海洋环境对传感器性能的影响及失效分析

关键词：海洋环境；影响因素；失效分析

中图分类号：TH702；TP212.1 文献标识码：A

0 引言

随着对海洋环境的保护、资源有效利用及海洋国防安全的关注提升，如何发展海洋监测和勘探新技术已经成为国际前沿和研究热点。传感器及相关系统的飞速发展，已经使其成为海洋工程发展及应用的核心。复杂的海洋环境和较大的基体效应具有如下环境特点：一是海水中弥漫大量盐雾，属于腐蚀性较强的环境； 二是海上光照时间长、强度高，高温和温度变化大是常态；三是海上高温会使水汽大量蒸发，易形成高湿环境。另外，海洋环境还存在霉菌、有机生物、寄生虫、振动、冲击、摇摆及倾斜等因素，各种环境条件相互影响、共同作用。传感器相关部件在海洋环境条件的综合影响下，会发生腐蚀、老化、加速系统失效等故障，因此研究海洋环境下的几种典型因素的失效模式、失效原因和预防措施是当前亟待解决的重点和难题。

1 我国海洋气候的特点

1.1 高湿

海洋处于日光照射强烈、降水频次高的气候条件下，很容易形成高湿的环境条件。大多数情况下，海洋环境下传感器工作的环境相对湿度都在 60% 以上。表 1为某海域和某内陆地区的相对湿度情况对比，可以明显看出海洋气候具有高湿度的特点。

1.2 高温且温度变化大

海洋气候的典型特点是温度高，并且高温出现的频次多。传感器工作环境中白天温度较高，夜晚（或阴雨天）则急剧下降，温度的迅速变化会使传感器的可靠性下降。我国各海区气温有所不同：南海终年高温；东南沿海昼夜温差可达 20℃ 以上；东海南部和北部冬季海水温差较大。

1.3 高盐雾

盐雾是海洋环境的特点之一，也是造成传感器腐蚀的最主要因素。盐雾的主要成分是氯化钠（NaCl），其在水中易吸附潮气而发生电离，能够与传感器外壳的金属部件发生电化学反应；同时，氯离子还可以吸附在金属表面的孔隙和裂隙中，形成可溶解的氯化物，从而使金属表面失去钝化作用，导致传感器金属外壳保护膜出现孔隙。表2 为某海区距海边距离不同的大气中 NaCl 含量。

1.4 多霉菌

据不完全统计，能对工业材料造成侵袭的霉菌有4 万多种。大多数霉菌喜爱偏酸性和潮湿环境，因此海洋环境是霉菌生长的最佳场所。霉菌袍子容易在温度为25 ～ 39℃ 的环境下生长，而海洋条件的pH 为 3.5 ～ 6，呈弱酸性，夏季的温湿度条件适合大量霉菌孢子的萌芽和生长。

1.5 冲击和振动

在海洋环境中使用传感器会受到海浪的重复冲击和振动，同时，传感器系统主机也会遭受如舰船碰撞、舰船搁浅、主机推进、机械发动等情况带来的非重复性的冲击和振动。

2 主要环境因素对传感器的影响和失效机制

目前传感器实际工况多为高温、高湿、腐蚀性强、充满静电颗粒等综合交织的恶劣环境[1]。在工作过程中，潮湿、酸性的环境会腐蚀传感器，环境中的静电颗粒也会造成传感器内部敏感元件受损或发生短路，导致输出的测量结果有一定偏差，进而引发测量功能“休克”，从而导致传感器的失效[2]。

2.1 高温、高湿环境与腐蚀的关系

无论传感器的材料是金属还是非金属，吸收潮气后均会在材料表面形成“水膜”。金属材料吸收潮气后，金属表面的“水膜”中溶解了空气，形成能使传感器绝缘性能下降、对金属材料产生腐蚀作用的特殊电解质。在吸收潮气后，非金属物则会使其接触的金属物质临界湿度降低，从而加速腐蚀金属物质。非金属材料吸收潮气后还容易滋生霉菌，加速传感器外壳表面的电化学反应，造成传感器性能的降低以及传感器结构的损坏。

当温度和湿度并存时，金属腐蚀物增量Q 与温度t、湿度RH 之间关系：

Q = [（RH-65） /10]×1.045t。 （ 1）

由式（1）可知，当湿度大于 65% 时，即使在一般环境中，金属也容易被腐蚀，而通常海洋环境湿度处于65% 以上的时间较多[3]，因此金属的腐蚀会更加严重。

2.2 盐雾腐蚀环境

海洋环境中的传感器会随着空气的流动而暴露在盐雾条件下，如果没有采取相应的措施，再加上高温和高湿环境的共同作用，传感器中的材料会加速腐蚀，从而使传感器的绝缘性能下降。海洋环境中的传感器在盐雾环境中的影响作用包括腐蚀作用（海水中盐分在电离作用下形成酸碱溶液来腐蚀传感器）、电作用（盐分在海水中沉积产生导电层）和物理作用（金属漆层起泡造成机械部件阻塞或卡滞）。

2.3 霉菌环境

霉菌在海洋环境高湿和高温的反复作用下，会迅速萌发、生长和分解有机材料，尤其是破坏电气产品的绝缘性，因此在海洋环境中传感器的绝缘性会受到极大的影响。同时，霉菌本身也会分泌酸性物质，形成对金属材质的腐蚀，还会对金属材质的漆膜造成破坏，使其失去原有的保护功能。

2.4 海洋中各环境应力相互作用

海洋用传感器在使用和储存的时候，并不是仅仅受到某个环境因素的单独影响而发生故障，实际上影响海洋用传感器的因素是综合的，它的故障也是由各种环境因素相互影响而产生的。例如，高温和高湿会加速霉菌的生长，加剧腐蚀；高温和振动则会相互促进对传感器的影响。多种环境因素叠加的共同影响往往比单一因素影响更大、更复杂，而且很难区分具体是哪种因素造成这些影响。表 3 为海洋条件下环境应力的相互作用对传感器的影响。

2.5 失效案例分析

传感器受海洋环境影响，常常出现产品失效的情况。 某型传感器为舰艇上测量压力的传感器，在现场使用中发生输出异常，不符合0.5 ～ 5 V 输出电压的产品要求，表4 为某型传感器故障输出结果。

将故障传感器解剖后发现，产品电路板底部有干燥后的白色水渍，且电路板的安装孔和安装螺钉均有明显锈渍。图1 为故障传感器外观；图2 为故障传感器解剖图，图3 为故障传感器电路板，图4为无故障传感器电路板。

清洗电路板后重新调试，故障产品输出电压恢复正常，符合产品要求。表5 为清洗电路板后故障传感器输出结果。

故障传感器的问题定位为传感器电路板因水汽凝结后受潮导致电路功能异常。

在解剖分析过程中，拆卸传感器接插件时发现，在所有故障传感器的接插件和密封胶垫上，除了安装螺钉孔外，均有单独加工的通气孔。图5 为故障传感器接插件的通气孔。

该故障产品长期在潮湿环境下工作，部分水珠从接插件（密封胶垫）的通气孔进入产品内部，造成内部水汽逐渐积累，吸附在电路板上造成电路功能异常，导致产品输出电压较差。

改进措施如下：提高产品防潮性的工艺要求，加强电路板的三防（防水、防潮、防尘）处理，加强结构封装的密封性，去除接插件（密封胶垫）通气孔，接插件和密封胶垫涂胶安装等。

3 传感器关键部件选材和工艺改进的建议

3.1 关键部件选材

应用在海洋领域的传感器，除了需要满足基本指标外，还必须考虑环境应力的作用。例如，高温环境会影响材料的应力和材料热胀冷缩后与内部结构的匹配；高湿环境可导致材料内部受潮，引起腐蚀或滋生霉菌等。从材料的耐腐蚀性角度考虑，金属材料应优先选用耐蚀钢、不锈钢、铝材等耐蚀性较强的材料[4]。如果不能选用耐腐蚀性材料，就需要对材料进行相应的处理，并对其进行有效的涂层保护。

3.2 工艺改进

创新的研究和工艺上的改进能够从根本上解决传感器在恶劣环境下的使用问题，这也是未来在各个特殊领Mo1bRRFsVCrI96zRTE8Ufg==域开发和应用传感器的关键。激光焊接、电子束焊接等新兴的焊接工艺可以保证传感器的强度[5]；选择密封材料要综合考虑材料的防潮性能、绝缘性、弹性模量及适应温度的能力等；也可通过敏感元件疏水仿生修饰和自除湿再生技术来确保传感器的正常运行，从而降低高湿环境的影响；在设计耐腐蚀传感器产品外形时，可以在传感器外表面增加功能化涂层，以屏蔽或减弱生物吸附[6]。

4 结论

在海洋环境条件下，影响传感器性能的因素主要有高温、高湿、腐蚀、霉菌等。海洋中复杂的环境和各方面的因素相互促进、共同作用，加快了传感器产品的老化和失效。为了保证各个元件的正常运行，一方面，需要选择适合的材料，或者对材料采取涂覆处理；另一方面， 要重视创新工艺技术的研发，从根本上降低海洋环境因素对传感器的影响。