基于LNG氣體傳感器的可靠性評估分析-正文

中北大學(xué)學(xué)位論文中北大學(xué)學(xué)位論文II目錄緒論TOC\o"1-5"\h\z1.1課題來源、研究目的及意義11.1.1課題來源11.1.2課題研究目的及意義11.2國內(nèi)外可靠性研究發(fā)展歷史及現(xiàn)狀21.3可靠性試驗(yàn)的方法及發(fā)展趨勢4仁4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及存在的問題51.5氣體傳感器可靠性研究現(xiàn)狀與存在的問題71.6本文的研究思路及主要內(nèi)容81.6.1本文的研究思路81.6.2本文研究的主要內(nèi)容及安排9氣體傳感器可靠性分析2.1氣體傳感器結(jié)構(gòu)、原理分析112?2氣體傳感器失效模式影響及危害度分析142.3氣體傳感器故障樹分析162.3.1氣體傳感器故障樹定性分析162.3.2氣體傳感器故障樹定量分析182.4氣體傳感器失效機(jī)理探討212.4.1鉗絲失效機(jī)理222.4.2化鋁載體失效機(jī)理223催化劑失活機(jī)理232.5氣體傳感器失效物理方程252.6本章小結(jié)27

氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)TOC\o"1-5"\h\z3.1氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理283.2氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法293.2.1試驗(yàn)應(yīng)力選擇293.2.2應(yīng)力施加方式及施加順序313.2.3試驗(yàn)停止原則313.3氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)323.3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)323.3.2試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)343.3.3試驗(yàn)失效判據(jù)383.3.4試驗(yàn)過程383.4氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果分析393.4.1溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析393.4.2振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析403電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析423.4.4沖擊步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析433.4.5電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析443.5本章小結(jié)44氣體傳感器恒定應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析4.1基本假設(shè)454.2氣體傳感器恒加試驗(yàn)的參數(shù)估計(jì)464.2.1氣體傳感器壽命分布的初步檢驗(yàn)464.2.2氣體傳感器壽命分布的極大似然估計(jì)504.3氣體傳感器加速壽命方程514.3.1電應(yīng)力與溫度應(yīng)力轉(zhuǎn)換5153544.3.2加速壽命方程參數(shù)估計(jì)53544.4氣體傳感器壽命評估4.4.1強(qiáng)化應(yīng)力條件下的壽命數(shù)據(jù)折算TOC\o"1-5"\h\z4.4.2產(chǎn)品壽命分布評價(jià)方法574.4.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及壽命分布評價(jià)614.4.4氣體傳感器可靠性特征值624.5本章小結(jié)63總結(jié)與展望附錄A敏感元件R-V測試數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及取得的成果致謝中北大學(xué)學(xué)位論文中北大學(xué)學(xué)位論文#1緒論本章簡述了課題來源、研究目的及意義，國內(nèi)外可靠性研究的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，可靠性試驗(yàn)的方法和應(yīng)用，可靠性統(tǒng)計(jì)分析和存在的問題，以及氣體傳感器可靠性研究的現(xiàn)狀與存在的問題，并簡要介紹了本文的研究方案與主要研究內(nèi)容。1.1課題來源、研究目的及意義1.1.1課題來源本課題來源于國家863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目子課題一一《?；窓z測傳感器性能測試與可靠性評估技術(shù)》。1.1.2課題研究目的及意義隨著煤礦工業(yè)和石油化工工業(yè)等能源工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆及有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到了增加。這類氣體在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中，雖然采取了很多安全措施，但一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)引發(fā)中毒、火災(zāi)其至爆炸事故，嚴(yán)重危害公共安全和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。如2005年3月29日，一輛滿載的約32噸液態(tài)氯氣的槽罐車在京滬高速淮安段與大貨車相撞后翻倒，造成29人中毒死亡，285人送醫(yī)院治療，直接經(jīng)濟(jì)損失1700余萬元；2006年4月6日，廣西百色田東縣某公司成品油罐車爆炸，4人死亡;2007年5月11H,滄州大化TDI車間發(fā)生爆炸事故，造成5人死亡，14人重傷，80人受傷；2008年10月31日，甘肅省永靖縣某化工廠發(fā)生氯氣儲(chǔ)氣罐爆炸事故，造成1人遇難，41人受傷；2009年9月2EI,山東省臨沂市某物流城發(fā)生裝載化學(xué)物品的火車意外爆燃事故，造成7人當(dāng)場死亡，11人經(jīng)搶救無效死亡，10人受傷⑴。據(jù)統(tǒng)不完全計(jì)，建國以來，我國煤礦發(fā)生100人/次以上的重特大事故就有22起，其中17起事故是瓦斯爆炸事故，約占77.3%囚；我國化工系統(tǒng)發(fā)生的重特大及典型泄漏事故共51起，其中由泄漏導(dǎo)致的中毒、火災(zāi)、爆炸事故有41起，而由爆炸等原因?qū)е碌男孤┲卸臼鹿视?0起⑶。為解決這一問題，各類氣體傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到廣泛的應(yīng)用。氣傳感器在長期使用中，暴露出的問題就是產(chǎn)品可靠性問題。如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高傳感器的一致性、互換性和穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品安全可靠地工作，是擺在科技工作者面前的一大難題。質(zhì)量問題迫使人們不得不高度重視可靠性研究，重視可靠性研究在氣傳感器的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、管理到使用、維修的全過程上的應(yīng)用。本課題針對?；钒踩O(jiān)測的特殊要求和特點(diǎn)，分析氣體傳感器的失效模式及失效機(jī)理，研究相關(guān)的測試和可靠性評估分析方法，為實(shí)現(xiàn)?；窓z測傳感器系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用提供保障。1.2國內(nèi)外可靠性研究發(fā)展歷史及現(xiàn)狀對可靠性問題的研究始于第二次世界大戰(zhàn)，最早作為一個(gè)專用學(xué)術(shù)名詞明確提出“可靠性”的是美國麻省理工學(xué)院放射實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)正處于戰(zhàn)爭時(shí)期，美國60%的機(jī)載電子設(shè)備運(yùn)到遠(yuǎn)東后不能使用，50%的電子設(shè)備在儲(chǔ)存期失效，其主要原因就是電子管的可靠性太差。因此，在1943年，美國投入大量人力、物力和財(cái)力成立了“電子管技術(shù)委員會(huì)”，并領(lǐng)導(dǎo)“電子管研究小組”，開始了電子管的可靠性研究”同。20世紀(jì)50年代前后，學(xué)者們提出各種各樣的觀點(diǎn)，此時(shí)可靠性研究處于一種混亂的狀態(tài)。R.Lusser在一次研討會(huì)上提出，對可靠性問題應(yīng)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法定量分析的基本原則[5][6]oR.R.Carhart對此觀點(diǎn)作了進(jìn)一步的完善，給出了更合理的可靠性定義卩]。同一時(shí)期，美國軍方為解決軍用電子設(shè)備和武器系統(tǒng)的可靠性問題有組織的開展了大量研究。1952年，美國國防部成立了一個(gè)由軍方、工業(yè)部門和學(xué)術(shù)界組成的''電子設(shè)備可靠性顧問團(tuán)”(AdvisoiyGrouponReliabilityofElectronicEquipment一AGREE),對軍用電子產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用過程中各個(gè)方面的可靠性問題作了全面的調(diào)查研究，并發(fā)表了著需的“軍用電子設(shè)備的可靠性”報(bào)告岡，該報(bào)告構(gòu)筑了可靠性工程學(xué)的總體框架，是可靠性工程發(fā)展的重要里程碑，標(biāo)志著可靠性己成為一門獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)60年代是可靠性研究全面、迅速發(fā)展的時(shí)期。這一時(shí)期美蘇處于常規(guī)武器競賽階段，美國先后設(shè)計(jì)出新一代戰(zhàn)斗機(jī)、坦克、導(dǎo)彈、及宇宙飛船等裝備，這些新裝備對可靠性提出了更嚴(yán)格的要求。為此，美國相繼制定、修訂了有關(guān)可靠性的軍用標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，如MIL-HDBK-217>MIL-STD-781和MIL-STD-785等；開發(fā)了加速壽命試驗(yàn)、快速應(yīng)力篩選試驗(yàn)以及各種可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)；開拓了可靠性物理這個(gè)新學(xué)科，開展了故障模式及影響分析(FMEA)和故障樹分析(FIA)兩種系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)，美國航空航天局(NASA)更是將FMEA及FIA等可靠性技術(shù)歸為“阿波羅計(jì)劃”登月成功的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。這一事件在國際學(xué)術(shù)界引起強(qiáng)烈反響，可靠性技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速推廣，出現(xiàn)了“可靠性熱”。與此同時(shí)，由于產(chǎn)品的復(fù)雜化和工作環(huán)境的惡化，可靠性技術(shù)也逐步推廣到機(jī)械、通信等行業(yè)。20世紀(jì)70年代，雖然資本主義經(jīng)濟(jì)遇到危機(jī)，軍費(fèi)減少，但可靠性的到了進(jìn)一步的發(fā)展，人們通過對復(fù)雜武器系統(tǒng)釆用更嚴(yán)格的降額設(shè)計(jì)、環(huán)境應(yīng)力篩選及可靠性試驗(yàn)來提高其在外場使用過程中的可靠性和降低維護(hù)費(fèi)用。這一階段的主要特點(diǎn)就是建立了統(tǒng)一的可靠性管理機(jī)構(gòu)，成立了全國性的“可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)”，并且出版了大量有關(guān)可靠性的學(xué)術(shù)論文和專著。這標(biāo)志可靠性這一學(xué)科的成熟，可靠性研究向更深更廣的方向發(fā)展，涉及的領(lǐng)域越來越廣，涉及的學(xué)科越來越多，使可靠性工程學(xué)不斷完善，發(fā)展成為一門綜合性的工程技術(shù)學(xué)科。20世紀(jì)80年代以后，為了適應(yīng)局部戰(zhàn)爭的新特點(diǎn)和軍費(fèi)短缺的限制，以美國空軍1987年頒布的R&M2000年規(guī)劃為標(biāo)志，美國國防部的可靠性技術(shù)發(fā)展的政策發(fā)生了變化，可靠性指標(biāo)大幅度提高，從追求裝備的高性能轉(zhuǎn)變?yōu)檠b備的可靠性保證，更加強(qiáng)調(diào)裝備的可靠性與維修性。加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的可靠性研究，不斷改進(jìn)機(jī)械設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法等，這標(biāo)志著美國的可靠性技術(shù)進(jìn)入了新的階段。綜上所述，可靠性經(jīng)過這半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，己發(fā)生了巨大的變化，從軍事工業(yè)到民用工業(yè)；從電子產(chǎn)品到非電子產(chǎn)品，尤其是機(jī)械產(chǎn)品；從硬件到軟件；從簡單系統(tǒng)到機(jī)電、人機(jī)等復(fù)雜的物理和非物理系統(tǒng)；從手工、圖表的定性分析設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助、模擬仿真的定量分析設(shè)計(jì)；從可靠性工程試驗(yàn)發(fā)展到統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，越來越重視通過環(huán)境應(yīng)力篩選及可靠性增長試驗(yàn)來暴露產(chǎn)品故障，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可靠性等叨。我國的可靠性研究工作起步于20世紀(jì)50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)主要集中在電子、航天等領(lǐng)域。到了70年代，我國組建了電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所，對我國可靠性工程起到了積極作用，電子產(chǎn)品可靠性研究工作取得了顯著成就，保證了人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，但總體發(fā)展緩慢。20世紀(jì)80年代，我國的可靠性研究步入了嶄新的時(shí)期。這一時(shí)期，各級可靠性研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)團(tuán)體相繼成立。1980年，國家標(biāo)準(zhǔn)總局召開了全國電子產(chǎn)品環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)第一次工作會(huì)議，同年12月，建立了全國性的“可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)”[?,之后編撰了我國的《電子元器件的失效率手冊》，《電子元器件失效率預(yù)計(jì)手冊》和《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》;1982年成立了“全國可靠性與維修性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”,完成了可靠性名詞術(shù)語、可靠性試驗(yàn)方法、可靠性管理、失效分析等方面部標(biāo)、國軍標(biāo)和國標(biāo)的編寫。同時(shí)，從80年代以來，國防科工委成立了可靠性教育培訓(xùn)中心，電子工業(yè)部也成立了培訓(xùn)中心，從事可靠性研究的學(xué)者、專家開始編寫、翻譯出版有關(guān)可靠性的學(xué)術(shù)專著；高等院校也開始從事可靠性研究與可靠性人才培養(yǎng)，研究領(lǐng)域也從電子產(chǎn)品發(fā)展到機(jī)械產(chǎn)品。90年代以來，我國在很多民用產(chǎn)品領(lǐng)域開展了可靠性研究工作，但是總體貫徹不平衡，可靠性研究仍停留在初級水平。2006年，國家發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，將重大產(chǎn)品和重大設(shè)施壽命預(yù)測技術(shù)寫入了國家科技的中長期規(guī)劃，由此可見國家對可靠性工作非常重視。雖然如此，我國的可靠性研究要趕超世界先進(jìn)水平，尚需付出大量的努力。1.3可靠性試驗(yàn)的方法及發(fā)展趨勢通過可靠性試驗(yàn)、失效分析及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)及失效原因，制定改進(jìn)措施，獲得產(chǎn)品可靠性特征值。由此可見，可靠性試驗(yàn)是驗(yàn)證、評價(jià)與分析產(chǎn)品的可靠性的基本手段，是可靠性工程的基本環(huán)節(jié)，是取得可靠性數(shù)據(jù)的重要來源，是進(jìn)行可靠性分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?？煽啃园l(fā)展至今，產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)方法至少有百余種，其中常用的有20?30種，根據(jù)出發(fā)點(diǎn)的不同，可按試驗(yàn)的目的、場所、性質(zhì)、規(guī)模、應(yīng)力特征及終止方式對可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行分類[⑴，各類可靠性試驗(yàn)之間有相應(yīng)的交錯(cuò)或包含關(guān)系。壽命試驗(yàn)是最重要、最基本的可靠性試驗(yàn)之一，其用于確定產(chǎn)品壽命的分布規(guī)律及失效規(guī)律，計(jì)算產(chǎn)品的可靠度、失效率和平均壽命等可靠性指標(biāo)。但是傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)需要投入大量試驗(yàn)樣本、昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用和大量的時(shí)間，為了解決這個(gè)問題，國內(nèi)外的可靠性研究人員致力于發(fā)展小樣本條件下可靠性指標(biāo)的估計(jì)方法。但是，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備的復(fù)雜程度越來越高，功能越來越強(qiáng)大，使得保障費(fèi)用隨之增高，另一方面，電子設(shè)備日益加快的發(fā)展步伐也迫切需要高效率可靠性試驗(yàn)技術(shù)來支持，而傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代武器系統(tǒng)發(fā)展的要求。因此，必須研究新的可靠性試驗(yàn)技術(shù)和方法，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)就是為接受可靠性這種挑戰(zhàn)應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)新技術(shù)。20世紀(jì)80年代美國的GK.Hobbs博士卩習(xí)首先提出來高加速壽命試驗(yàn)與高加速應(yīng)力篩選，其最大特點(diǎn)是時(shí)間上的壓縮，即在短短的兒天內(nèi)模擬一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)壽命期間可能遇到的情況。同時(shí)，波音公司考慮到市場競爭的需求，為了減少產(chǎn)品研制費(fèi)用，并在產(chǎn)品研制早期能得到高可靠性的產(chǎn)品，提出可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)〔⑷?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)(ReliabilityE11I1ailcementTesting,RET)是對受試產(chǎn)品施加遠(yuǎn)超過正常使用環(huán)境的單一或綜合的環(huán)境應(yīng)力，快速激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，通過故障原因、失效模式分析和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性。其理論依據(jù)是故障物理學(xué)，它把故障或失效當(dāng)作研究的主要對象,最終通過根治故障來提高產(chǎn)品的可靠性X】。在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與技術(shù)研究方面比較知需的專家主要有：GK.Hobbs、S.Smithson>J.Capitano、W.Nelson、SilvermanM.flDavidRahe等。其中GK.Hobbs在強(qiáng)化試驗(yàn)效率及理論與技術(shù)方面開展了大量研究[12][15][16];S.Smithson等人〔⑴問在強(qiáng)化溫度應(yīng)力及效率方面開展了研究；W.Nelson在試驗(yàn)剖面和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方面開展研究工作問；SilvermanM.和DavidRahe在強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)與應(yīng)用等方面開展了研究[20][21][22]o除此之外，波音公司的RobertW.D等[同在強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)方面也進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，1994年在波音?777客機(jī)上應(yīng)用，獲得了成功。當(dāng)前，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)還在不斷的發(fā)展，隨著新方法、新經(jīng)驗(yàn)的積累，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)會(huì)不斷的被完善。同時(shí)，可靠性試驗(yàn)技術(shù)也必然朝著可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的方向發(fā)展。1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及存在的問題在可靠性試驗(yàn)結(jié)束后，需要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲取產(chǎn)品可靠性特征值，定量分析、評價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平。根據(jù)在思想上和理論基礎(chǔ)上的差異，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法可分為經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法和Bayes統(tǒng)計(jì)分析方法。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法建立在概率的頻率意義上，反映大量試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在實(shí)際使用時(shí)，首先假定產(chǎn)品壽命服從某一統(tǒng)計(jì)分布，然后選擇一個(gè)被認(rèn)為是好的統(tǒng)計(jì)方法,根據(jù)一組產(chǎn)品壽命的觀測值(tl，t2,……，tn)和所選的統(tǒng)計(jì)方法推斷未知的參數(shù)、進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)和預(yù)測。經(jīng)典方法認(rèn)為各種壽命分布類型所含的參數(shù)是常數(shù)，不是一個(gè)變數(shù)，盡管人們暫時(shí)不知道它的值，但可以通過抽樣試驗(yàn)的結(jié)果對這些參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，而統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果精度的高低主要由試驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和所選擇的統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確度來決定。雖然經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法在可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中的占主導(dǎo)地位，但其也存在著一些缺陷，其最大的缺陷是在作統(tǒng)計(jì)推斷和結(jié)論時(shí)過于著眼于當(dāng)前數(shù)據(jù)，忽視歷史的經(jīng)驗(yàn)、人們己有的認(rèn)識、知識和主觀的能動(dòng)性卩習(xí)。在處理小樣本數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法往往難以做出準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)推斷其至無能為力。對于這類問題，Eayes方法給出了一種不同的解決途徑。從某種意義上說，Bayes統(tǒng)計(jì)推斷方法0］是建立在主觀概率的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)除了利用試樣的壽命分布模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還利用了另外的一種信息，即分布參數(shù)的先驗(yàn)分布°Eayes方法認(rèn)為分布參數(shù)是未知的，在試驗(yàn)中，即使能對其進(jìn)行觀測,也只能得到它的表現(xiàn)值，因此分布參數(shù)是隨機(jī)的。在試驗(yàn)前，人們對分布參數(shù)總會(huì)有些認(rèn)識，也就是說人們有一定的先驗(yàn)信息，這種信息可以用一個(gè)概率分布來表示，稱為先驗(yàn)分布。Bayes方法的統(tǒng)計(jì)分析模式是首先假設(shè)的分布模型和分如參數(shù)的先驗(yàn)分布，之后根據(jù)一組樣本的觀測值求的后驗(yàn)分布，依據(jù)后驗(yàn)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就可以得到可靠性指標(biāo)的估計(jì)值。可以看出，與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法相比，Bayes方法引入了更多的信息，考慮了人的主觀能動(dòng)性和歷史經(jīng)驗(yàn)，并且有可能解決小樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析問題卩習(xí)。雖然Bayes在這方面比經(jīng)典方法有明顯的優(yōu)勢，但是其本身存在的缺陷制約著它的應(yīng)用，其中最主要的是先驗(yàn)分布問題［溝，盡管提出了不少確定先驗(yàn)分布的方法，如Bootstrap方法、經(jīng)驗(yàn)Bayes方法等［26］,并在工程實(shí)際中得到了應(yīng)用，但至今仍未提出一種放之四海而皆準(zhǔn)的確定先驗(yàn)分布的方法；其次，我們一般只知道后驗(yàn)分布的核，后驗(yàn)密度函數(shù)的計(jì)算與推導(dǎo)具有非常大的難度，也沒有可以廣泛應(yīng)用的軟件和程序。因此，在目前的可靠性統(tǒng)計(jì)分析中仍以經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法為主，常用的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法㈢］有極大似然估計(jì)法(MLE)、B&A估計(jì)法、最小二乘估計(jì)法(LQ和LMSR)和基于順序量的各種線性估計(jì)方法，如最好線性無偏估計(jì)(BLUE)、最好不變估計(jì)(BLIE)和簡單線性無偏估計(jì)等等。應(yīng)用上述估計(jì)方法，可解決常用的壽命分布中各種形式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，以求得分布參數(shù)和所關(guān)心的可靠性特征量的估計(jì)值。對于兩參威布爾分布，對于截尾壽命試驗(yàn)來講，以MLE、BLUE和BLIE方法估計(jì)較好[旳。1.5氣體傳感器可靠性研究現(xiàn)狀與存在的問題氣體傳感器是傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它可以感受外界氣氛信息并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可測信號，進(jìn)而可以對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析、傳輸、監(jiān)控。根據(jù)氣體傳感器使用的氣敏材料以及工作機(jī)理的不同，氣體傳感器可分為：半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英諧振式氣體傳感器和表面聲波氣體傳感器〔29】。隨著MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展及其廣闊的市場前景，微型化、集成化、智能化口漸成為傳感器包括氣體傳感器的發(fā)展趨勢，成為氣體傳感器的主流。對于其他種類的氣體傳感器而言，催化燃燒式氣體傳感器的發(fā)展歷史較長，早在1923年，美國采用裸鉗絲催化傳感器檢測煤礦瓦斯。1957年，英國發(fā)明了在鉗絲圈上涂加載體和催化劑的催化傳感器。自上世紀(jì)60年代以來，金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)氣體傳感器的半壁江山。我國于上世紀(jì)50年代開始了氣體傳感器的研究,1957年撫順煤礦安全儀器廠采用純鉗絲元件作為傳感器的第一臺(tái)催化原理的瓦斯報(bào)警器研制成功，揭開了我國氣體傳感器發(fā)展的序幕。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，我國氣體傳感器產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，我國各類氣敏元件的年總產(chǎn)量己達(dá)到610多萬只[弼。隨著氣體傳感器的廣泛應(yīng)用，對其運(yùn)行安全可靠性要求也日益增加。但由于氣體傳感器結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理的多樣性以及失效機(jī)理的復(fù)雜性，目前公開發(fā)表氣體傳感器的可靠性研究方面的論文較少，且主要集中在對半導(dǎo)體氣體傳感器的可靠性研究。早期有關(guān)氣體傳感器可靠性方面的研究主要集中在不同材料對氣體傳感器長期穩(wěn)定性的影響[31][32][33][34]以及提高氣體傳感器長期穩(wěn)定性的方法〔迥等方面。1997年，J.M.Bose等人[殉以MotorolaMGS1100氣體傳感器為例討論了硅微器件的可靠性測試方法，指出熱和機(jī)械應(yīng)力是影響硅器件可靠性的主要因素，并提出以硅膜工作電壓頻率為加速應(yīng)力的加速試驗(yàn)方法;I.Giacia等人㈤對半導(dǎo)體氣體傳感器進(jìn)行了溫度和機(jī)械性能測試,研究了傳感器的漂移和失效率與應(yīng)力強(qiáng)度的關(guān)系；R.K.Sharma等人[網(wǎng)對微機(jī)械氣敏元件氧化錫薄膜的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了研究，觀測到氧化錫薄膜龜裂這一失效模式，并以溫度為加速應(yīng)力對氣體傳感器進(jìn)行了加速壽命測試，結(jié)果表明SnO2-Cii/Pt膜具有更高的可靠性；云南大學(xué)的Yii-deWang等人卩刃跑對酒精和丁烷氣體傳感器進(jìn)行了壽命試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明酒精和丁烷氣體傳感器的壽命分布為對數(shù)正態(tài)分布；J.Puigcorbe等人⑷]對氣體傳感器的熱疲勞模型進(jìn)行了有限元分析，討論了鋁膜厚度和溫度變化對氣體傳感器可靠性的影響；胡恩平等人國]對氣體傳感器加速壽命進(jìn)行了研究，以工作電壓頻率為加速應(yīng)力的加速壽命方法對Motorola公司的CO氣體傳感器進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)，并對氣體傳感器失效模式進(jìn)行了總結(jié)；中電49所的張洪泉、常柏靈等人[43][44][45]對可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)行了失效機(jī)理和失效模式進(jìn)行了分析，通過壽命試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析，指出可燃?xì)怏w傳感器的壽命分布模型為雙參威布爾分布。這些研究工作對以后氣體傳感器的可靠性研究有良好的借鑒作用，但也存在著一些問題和不足，主要表現(xiàn)在：目前，對氣體傳感器的研究主要集中在新材料、新工藝等方面，導(dǎo)致氣體傳感器缺乏明確的可靠性指標(biāo)，這與氣體傳感器可靠性的復(fù)雜性、特殊性以及研究人員對其可靠性研究的不足密切相關(guān)。同時(shí)，由于材料、加工工藝、封裝非標(biāo)準(zhǔn)性等問題的存在，氣體傳感器的失效機(jī)理對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和使用者來說都還不確定。由于氣體傳感器結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理的多樣性，不同類型的氣體傳感器其失效模式和失效機(jī)理也不盡相同。而在己開展的氣體傳感器的可靠性研究中，沒有針對傳感器可靠性薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的可靠性試驗(yàn)方法，缺乏明確、符合工程實(shí)際的失效判據(jù)和相應(yīng)的失效檢測裝置。1?6本文的研究思路及主要內(nèi)容1.6.1本文的研究思路針對氣體傳感器可靠性研究中存在的問題和不足，本文以LNG(LiquefiedNahiralGas)氣體傳感器為研究對象，就LNG氣體傳感器的結(jié)構(gòu)原理以及敏感應(yīng)力的確定、失效模式與機(jī)理、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法以及如何對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析開展系統(tǒng)的研究，并通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定LNG氣體傳感器在試驗(yàn)條件下的可靠性水平。所釆用的研究方案如圖1.1所示，主要分四步進(jìn)行。首先調(diào)研、分析氣體傳感器的工作原理及在危險(xiǎn)化學(xué)品集裝箱運(yùn)輸過程環(huán)境參數(shù)；第二，收集氣體傳感器場使用信息和內(nèi)場各種試驗(yàn)信息，進(jìn)行可靠性分析，分析其失效模式、失效機(jī)理，確定其薄弱環(huán)節(jié)；第三，針對薄弱環(huán)節(jié)對氣體傳感器進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性評估模型的分析與研究；最后，收集氣體傳感器的可靠性測試數(shù)據(jù)，利用建立的可靠性模型對其進(jìn)行可靠性評估。圖11本文研究思路及技術(shù)路線1.6.2本文研究的主要內(nèi)容及安排根據(jù)以上思路，確定本文的主要研究內(nèi)容如下：對LNG氣體傳感器進(jìn)行失效模式影響及危害度分析(FMECA)及故障樹分析(FIA),確定氣體傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)及其重要度，結(jié)合傳感器的典型工作環(huán)境，對薄弱環(huán)節(jié)的失效機(jī)理進(jìn)行分析，建立了傳感器失效物理方程，為傳感器可靠性試驗(yàn)方法的制訂及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。以傳感器薄弱環(huán)節(jié)失效機(jī)理的分析結(jié)果為依據(jù)，研究氣體傳感器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，制定試驗(yàn)方案，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，以傳感器失效機(jī)理不變的為前提,確定了傳感器壽命試驗(yàn)的強(qiáng)化應(yīng)力，并對氣體傳感器進(jìn)行壽命試驗(yàn)。用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定氣體傳感器的壽命分布類型和選取待估計(jì)的可靠性指標(biāo)，通過環(huán)境因子理論，獲得氣體傳感器在正常應(yīng)力條件下的可靠性指標(biāo)的估計(jì)值。對己經(jīng)開展的氣體傳感器可靠性研究工作進(jìn)行總結(jié)，并指出了氣體傳感器可靠性研究中需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容及本課題的下一步工作方向。2氣體傳感器可靠性分析本章首先對LNG氣體傳感器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了分析，之后采用故障模式影響及危害度分析(FMECA)及故障樹分析(FIA)技術(shù)，對氣體傳感器進(jìn)行可靠性分析，鑒別其故障模式、失效機(jī)理，確定了氣體傳感器的可靠性重要件和關(guān)鍵件以及薄弱環(huán)節(jié)，對傳感器可靠性薄弱環(huán)節(jié)的失效機(jī)理進(jìn)行了分析。在對氣體傳感器失效物理分析的基礎(chǔ)上建立了氣體傳感器在電應(yīng)力作用下的失效物理方程，為制定氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案及壽命評估奠定了基礎(chǔ)。2.1氣體傳感器結(jié)構(gòu)、原理分析該微雙橋催化LNG氣體傳感器為新型A12O3基催化燃燒式氣體傳感器，其采用MEMS技術(shù)工藝，將電化學(xué)生長的AI2O3膜經(jīng)化學(xué)處理、涂膠、光刻、微加工、剝離、改性、熱處理等工藝制作成微雙橋結(jié)構(gòu)，作為Al2O3-H2PdCl2-ThO-S1O復(fù)合催化劑的載體,實(shí)現(xiàn)將帶有催化劑的敏感元件(俗稱黑件)和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)償元件(俗稱白件)單片集成，制作出的LNG氣體傳感器〔呦。圖2.1為氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖，圖2.2為氣敏元件二次封裝樣品。P(膜補(bǔ)償元件PtPdP收催化兀件(a)P(膜補(bǔ)償元件PtPdP收催化兀件(a)傳感器芯片(b)傳感器結(jié)構(gòu)圖21氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖圖12氣敏元件二次封裝樣品微雙橋催化LNG氣體傳感器的工作機(jī)理是在催化劑的作用下，可燃性氣體（H2,CO,CH4等）與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱（無焰催化燃燒熱），使敏感元件內(nèi)部溫度升高，鉗絲電阻值相應(yīng)增大。因此，只要測定敏感元件鉗絲的電阻變化值，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，單純使用鉗絲線圈作為檢測元件的傳感器壽命較短。因此,實(shí)際應(yīng)用的檢測元件都是在鉗絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒，這樣既可以延長使用壽命，乂可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。圖13催化燃燒式氣體傳感器橋式電路微雙橋催化LNG氣體傳感器的橋式電路如圖2.3所示，圖中比是檢測元件；F2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償由環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時(shí)，為可燃性氣體在檢測元件F】上發(fā)生氧化反應(yīng)提供所需要的溫度，須在F】和F?上保持（100?200）niA的電流。當(dāng)檢測元件F］與可燃性氣體接觸時(shí)，劇烈的氧化作用釋放出熱量使檢測元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A,B間產(chǎn)生電位差E,則有：E=K（險(xiǎn)）卑（2.1）式中：E——電橋A點(diǎn)與B點(diǎn)的電位差;

K-靈敏度系數(shù)；Rf2—補(bǔ)償元件電阻；Rfi-敏感元件電阻；-——敏感元件電阻變化量。補(bǔ)償元件F?和檢測元件Fi的電阻比Rf/Rh接近于1,A、E兩點(diǎn)間的電位差E近似與血F成比例，而力Rf與可燃性氣體氧化反應(yīng)熱成比例。AIL=fitAT=(z—=aam—(2.2)CC式中■?a-檢測元件的電阻溫度系數(shù)；4T可燃性氣體催化燃饒所引起的溫度增加值；4H可燃性氣體催化燃燒產(chǎn)生的熱量；C-檢測元件的熱容量；Q—-可燃性氣體的燃燒熱；m——-可燃性氣體的濃度；a-由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。由于a,C,a的數(shù)值與檢測元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)，Q是由可燃性氣體的種類決定的，若令K=wQ/C,在一定條件下，K是定值，則有:E=kn(23)式中：E——電橋A點(diǎn)與B點(diǎn)的電位差；K——比例系數(shù)；m氣體濃度；即A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成正比。如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測得A、E兩點(diǎn)間的電位差E,由此可求得空氣中可燃性氣體的濃度。

2.2氣體傳感器失效模式影響及危害度分析失效模式影響及危害度分析技術(shù)(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis,FMECA)旨在分析產(chǎn)品各組成單元潛在的失效模式及其對產(chǎn)品功能的影響，并按嚴(yán)酷度予以分類，判斷每一個(gè)故障模式對系統(tǒng)影響的致命程度，定量對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，并找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施［刈。它包括故障模式分析(FMA)、故障效應(yīng)分析(FEA)和故障致命度分析(FCA)oFMECA可以看作是故障模式及影響分析(FailureModeandEffectsAnalysis?FMEA)的一種擴(kuò)展和深化阿。FMECA最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，美國格魯門公司將其應(yīng)用于研制飛機(jī)主操作系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)只進(jìn)行了FMEA,未進(jìn)行FCA,僅屬于定性分析，但取得了良好效果。在20世紀(jì)60年代，F(xiàn)MECA技術(shù)主要用于航天工業(yè)中系統(tǒng)部件的可靠性和安全性評估，美國國防部相繼頒布了美軍標(biāo)MIL-STO-1629《船艦故障模式、影響及危害性分析》及MIL-STD-2070《航空設(shè)備的故障模式、影響及危害性分析程序》〔甸。到80年代后期，F(xiàn)MECA進(jìn)入微電子行業(yè)，并出現(xiàn)過程FMECA方法。我國于92年頒布了GJB1391-1992《故障模式、影響及危害分析程序》，現(xiàn)已更新為GJB/Z1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，該指南適用于產(chǎn)品壽命周期整個(gè)階段，補(bǔ)充了軟件和過程FMECA的內(nèi)容，并提供了FMECA在可靠性、維修性、安全性、測試性和保障性工程中大量的應(yīng)用案例［切。對于本文研究用的氣體傳感器由氣敏元件以及電路部分組成，其中氣敏元件是傳感器的主要部分，主要由鉗絲、載體、基片組成，其可靠性框圖如圖2.4所示。組件級分組件級圖24組件級分組件級圖24氣體傳感器可靠性框圖由圖2.4可得出氣體傳感器的可靠度為R(t)=兀⑴％(t)&(t)%(t)%(t)(2.4)其中%(t)=RD1(t)RD2(t)KD3(t)RD4(t)RD5(t)RD6(t)(2.5)在總結(jié)調(diào)研資料和查閱相關(guān)氣體傳感器可靠性與故障的文獻(xiàn)后，確定氣體傳感器發(fā)生故障主要由兩部分組成即敏感元件和電路部分，其中敏感元件部分失效對氣體傳感器危害度最大，表2.1給出了LNG氣體傳感器的FMEA表格。表11LNG氣體傳感器FMEA分析設(shè)備名稱功能失效模式失效原因失效效應(yīng)失效檢測改進(jìn)措施LNG氣體傳感器檢測LNG氣體濃度無輸出加熱絲開路敏感體破裂罩孔堵塞內(nèi)引線開路、短路調(diào)理電路失效連接器失效傳感器不工作體視顯微鏡數(shù)字表加固焊點(diǎn)增加篩選應(yīng)力優(yōu)選元件優(yōu)先連接器輸出漂移加熱絲材料老化加熱絲電壓變化敏感材料老化元器件性能漂移測量精度超差試驗(yàn)測試優(yōu)選材料加強(qiáng)工藝規(guī)范靈敏度低工作溫度低敏感材料老化氣路不通測量精度超差試驗(yàn)測試加強(qiáng)制粉工藝規(guī)范響應(yīng)時(shí)間慢敏感材料老化氣路不通工作溫度低反應(yīng)慢秒表加強(qiáng)二防設(shè)計(jì)從上表可以看出氣體傳感器失效模式主要有以下兒種形式：無輸出、參數(shù)漂移(零點(diǎn)時(shí)漂、溫度漂移)、靈敏度降低、響應(yīng)時(shí)間慢等。結(jié)合上表總結(jié)以及中電49所的工程設(shè)計(jì)人員提供的經(jīng)驗(yàn)可知傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)是傳感器氣敏元件。2.3氣體傳感器故障樹分析故障樹分析（FaultHeeAnalysis,FIA）是安全性與可靠性分析中最常用的方法之一，其包括故障樹的建造、定性分析和定量分析。FIA是一種演繹的分析方法，它開始于系統(tǒng)及的一個(gè)不期望事件（頂事件），通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種組合方式及其發(fā)生概率，以計(jì)算系統(tǒng)失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)方法［刃。F7A最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，由美國貝爾電話研究的H.AWaston提出，用于導(dǎo)彈的發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性分析。后來，波音公司的Hassl、Scluoder和Jackson等人進(jìn)行了用電子計(jì)算機(jī)可以模擬FTA的修正，使其能用計(jì)算機(jī)處理，推動(dòng)了FTA技術(shù)的迅速發(fā)展。1965年，D.FHassl等在由華盛頓大學(xué)和波音公司聯(lián)合主持的一次系統(tǒng)安全性學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表的兒篇有關(guān)FTA的論文，標(biāo)志著FTA技術(shù)在航空工業(yè)、核能工業(yè)及其它工業(yè)作為一種可靠性和安全性分析的方法而受到重視的開端。此后，在用FTA法解決實(shí)際問題的過程中，F(xiàn)TA理論得到補(bǔ)充和進(jìn)一步的完善。1979年開始，國際可靠性和維修性技術(shù)委員會(huì)開始制訂FTA方面的標(biāo)準(zhǔn)。我國于80年代初開始研究FTA,并于87年頒布了GB7829-1987《故障樹分析程序》，從此開始了規(guī)范應(yīng)用故障樹分析（FTA）技術(shù)。2.3.1氣體傳感器故障樹定性分析通過對氣體傳感器進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及調(diào)研其使用情況，做出傳感器的故障樹如圖2.5所示。

傳感器故障樹的定性分析實(shí)質(zhì)上是確定系統(tǒng)的故障譜，即最小割集(MCS)族(對單調(diào)關(guān)聯(lián)故障樹)或質(zhì)蘊(yùn)涵集(PIS)族(對非單調(diào)關(guān)聯(lián)故障樹)。定性分析常用的方法有上行法和下行法，本文利用下行法求氣體傳感器故障樹最小割集，如圖2.6所示。

{刈眞噴腹{刈眞噴腹X10X11X12X13X14X13X14X17X18心X14X15X16X19X15X16圖26氣體傳感器故障樹最小割集分析由圖2.6可以看出，氣體傳感器故障樹最小割集為{XJ,{X2},,{X20}o2.3.2氣體傳感器故障樹定量分析在求得故障樹的全部最小割集后，如果能夠?qū)收蠘渲兴凶畹蛯邮录母怕首龀鐾茢啵瑒t可進(jìn)一步進(jìn)行定量計(jì)算。故障樹定量分析的目的就是利用故障樹模型，根據(jù)各最底層事件可能發(fā)生的概率計(jì)算頂事件發(fā)生的概率、底事件概率重要度、底事件關(guān)鍵性重要度，從而得到氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案的制定奠定基礎(chǔ)。通過研制及生產(chǎn)過程、環(huán)境試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、穩(wěn)定性試驗(yàn)及使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，故障樹底事件發(fā)生的概率如圖2.5所示，分別為：P(召)=0.0015P(X.)=P(X6)=0.0003P(X3)=0.0025P(X4)=P(X13)=0.0002P(X5)=P(X2O)=0.001P(X7)=0.0005Pg=P(?=P(X10)=PgJ=P(X12)=P(X15)=Pg?)=P(X】9)=0.0001P(X14)=0.003P(召6)=0.0035P(X1S)=0.002頂事件發(fā)生的概率由2.3.1節(jié)分析結(jié)果可知，氣體傳感器故障樹頂事件與底事件的關(guān)系為20TOC\o"1-5"\h\zT=工兀(2.6)1=1由于故障樹的最小割集一般是相容的，在求頂事件發(fā)生概率時(shí)，一般將式(2.6)化為互補(bǔ)相交的布爾和T=X1+f(2.7)i=2j=l則頂事件的概率表達(dá)式為_>20i-1Q(P)=Pi+工(帀沁(28)x=2j=l式中,P=[P(X1),P(X2),-,P(X19)],=P(\),q=l-Ro由式(2.8)可求出頂事件的概率，即不可靠度為Q(P)=0.0015+(1-0.0015)x0.0003+(1-0.0015)x(l-0.0003)x0.0035+(1-0.001>5)-(l0.0(00-3)(1>0.003=0.01668底事件概率重要度底事件發(fā)生概率變化引起頂事件發(fā)生概率變化的程度稱為概率重要度.(兀)，其數(shù)學(xué)定義為

(2.9)(2.9)式中，P’為底事件發(fā)生概率，q（3）為頂事件發(fā)生概率。L(XJ=->

L(XJ=->

西(P)

°(P1)20i-1"-P?-工(口①疋i=3j=2=l—0?00Z-<10.0003)G-心0?98z同理可計(jì)算出每個(gè)底事件概率重要度分別為Ig（X；）=0.9848.（荃）=1/咨）=0.9836Ig（X3）=0.985816（^）=16（^3）=0.9835Ig（X5）=Ig（X20）=0.9843Ig（X7）=0.9838\（冬）=1&（禺）=1&（撿）=.（冷）=1（忑.（馮4）=0.9863L區(qū)§）=0.9868?（*）=0.9853由計(jì)算結(jié)果可以看出看，材料性能變化、加熱絲斷路及基片碎裂等底事件發(fā)生時(shí)，對頂事件發(fā)生概率影響最大，在設(shè)計(jì)過程中，首先降低底事件概率重要度大者，對提高可靠性明顯。（3）底事件關(guān)鍵性重要度底事件關(guān)鍵性重要度的數(shù)學(xué)定義為

冬I(Xi)冬I(Xi)=￡lnQ(P)=QclnP](2.10)它與底事件概率重要度的關(guān)系為(2.11)Ic(兀)=斗1/管)(2.11)Q(P)由(2.11)式可知各底事件關(guān)鍵性重要度為Ic(^)=0.08857Ic(X2)=Ic(X6)=0.01769Ic(X3)=0.1478Ic(X4)=Ic(X13)=0.01179丄(兀)=1」耳)=°°5902Ic(X7)=0.02949Ic(^)=Ic(X.)=Ic(撿)=Ic為)=Ic(0)=Ic(兀)=Ic(X17)=Ic(X19)=0.00591X^)=0177410(^6)=0.207110(^8)=0.1182從計(jì)算結(jié)果來看，材料性能變化、加熱絲斷路及基片碎裂關(guān)鍵性重要度較大，它表明觸發(fā)頂事件發(fā)生的可能性大，是氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，因此，在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案制定過程中，應(yīng)主要針對加熱絲、基片和敏感元件材料進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。2.4氣體傳感器失效機(jī)理探討由2.2節(jié)及2.3節(jié)的分析,總結(jié)出傳感器薄弱環(huán)節(jié)的失效模式有:①鉗絲失效;②氧化鋁載體失效；③催化劑失活。其中催化劑失活是造成傳感器輸出漂移的主要原因，而失效原因之外殼氣孔堵塞，主要發(fā)現(xiàn)于污染嚴(yán)重的實(shí)際工況中，在正常環(huán)境條件下，此種失效概率很小。2.4.1鉗絲失效機(jī)理在本文研究的LNG氣體傳感器中，鉗絲通過熱壓焊與接線柱互聯(lián)，其作用主要有：①提供甲烷催化燃燒反應(yīng)所必須的溫度；②測量甲烷催化燃燒過程中載體表面溫度變化。在工作過程中，鉗絲主要失效模式有兩種：阻值增大和斷裂。鉗絲阻值增大：經(jīng)對失效產(chǎn)品解剖分析，發(fā)現(xiàn)鉗絲阻值增大的主要原因有:①鉗絲在高溫環(huán)境下由于升華作用使鉗絲變細(xì)，阻值增加；②由于鉗絲和接線柱等骨架材料的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫作用下，鉗絲中會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力及電阻，使阻值增大；③鉗幺幺的微觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的各種缺陷，引起電子散射，導(dǎo)致電阻率增加，鉗絲阻值增大。鉗絲斷裂：鉗絲斷裂失效主要發(fā)生在振動(dòng)或沖擊應(yīng)力的作用下，經(jīng)對失效產(chǎn)品解剖分析，發(fā)現(xiàn)鉗絲斷裂的主要原因有:①鉗絲在工作過程中可能接觸到還原性氣體，如H?,CO等。在高溫作用下，這些還原性氣體能很快滲透到鉗絲內(nèi)部，導(dǎo)致鉗絲力學(xué)性能發(fā)生退化，鉗絲變得易脆斷；②在鉗絲與接線柱通過焊接互聯(lián)后，由于鉗絲與接線柱直徑不匹配以及殘余應(yīng)力存在或不消除，導(dǎo)致鉗絲表面產(chǎn)生裂紋，成為焊接失效的隱患；③鉗幺幺和接線柱之間在高溫下生成某些金屬間化合物，從而使焊接強(qiáng)度降低。2.4.2化鋁載體失效機(jī)理從對失效試件的分析來看，氧化鋁載體失效的主要原因?yàn)闊Y(jié)造成的失效，擴(kuò)散和遷移是主要的燒結(jié)機(jī)理［⑴。在長期高溫的作用下，氧化鋁載體表面和內(nèi)部原子、分子和離子發(fā)生擴(kuò)散和遷移，?卜A1?O3晶體轉(zhuǎn)變成卜A1?C>3或4AI2O3晶體，表面小晶粒之間接觸面增加，形成互相連接的“頸部”，隨著時(shí)間的增加，這些“頸部”互相交錯(cuò)，形成封閉的孔，從而使氧化鋁載體表面積和氣孔率減少，造成對催化劑的遮蔽現(xiàn)象。其燒結(jié)過程如圖2.7所示。圖2.7氧化鋁的燒結(jié)過程2.4.3催化劑失活機(jī)理根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)于1981年提出的定義，催化劑是一種物質(zhì),它能夠改變反應(yīng)的速率而不改變該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由熔變化。這種作用稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)為催化反應(yīng)［切。由上述定義可知，催化劑是通過降低活化能、改變反應(yīng)路徑來加快或減緩化學(xué)反應(yīng)速率，而本身并不消耗的物質(zhì)，它不能改變反應(yīng)的平衡狀態(tài)，反應(yīng)后退出反應(yīng)體系，自身性質(zhì)無改變。但實(shí)際上由于諸多因素的影響，在參與化學(xué)反應(yīng)之后，催化劑的某些物理和化學(xué)性質(zhì)己經(jīng)發(fā)生了變化，導(dǎo)致催化劑在使用過程中活性逐漸下降，這種現(xiàn)象稱為催化劑失活，進(jìn)而導(dǎo)致催化燃燒式氣體傳感器無信號輸出。催化劑失活是一種復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，F(xiàn)orzatti等曾就催化劑失活原理，原因及數(shù)學(xué)描述進(jìn)行了詳細(xì)的論述［54］,Butt也從催化劑失活所涉及的反應(yīng)，反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)及傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)等方面作了詳細(xì)的論述［旳。影響催化劑失活的原因很多，Camaxob等把它們基本歸納為兩類：一是化學(xué)變化引起的失活；二是結(jié)構(gòu)改變引起的失活。Hegedus等歸納為三類:即化學(xué)失活、熱失活和機(jī)械失活；Huglies則歸納為中毒、堵塞、燒結(jié)和熱失活〔⑴。對于本文研究的LNG氣體傳感器，通過環(huán)境試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)，其催化劑失活機(jī)理可分為以下三類：燒結(jié)、結(jié)焦、中毒圖】。燒結(jié)造成催化劑的失活催化劑的燒結(jié)是指由高溫引起的催化劑結(jié)構(gòu)和性能的變化，造成催化劑活性中心的減少。氧化鋁載體在長期高溫作用下，比表面積大大減小，載體內(nèi)部孔道變窄或堵塞，引起部分催化劑被A1?O3載體被包埋和部分內(nèi)部的催化劑無法與瓦斯氣體接觸。同時(shí)燒

結(jié)也會(huì)導(dǎo)致催化劑晶粒長大發(fā)生聚集，使得催化劑分散度降低，活性下降。高溫也會(huì)使催化劑產(chǎn)生揮發(fā)和升華現(xiàn)象。燒結(jié)導(dǎo)致催化劑失活有以下4種方式。(a)燒結(jié)引起的御孔封閉礎(chǔ)吉引起的催北劑聚奐〔c)燒^引起的催北劑高溫?fù)]發(fā)或片華(d)(a)燒結(jié)引起的御孔封閉礎(chǔ)吉引起的催北劑聚奐〔c)燒^引起的催北劑高溫?fù)]發(fā)或片華(d)廃結(jié)引起的催化劑枝載體包理圖18燒結(jié)造成催化劑的失效結(jié)焦造成催化劑的失活催化劑表面上的含碳沉積物稱為結(jié)焦。LNG成分中除含甲烷外，還有丁烷、乙塊

等有機(jī)繪，炷類燃饒時(shí)會(huì)在催化劑表面沉積焦炭，從而使與外界氣體的催化劑活性中心減少，其失活機(jī)理如圖2.9所示。未焦化微孔(a)未結(jié)焦的催化劑①)結(jié)焦的催化劑焦化傲孔未焦化微孔(a)未結(jié)焦的催化劑①)結(jié)焦的催化劑焦化傲孔圖2.9焦化引起的催化劑失活中毒造成催化劑的失活催化劑的活性由于某些有害雜質(zhì)的影響而下降稱為催化劑中毒，這些物質(zhì)稱為毒物。根據(jù)毒物和催化劑相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)弱程度可分為可逆中毒和不可逆中毒?？赡嬷卸究舍娙∵m當(dāng)?shù)姆椒ǔザ疚?，不?huì)影響催化劑的性質(zhì)。對于不可逆中毒，毒物與催化劑活性組份相互作用，形成很強(qiáng)的的化學(xué)鍵，從而造成催化劑的失活。LNG成分中所含的微量的H?S、SO?、NO：＜以及反應(yīng)后產(chǎn)物CO都可以使催化劑發(fā)生中毒，隨著時(shí)間的延長，中毒區(qū)域會(huì)慢慢擴(kuò)大，最終導(dǎo)致催化劑全面中毒。中毒引起的催化劑失活機(jī)理如圖2.10所示，P是毒性物質(zhì)，A為反應(yīng)物甲烷。?門嚴(yán)嚴(yán)?門嚴(yán)嚴(yán)圖210中毒引起的催化劑失效2.5氣體傳感器失效物理方程在LNG氣體傳感器工作時(shí)，由于氣體成分的復(fù)雜性和工作的高溫環(huán)境，隨著催化反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑的活性會(huì)逐漸減小。在催化劑活性穩(wěn)定期內(nèi)，其反應(yīng)速率僅取決于操作條件；在催化劑活性衰退的時(shí)候，反應(yīng)速率隨著活性的衰退而下降，活性的變化乂與其它多種因素有關(guān)。對于一個(gè)催化反應(yīng)而言，其反應(yīng)速率可用下式來表示-7A=kCV(2.12)式中：k—反應(yīng)速率常數(shù)；C’一反應(yīng)物濃度；11一反應(yīng)級數(shù)；〃一催化劑有效因子，當(dāng)載體內(nèi)無擴(kuò)散阻力時(shí)〃=1;4一催化劑相對活性，其定義為一-/a_某一時(shí)刻反應(yīng)物A在催化劑上反應(yīng)速率"一莎一反應(yīng)物A在新鮮催化劑上的反應(yīng)速率(J某一時(shí)刻反應(yīng)物A在催化劑上反應(yīng)速率—仏與時(shí)間t相關(guān)，上式可改寫為-從)-久(0-從)-久(0)(2.14)催化劑活性隨時(shí)間減小的典型的關(guān)系曲線如圖2.11所示。0.0?―rt圖211催化劑的活性和時(shí)間的關(guān)系對于多相催化反應(yīng)，其失活動(dòng)力學(xué)通常可用下列兩個(gè)方程來表示：反應(yīng)速率方程式(也稱主反應(yīng)速率方程式)一％=O(C,T,q)(2.15)失活速率方程式-人=q(C,T,q)(2.16)式中：T—溫度；對于大多數(shù)反應(yīng)過程，在符合函數(shù)可分性的條件下，可將(2.15)、(2.16)改寫為(2.17)一乙=^(CJk/Cnp??)(2.18)式中，$、2、Pi、P2通常可用幕函數(shù)形式表示；ki、k?可用Anheiiius關(guān)系式表示。LNG的主要成分是甲烷，對于甲烷的催化燃燒反應(yīng)，考慮到分步化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的復(fù)雜性，本文應(yīng)用的是甲烷催化燃燒的總反應(yīng)式ch4+o2co2+h2o催化劑在失活前，催化劑表面進(jìn)行的是催化非均相氧化反應(yīng)。X.Song等人［殉通過實(shí)驗(yàn)得到的甲烷催化非均相氧化反應(yīng)速率經(jīng)驗(yàn)公式為E-/a=-K-CCHt?cf=%exp(-—)CCHC^(2.19)K1S式(2.19)中催化劑活性在剛開始時(shí)為1,隨著反應(yīng)時(shí)間而逐漸下降。失活速率可寫為一人=一罟=kdexp(-需^兀甲c￡?aAatK1s(2.20)式中：d—失活級數(shù)b—失活反應(yīng)速率常數(shù)

Ed-失活活化能花一載體表面溫度R—摩爾常數(shù)在正常環(huán)境下，空氣中甲烷和氧氣的濃度及失活級數(shù)為常數(shù)，令'A=kd-CCH/C°25.adR則(2.20)式可化簡為一人=Aexp(—%)(2.21)初始時(shí)刻催化劑的活性因子退化量v(0)為0,則t時(shí)刻后催化劑的活性因子退化量v(t)=v(0)+(-/d-v(t)=v(0)+(-/d-t)=Aexp(-%)t(2.22)經(jīng)變換并令d=譽(yù)，即可得氣體傳感器壽命與載體表面溫度的關(guān)系(2.23)由上式可看出，氣體傳感器壽命與載體表面溫度滿足Arrhenius方程。2.6本章小結(jié)本章首先對氣體傳感器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了分析，之后采用FMECA分析方法，對氣體傳感器進(jìn)行了失效分析，畫出了氣體傳感器FMEA表格，總結(jié)了氣體傳感器失效的主要原因。采用FIA分析技術(shù)定量分析了氣體傳感器的不可靠度、底事件概率重要度及底事件關(guān)鍵性重要度，得出了氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，并對其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了失效分析，建立了失效物理方程，為傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案的制定及壽命評估奠定了基礎(chǔ)。

3氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)本章在承接上一章對氣體傳感器可靠性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的原理，針對氣體傳感器薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，分析了LNG氣體傳感器在典型工作環(huán)境中的敏感應(yīng)力，研究了LNG氣體傳感器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，并結(jié)合具體的試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)了強(qiáng)化試驗(yàn)方案，對LNG氣體傳感器進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。3.1氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)原理氣體傳感器可靠性試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)過程中所獲得的有關(guān)氣體傳感器的失效信息來對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。在可靠性試驗(yàn)中，如不采取強(qiáng)化應(yīng)力方法，試驗(yàn)時(shí)間較長，不禁耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，而且過長的試驗(yàn)時(shí)間使試驗(yàn)本身的意義受到影響。因此，必須通過恰當(dāng)?shù)姆椒▉砜s短氣體傳感器可靠性試驗(yàn)的時(shí)間，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)正是這樣一種能加速試樣發(fā)生失效的可靠性試驗(yàn)方法。在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中所涉及的應(yīng)力范圍不同，需要不同的術(shù)語來描述其各種應(yīng)力極限，在壽命試驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)各種應(yīng)力極限合適選擇加速應(yīng)力，以達(dá)到縮短時(shí)間的目的?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)中各應(yīng)力極限大小關(guān)系如圖3.1所示Bl,其中工作極限是指產(chǎn)品在該極限內(nèi)能正常工作，超出該極限則工作異常的工作應(yīng)力極限；破壞極限是指產(chǎn)品能在其范圍內(nèi)工作而不出現(xiàn)不可逆失效的應(yīng)力極限。工作極限和破壞極限可通過步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)測定。r-堿壞極限上限工作極限上限J設(shè)計(jì)極限上限技術(shù)規(guī)范極限上限應(yīng)力技術(shù)規(guī)范極限下限ESSRET應(yīng)力技術(shù)規(guī)范極限下限ESSRET設(shè)計(jì)極限下限工作極限下限—y破壞極限下限5圖3.1各種應(yīng)力極限應(yīng)力示意圖氣體傳感器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是在不改變傳感器失效機(jī)理的前提下提高氣體傳感器的試驗(yàn)應(yīng)力水平，使其在比正常使用環(huán)境苛刻的試驗(yàn)條件下工作，從而使氣體傳感器可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，如傳感器敏感元件、集成電路模塊以及其他零部件快速地發(fā)生失效,從而在很短的時(shí)間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果，大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，就達(dá)到了快速評價(jià)氣體傳感器可靠性水平的目的。3.2氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法為了盡量地減少試驗(yàn)費(fèi)用，必須制定科學(xué)、高效的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案。一個(gè)完整的試驗(yàn)方案包括試驗(yàn)層次的確定、失效機(jī)理分析、試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)、試驗(yàn)樣品選擇、試驗(yàn)結(jié)果處理等內(nèi)容。其中失效機(jī)理分析是制定高效率試驗(yàn)剖面的理論基礎(chǔ)。試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)是整個(gè)試驗(yàn)過程的核心內(nèi)容，它決定了試驗(yàn)應(yīng)力選擇、應(yīng)力施加方式及順序、應(yīng)力綜合方式和試驗(yàn)停止原則等，它直接影響到試驗(yàn)的效率與消耗網(wǎng)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要結(jié)合具體試驗(yàn)對象和試驗(yàn)要求來設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)剖面。3.2.1試驗(yàn)應(yīng)力選擇在強(qiáng)化試驗(yàn)中，不同的應(yīng)力誘發(fā)不同的失效機(jī)理，并且相同的失效機(jī)理也可由不同應(yīng)力所誘發(fā)，因此在制定試驗(yàn)方案時(shí)要根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康倪x擇相應(yīng)的應(yīng)力類型。圖3.2是由G.K.Hobbs建立的缺陷/激勵(lì)關(guān)系模型圖，它表示環(huán)境激勵(lì)與可激出缺陷的關(guān)系。然而，要在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中要選擇有效的應(yīng)力類型，還必須依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證以及分析產(chǎn)品的環(huán)境條件和工作條件。圖32壞境激勵(lì)弓可激出缺陷之河的關(guān)系圖3.3是對12種環(huán)境應(yīng)力加權(quán)評分后得到的試驗(yàn)效果比較圖。從圖中可以看到，溫度循環(huán)是最有效的篩選，其次是隨機(jī)振動(dòng)、高溫和電應(yīng)力岡］。加速度加速度潮濕機(jī)械沖擊打描止弦振動(dòng)低溫宦須止弦振動(dòng)宦須止弦振動(dòng)熱沖擊電應(yīng)力隨機(jī)撮動(dòng)0501001502002503003?加權(quán)分值圖3.3各種應(yīng)力試驗(yàn)效果比較在氣體傳感器的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)當(dāng)中，要加快氣體傳感器的失效過程，關(guān)鍵在于選用何種類型的試驗(yàn)應(yīng)力以及這種應(yīng)力的水平如何確定。恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)應(yīng)力及其應(yīng)力水平的選取，應(yīng)當(dāng)以氣體傳感器的實(shí)際工作環(huán)境為基礎(chǔ)，分析工作環(huán)境中的何種因素能夠加快氣體傳感器失效的發(fā)生，并選取該因素作為強(qiáng)化因子，增強(qiáng)其應(yīng)力水平，形成高于正常工作環(huán)境應(yīng)力的強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力，從而使得氣體傳感器的失效在強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力下被迅速的激發(fā)出來且不改變氣體傳感器的失效模式與機(jī)理。通過對LNG氣體傳感器進(jìn)行FMECA及FTA分析并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，己經(jīng)得出了傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)是傳感器敏感元件的加熱絲、基片及敏感元件材料部分，其主要的失效模式是加熱絲斷裂阻值增大、載體材料性能變化及催化劑失活。由第三章分析可知，引起加熱絲斷裂、加熱絲阻值增加、載體材料性能變化、催化劑失活的敏感應(yīng)力有溫度、振動(dòng)、沖擊及電應(yīng)力。因此，要加快LNG氣體傳感器失效要進(jìn)行四種環(huán)境應(yīng)力的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)即溫度環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境、沖擊環(huán)境及電應(yīng)力環(huán)境的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。所以確定溫度、振動(dòng)、沖擊及電應(yīng)力為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的敏感應(yīng)力。在選定了敏感應(yīng)力后，還需要確定敏感應(yīng)力的應(yīng)力水平。在確定應(yīng)力水平時(shí)應(yīng)符合:所選擇的應(yīng)力水平不能改變氣體傳感器在正常工作環(huán)境下的失效模式和失效機(jī)理原則。然而保證這個(gè)原則的前提條件是進(jìn)行LNG氣體傳感器預(yù)試驗(yàn)從而找到氣體傳感器的工作極限應(yīng)力和破壞極限應(yīng)力，最終確定恒定應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力量級。3.2.2應(yīng)力施加方式及施加順序可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的核心是不模擬真實(shí)環(huán)境，而是對產(chǎn)品施加大大超過設(shè)計(jì)規(guī)范的極限應(yīng)力，逐步增加，直至產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。其應(yīng)力施加示意圖如圖3.4所示,這些應(yīng)力可以是環(huán)境應(yīng)力，如溫度、振動(dòng)、濕度，也可以是工作應(yīng)力，如電壓，也可以是這些應(yīng)力的組合。在應(yīng)力步進(jìn)施加過程中，應(yīng)力步長和應(yīng)力持續(xù)時(shí)間是兩個(gè)關(guān)鍵性的問題，起始應(yīng)力通常處于正常工作應(yīng)力和規(guī)范應(yīng)力極限之間。減小步長、r8破壞極限工作極限技術(shù)耍求時(shí)間圖344靠性強(qiáng)化試驗(yàn)步進(jìn)應(yīng)力施加示意圖對于應(yīng)力施加順序，不同的加載順序?qū)υ嚰氖в泻艽笥绊??？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)屬破壞性試驗(yàn)，為降低試驗(yàn)費(fèi)用，試驗(yàn)一般釆取小樣本（典型4到6個(gè)），因此，為盡可能多的從小樣本中獲取盡可能多的信息，應(yīng)先施加破壞性比較弱的應(yīng)力類型，然后施加破壞性比較強(qiáng)的應(yīng)力類型。對于熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力而言，這意味著試驗(yàn)按照這樣的順序進(jìn)行：低溫、電應(yīng)力、高溫、快速溫變、振動(dòng)，然后是電應(yīng)力、溫度和振動(dòng)綜合應(yīng)力。3.2.3試驗(yàn)停止原則可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是通過不斷地增加應(yīng)力量級，不斷重復(fù)“試驗(yàn)一修正一再試驗(yàn)”這一過程，從根本上提高產(chǎn)品的可靠性。在試驗(yàn)階段，當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況則可停止本階段試驗(yàn)：全部零件都失效；應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所要求的應(yīng)力水平；新的失效機(jī)理或不相關(guān)失效開始出現(xiàn)。對于整個(gè)試驗(yàn)過程，不斷重復(fù)“試驗(yàn)一修正一再試驗(yàn)”并不意味著試驗(yàn)過程永不休止，圖3.5所示的是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益與試驗(yàn)費(fèi)用之間的

關(guān)系，由圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到一定階段，繼續(xù)試驗(yàn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益將不再有顯著性的增長，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停止試驗(yàn)過程。經(jīng)濟(jì)說總經(jīng)濟(jì)說總曲熟產(chǎn)品試驗(yàn)費(fèi)用圖35可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中費(fèi)用效益關(guān)系3.3氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的目的是通過對受試產(chǎn)品施加強(qiáng)化應(yīng)力，暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、材料和元器件等方面的各種缺陷，利用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)對氣體傳感器進(jìn)行可靠性評估，并得出氣體傳感器的可靠性特征值。本文以LNG氣體傳感器為研究對象，該氣體傳感器技術(shù)狀態(tài)基本穩(wěn)定，并具備產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范要求的功能和性能，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓5VDC,測量范圍0%?2%(V/V),額定輸出1?3.0VDC,精度S±5%FS,響應(yīng)時(shí)間S20s。3.3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了達(dá)到通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品溫度、振動(dòng)、沖擊及電應(yīng)力工作極限，進(jìn)而找到產(chǎn)品工作破壞極限，為恒定應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定提供依據(jù)，本次可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用如圖3.6所示的方案開展實(shí)驗(yàn)。首先，在進(jìn)行溫度、振動(dòng)及沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)前，應(yīng)對可靠性試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行空載測試，了解試驗(yàn)設(shè)備對溫度、振動(dòng)及沖擊應(yīng)力的控制情況，從而確定產(chǎn)品在設(shè)備中的擺放位置。第二，投入兩組試驗(yàn)樣本，對其實(shí)施高、低溫溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，用以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品溫度工作極限及破壞極限。第三，若在溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的溫度破壞極限，則將溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中的全部試驗(yàn)樣本投入振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。否則，重新投入一組樣本，尋找產(chǎn)品振動(dòng)工作極限和破壞極限。第四，在產(chǎn)品電應(yīng)力步進(jìn)試驗(yàn)中，重新投入兩組試驗(yàn)樣本，用以尋找電應(yīng)力工作極限和破壞極限。第五，若在電應(yīng)力步進(jìn)試驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的電應(yīng)力破壞極限，則將電應(yīng)力試驗(yàn)步進(jìn)中的全部樣品投入沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，否則，重新投入一組試驗(yàn)樣本，尋找產(chǎn)品沖擊應(yīng)力的工作極限及破壞極限。第六，對產(chǎn)品步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行失效分析，尋找與正常環(huán)境下失效機(jī)理一致的強(qiáng)化應(yīng)力，并根據(jù)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果制定恒定應(yīng)力試驗(yàn)方案，對產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，為產(chǎn)品的可靠性評估提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。3.3.2試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)溫度應(yīng)力試驗(yàn)基于常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的溫度強(qiáng)化試驗(yàn)包含低溫和高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)前需根據(jù)產(chǎn)品的情況設(shè)定高溫和低溫的截止溫度，當(dāng)達(dá)到截止溫度后還沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的破壞極限，則可以停止此步試驗(yàn)，將樣本投入下步試驗(yàn)。a)低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)投入試驗(yàn)樣本3個(gè)，從10°C開始，步長為-10°C,釆用設(shè)備最高降溫速率。每個(gè)階段在溫度穩(wěn)定后開始功能和性能測試，之后進(jìn)行5次通斷電測試，保證每次測試其功能和性能可以完全恢復(fù)。當(dāng)產(chǎn)品性能出現(xiàn)較大變化時(shí)，改變步長為-5°C,直至找到工作極限,當(dāng)找到工作極限后將步長改為-2°C,直至找到破壞極限，試驗(yàn)剖面如圖3.7所示。(nun)圖3.7低溫步進(jìn)試驗(yàn)剖面圖注：匕表示溫度穩(wěn)定時(shí)間(產(chǎn)品完全冷透所需要的時(shí)間)，t?表示功能性能檢測和5次通斷電測試時(shí)間。b)高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)投入試驗(yàn)樣本3個(gè)，從30°C開始,步長為+10°C,采用設(shè)備最高升溫速率。每個(gè)階段在溫度穩(wěn)定后開始功能和性能測試，之后進(jìn)行5次通斷電測試，保證每次測試其功能和性能可以完全恢復(fù)，直至找到被測產(chǎn)品的工作極限，當(dāng)找到工作極限后將步長改為+2°C,直至找到破壞極限，試驗(yàn)剖面如圖3.8所示。圖38高溫步進(jìn)試驗(yàn)剖面圖注：b表示溫度穩(wěn)定時(shí)間（產(chǎn)品完全熱透所需要的時(shí)間），t?表示功能性能檢測和5次通斷電測試時(shí)間。（2）步進(jìn)應(yīng)力振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，投入6個(gè)樣本。起始振動(dòng)為2Grms,振動(dòng)頻率帶寬在20Hz-2000Hz范圍內(nèi)，步長為2?5Grms,使用加速度傳感器監(jiān)測產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)。每個(gè)臺(tái)階保持ti分鐘后先進(jìn)行功能和性能測試，之后再進(jìn)行5次通斷電測試，保證每次測試其功能可以完全恢復(fù)，直至找到被測產(chǎn)品的工作極限和破壞極限。如果振動(dòng)量值到截止振動(dòng)量（例如30Gnns）時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)工作極限或破壞極限，則可以停止此步試驗(yàn)。試驗(yàn)剖面如圖3.9所示，振動(dòng)譜型釆用GB2423.11-1997《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Fd寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)一般要求》中的參考譜型，如圖3.10所示。圖39振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)剖面圖注：h表示試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)時(shí)間，如表示功能性能檢測和5次上卞電功能測試時(shí)間。若應(yīng)力施加方式為單軸，則持續(xù)時(shí)間匕應(yīng)不小于1Omin,如果是應(yīng)力施加方式為三軸，則持續(xù)時(shí)間h應(yīng)不小于5min。+33B、、-6JB/otcSX、、-3dK10Hz2000Hz一圖3.10振動(dòng)應(yīng)力譜型電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)對象為氣體傳感器氣敏，其包含高電壓和低電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)前需根據(jù)產(chǎn)品的情況設(shè)定高電壓和低電壓的截止電壓，試驗(yàn)過程中在達(dá)到截止電壓后還沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的破壞極限，則停止此步試驗(yàn)，將樣本投入下步試驗(yàn)。a)低電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)投入試驗(yàn)樣本3個(gè)，從2.0V開始，步長為O2V,每個(gè)電壓階段保持2min后開始功能和性能測試，試驗(yàn)直至找到被測產(chǎn)品的工作極限。當(dāng)找到工作極限后將步長改為O.1V,直至找到破壞極限，試驗(yàn)剖面如3.11所示。圖311低電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面b)高電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)投入試驗(yàn)樣本3個(gè)，從2.2V開始，步長為+0.2V,每個(gè)電壓階段保持2min后開始功能和性能測試，試驗(yàn)直至找到被測產(chǎn)品的工作極限。當(dāng)找到工作極限后將步長改為O.1V,直至找到破壞極限，試驗(yàn)剖面如3.12所示。圖312高電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備有落錘式?jīng)_擊臺(tái)(4萬g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉沖擊試驗(yàn)(4萬g以上)，本文釆取落錘式?jīng)_擊臺(tái)。投入一組試驗(yàn)樣本3個(gè)，從100g開始，步長+200g,每次沖擊后進(jìn)行功能和性能測試，試驗(yàn)直至找到被測產(chǎn)品的工作極限。當(dāng)找到工作極限后將步長改為100g,直至找到破壞極限，試驗(yàn)剖面如圖3.13所示。電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)根據(jù)對氣體傳感器失效機(jī)理及步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)激發(fā)的失效模式與正常環(huán)境下失效模式一致，即在電壓的作用下，出現(xiàn)鉗絲由于高溫而變細(xì)、氧化鋁載體表面氣孔減小、催化劑失活等失效模式，故本文采取電應(yīng)力作為恒定應(yīng)力的加速應(yīng)力。本文釆取3組加速應(yīng)力，根據(jù)電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果，選取電壓應(yīng)力強(qiáng)度分別為2.3V、2.5V和2.8V,每組樣本數(shù)7個(gè)，釆用完全壽命試驗(yàn)方法。實(shí)時(shí)檢測傳感器的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)傳感器工作失效則記錄傳感器的壽命時(shí)間，當(dāng)產(chǎn)品全部失效后后進(jìn)入下一級應(yīng)力試驗(yàn)，其試驗(yàn)剖面如圖3.14所示。電壓/V2.8V2.5V2.3V?”小時(shí)圖3.14電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)剖面3.3.3試驗(yàn)失效判據(jù)參數(shù)漂移在LNG氣體傳感器失效模式中占有一定比例。其中本文主要討論零位輸出隨強(qiáng)化應(yīng)力變化而產(chǎn)生的漂移，根據(jù)LNG氣體傳感器的精度指標(biāo)，LNG氣體傳感器隨強(qiáng)化應(yīng)力變化零位輸出失效判據(jù)為：—<0.5%(3.1)其中：AU為對應(yīng)強(qiáng)化應(yīng)力變化所產(chǎn)生的零位輸出變化值；Ufs為傳感器的滿量程輸出。即在強(qiáng)化應(yīng)力的作用下，傳感器零位輸出變化量超出UfsX5%時(shí)，判定為失效。LNG氣體傳感器沒有輸出即輸出為零。3.3.4試驗(yàn)過程試驗(yàn)開始前，搭建測試系統(tǒng)，將傳感器安裝在試驗(yàn)儀器上，測試傳感器的性能信號(傳感器的零位輸出)獲得試樣正常的工作指標(biāo)(試樣在室溫環(huán)境下零位輸出為IV,傳感器零位輸出的電壓信號隨著環(huán)境的不同，有一定的范圍波動(dòng))，并將數(shù)據(jù)線引出與測試系統(tǒng)相連接從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。傳感器在實(shí)驗(yàn)箱儀器上安裝方式見圖3.15。根據(jù)LNG氣體傳感器外殼結(jié)構(gòu)，可將傳感器通過螺釘固定在試驗(yàn)臺(tái)(箱)內(nèi)，測試系統(tǒng)是由恒壓源和高精度萬用表組成。該恒壓源可同時(shí)接入10套傳感器，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能。

圖3.15氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)儀器3.4氣體傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果分析3.4.1溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析(1)低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析圖3.16為低溫步進(jìn)試驗(yàn)得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。NN孕-SO-40^0-100102030mrc圖3.16低溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)試驗(yàn)溫度從20°C開始以10°C的步長下降至?20°C時(shí)，傳感器的零位電壓基本保持穩(wěn)定,當(dāng)試樣在?25°C保溫30min時(shí)，電壓突然下降至0.976V。此時(shí)，改變步長為?5°C,當(dāng)試驗(yàn)溫度為-40°C,保溫30niin時(shí)，傳感器輸出不正常。將試驗(yàn)溫度恢復(fù)至室溫后，傳感器的零位電壓輸出恢復(fù)正常，由此可得試樣的低溫工作極限為-40°C,比設(shè)計(jì)規(guī)范要求的下限低15°Co此時(shí)，試探性地將溫度以步長為?2°C繼續(xù)降低，當(dāng)溫度降至-46°C時(shí)，傳感器的零位電壓輸出為零，可得傳感器的低溫破壞極限為-46°Co當(dāng)在室溫下恢

復(fù)一段時(shí)間后，傳感器輸出正常。經(jīng)分析表明，出現(xiàn)此現(xiàn)象是由于氣體傳感器氣敏元件內(nèi)部無法維持正常工作溫度(約500°C),從而導(dǎo)致氣體傳感器無法正常工作。(2)高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析圖3.17為高溫步進(jìn)試驗(yàn)得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。FF204060301?0120海血叱圖3.17高溫步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)試驗(yàn)從30°C開始以1O°C的步長上升至11O°C時(shí)，傳感器的零位電壓隨溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)試樣在11O°C保溫30miii時(shí)，電壓突然上升至1.130V,傳感器輸出不正常。將試樣在室溫下恢復(fù)一段時(shí)間后，傳感器的零位電壓輸出恢復(fù)正常，由此可得試樣的高溫工作極限為11O°C,比設(shè)計(jì)規(guī)范要求的上限高40°Co此時(shí)，試探性地將溫度以步長為2°C繼續(xù)升高，當(dāng)溫度升至120°C時(shí)，傳感器的零位電壓輸出為零，由此可得傳感器的高溫破壞極限為120°Co經(jīng)分析表明，出現(xiàn)此現(xiàn)象是由于氣體傳感器中單片機(jī)出現(xiàn)損壞，從而導(dǎo)致氣體傳感器無法正常工作。將電路板拆下對氣敏元件進(jìn)行測試，氣敏元件工作正常。3.4.2振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析由于產(chǎn)品的差異性，各個(gè)產(chǎn)品的工作極限和破壞極限不同。經(jīng)對損壞的傳感器拆開進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)傳感器輸出不正常是傳感器的氣敏元件在振動(dòng)應(yīng)力下開裂，導(dǎo)致敏感體熱容下降，敏感體溫度上升，輸出變大，如圖3.18所示。圖3.18敏感球失效照片由工作極限應(yīng)力的定義可知，產(chǎn)品工作極限應(yīng)力和使用環(huán)境應(yīng)力之間的關(guān)系決定產(chǎn)品能否正常工作，設(shè)產(chǎn)品的工作極限應(yīng)力為S,使用環(huán)境應(yīng)力為E。在實(shí)際工作過程中,S和E都是隨機(jī)變量，分別服從某種分布，設(shè)其分布函數(shù)分別為f(S)和h(E)o將兩者在同一坐標(biāo)系中表示，如圖3.19所示。當(dāng)S的均值大于E的均值時(shí)，在圖中陰影部分的干涉區(qū)域就有可能發(fā)生S小于E的情況，即失效的情況，則產(chǎn)品的可靠度表示為：R=P(S>E)=P(S-E>0)d八圖3.19應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型由于E與S都是隨機(jī)變量，假設(shè)它們之間互相獨(dú)立，且S服從參數(shù)為均、于的正態(tài)分布；E服從參數(shù)/、加的正態(tài)分布。令Z=SHE,則Z服從參數(shù)為/z=/z1-/z2,/=另的正態(tài)分布。此時(shí)，產(chǎn)品的可靠度為：17(z-〃)2R=P(Z>0)=^^expI-^-42]dZ(3.3)^2兀bi2b對于本文所用的LNG氣體傳感器工作環(huán)境為公路運(yùn)輸環(huán)境，根據(jù)GJB150.16,其環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度大致服從N(1.29,0.13?)的正態(tài)分布。由試驗(yàn)測得6個(gè)試件的工作極限(均方根值，單位Guns)分別為：19,17,26,12,15,16則樣本均值和方差分別為17.5、22.7o分別利用樣本均值和方差估計(jì)產(chǎn)品工作極限應(yīng)力分布參數(shù)均、of,根據(jù)(3?3)式可

得產(chǎn)品的可靠度為:得產(chǎn)品的可靠度為:175-I29R=P(Z>0)=0(_：_=)=0.9996V22.7+0.1323.4.3電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析圖3.20(a)為電應(yīng)力步降試驗(yàn)得到氣敏元件零位電壓輸出幅值變化圖。圖3.20(b)為電應(yīng)力步升試驗(yàn)得到氣敏元件零位電壓輸出幅值變化圖。>￡、「、UnesFllofB□nearFllofB>￡、「、UnesFllofB□nearFllofB(a)(b)圖3.20敏感體零位電壓輸出幅值變化圖當(dāng)試驗(yàn)從2V開始以0.2V的步長下降時(shí)，氣敏元件的零位電壓輸出隨之升高，當(dāng)電壓降低至1.4V時(shí)，氣敏元件輸出上升至1.881I1V,在正常電壓應(yīng)力下恢復(fù)一段時(shí)間后，氣敏元件輸出恢復(fù)正常。本階段試驗(yàn)表明，氣敏元件電壓的工作極限下限為1.4Vo考慮到繼續(xù)降低電壓不能尋找到氣敏元件破壞極限，故停止步進(jìn)試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)從2.2V開始以0.2V的步長增加時(shí)，氣敏元件的零位電壓輸出隨之降低，當(dāng)電壓升至2.4V時(shí)，氣敏元件輸出下降至-3.03111V,在正常電壓應(yīng)力下恢復(fù)一段時(shí)間后，敏感體輸出恢復(fù)正常，由此可知?dú)饷粼ぷ麟妷旱墓ぷ鳂O限上限為2.4VO之后，試探性的繼續(xù)增加電壓值，當(dāng)電壓升高至4.6V時(shí)，氣敏元件電壓輸出為IV。恢復(fù)到正常電壓后，氣敏元件輸出不正常，因此，確定氣敏元件電壓破壞極限為4.6V。將損壞的氣敏元件解剖分析，發(fā)現(xiàn)加熱絲已燒斷，如圖3.21所示。

圖3.21敏感體失效照片3.4.4沖擊步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析圖3.22為沖擊步進(jìn)試驗(yàn)得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。[SbI086^21oQ0.O?2-086^21oQ0.O敏感體完好基片震碎正常情況工作極限情況基片震碎敏感體完好基片震碎正常情況工作極限情況基片震碎并脫離戶」效情況020GMO6G0BOD10DO120014CO沖擊應(yīng)力g圖3.22沖擊步進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)試驗(yàn)從100g開始以200g的步長上升時(shí)，傳感器的零位電壓輸出基本保持不變，

當(dāng)沖擊量值增加到HOOg時(shí)，傳感器輸出突然下降至0.863V,在正常環(huán)境恢復(fù)一段時(shí)間

后，傳感器輸出基本穩(wěn)定。經(jīng)解剖分析，氣體傳感器基片碎裂，導(dǎo)致氣體傳感器輸出異常，如圖3.23所示。敏感體引

線斷開圖3.23敏感體失效照片本階段試驗(yàn)表明，試樣的沖擊工作極限為1100g,之后，試探性的改變步長為100g,

當(dāng)沖擊量級為1300g時(shí)，傳感器輸出為0V。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，氣體傳感器的敏感體引線斷裂，基片震碎并脫離，導(dǎo)致傳感器輸出為0。3.4.5電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析按照電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)剖面進(jìn)行傳感器的電壓恒定應(yīng)力試驗(yàn)，得到三組強(qiáng)化應(yīng)力下LNG氣體傳感器失效時(shí)間如表3.1所示。表31傳感器在各電壓應(yīng)力卜失效時(shí)河表格效時(shí)間/h應(yīng)力金卜、、tlt2t3t4t5t6t72.8V0.8333116671.66672.00002.16673.00003.66672.5V1421.525.530.54142.55152.3V76120164192228264388在試驗(yàn)過程中各失效傳感器的主要失效模式是傳感器零位輸出漂移嚴(yán)重。出現(xiàn)上述失效模式主要原因是電壓所產(chǎn)生的高溫環(huán)境不僅影響了氣敏元件內(nèi)加熱絲電阻，而且使傳感器氣敏元件內(nèi)AI2O3載體氣孔率減小，催化劑及Pt膜電阻被遮蔽，從而使傳感器零點(diǎn)輸出漂移。3.5本章小結(jié)本章根據(jù)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的原理對LNG氣體傳感器開展了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。以氣體傳感器典型的工作環(huán)境為依據(jù)，以加速氣體傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)為目的，并根據(jù)強(qiáng)化應(yīng)力不改變傳感器的失效機(jī)理或引入新的失效機(jī)理的原則，確定了具體的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，通過對試驗(yàn)樣品的分析表明強(qiáng)化應(yīng)力不僅沒有改變傳感器的失效模式，并且加快了傳感器的失效過程，縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。并選取電應(yīng)力作為強(qiáng)化應(yīng)力，對21個(gè)LNG氣體傳感器的氣敏元件進(jìn)行了恒定應(yīng)力試驗(yàn)，得到了三組加速失效壽命數(shù)據(jù)，從而為可靠性統(tǒng)計(jì)分析及評估奠定基礎(chǔ)。4氣體傳感器恒定應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析本章在上一章對氣體傳感器恒定應(yīng)力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，確定了加速壽命方程參數(shù)。通過環(huán)境因子理論將不同環(huán)境下的壽命數(shù)據(jù)折合到同一環(huán)境，研究了同一環(huán)境下有限數(shù)據(jù)壽命分布評價(jià)方法，最后利用極大似然法對正常應(yīng)力水平下傳感器壽命進(jìn)行了評估。4.1基本假設(shè)為了得到產(chǎn)品可靠性特征值，需對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對于大子樣數(shù)據(jù)的處理已有一套較成熟的方法卩7][6叮61],即經(jīng)典的數(shù)值分析方法，首先統(tǒng)計(jì)壽命服從何種分布,然后根據(jù)試驗(yàn)