析发现，被试引信铝合金外壳引线孔内没有经过绝缘处理，而充电导线的绝缘层为耐温80 ℃的聚氯乙烯，在高温条件下有热缩现象，同时引信外壳受热膨胀，在130～140 ℃时产生的热应力将充电导线绝缘层从引线孔附近拉断，导致绝缘层破损，导线与引信壳体接触短路。在图7 中可看到充电导线绝缘层断裂，金属导线露出。在实际工作过程中，该故障会引起引信不上电和瞎火。在对该引信0.22 mm2聚氯乙烯充电导线进行验证试验时，复现了该故障：120 ℃保温3 h后，聚氯乙烯绝缘外套由10 cm 缩短至9.8 cm；140 ℃保温3 h 后，聚氯乙烯绝缘外套缩短至9.5 cm。

图7 充电导线高温短路失效照片Fig.7 Photo of high temperature short circuit failure of power line

故“高温短路”所对应的失效机理和解决方法如下：在130～140 ℃时，引信外壳受热膨胀，充电导线绝缘层受热收缩，由于环氧胶塞和灌封电路将充电导线两端固定，引线孔位置的导线绝缘层受热变形破损，金属导线与引信壳体接触短路，如图8 所示。可通过换用耐高温硅胶导线，或引线孔内涂覆阻焊油墨的工艺方法解决该故障。