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航空用壓力傳感器可靠性研究

時(shí)間:2023/3/28閱讀:1085
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引言

隨著我國綜合實(shí)力的提升,我國的航空制造技術(shù)在近年來取得了很大的進(jìn)步。但是在當(dāng)前的國際環(huán)境中,其他國家的航空制造技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展,給我國航空業(yè)的發(fā)展帶來了很多的壓力。在目前形勢下,國內(nèi)許多領(lǐng)域的發(fā)展對航空業(yè)提出了更高的要求, 故航空制造業(yè)需要加強(qiáng)自身技術(shù)水平的提升和制造能力的提升,適應(yīng)國內(nèi)、國外發(fā)展的需要。

壓力傳感器可靠性(Mean time between failure,平均故障間隔時(shí)間)是指在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力,可靠性是對壓力傳感器投入使用時(shí)可靠性工作能力的度量,通常用失效率來表示。[1]壓力傳感器是對壓力進(jìn)行測量,并把壓力通過一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號,從而壓力傳感器就成為測量這一信號的重要元器件,被廣泛地應(yīng)用在航空制造業(yè)壓力傳感器的可靠性直接關(guān)系著航空系統(tǒng)性能和質(zhì)量,影響著工作效率以及經(jīng)濟(jì)效益,甚至?xí)韲?yán)重的人身安全問題,故航空用壓力傳感器的可靠性研究是十分重要的,提高航空用壓力傳感器的可靠性也迫在眉睫。

1   壓力傳感器概述

1.1 主要組成(見圖1、圖2)

壓力傳感器是由壓力接口、壓力敏感元件以及信號輸出三部分組成,壓力接口為金屬部件,壓力敏感元件主要由壓力敏感電橋、燒結(jié)管殼、填充陶瓷、金屬膜片、焊環(huán)五部分組成,信號輸出部分由引出信號輸出線和PCB電路板組成。

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圖1 壓力傳感器組成圖

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圖2 壓力敏感元件組成圖

1.2 主要功能(見圖3)

壓力接口:傳遞壓力,減緩壓力輸送;

壓力敏感元件:感受壓力信號將其轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號;

信號輸出:引出信號輸出線,輸出電信號。

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圖3 壓力傳感器功能框圖

2 壓力傳感器工作原理

壓力傳感器通過引線接入壓力敏感電橋中,當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化,電橋失去平衡,金屬膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,產(chǎn)生壓電阻抗效果,從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號,若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源,電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電壓信號,這樣,傳感器的電阻變化就通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號輸出。電路原理(圖4)是由4個(gè)敏感電阻組成惠斯登電橋[1,6]

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圖4 電路原理圖

3 可靠性模型建立

可靠性模型是對系統(tǒng)及其組成單元之間的可靠性 / 故障邏輯關(guān)系的描述,包括可靠性框圖及其相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù) GB-T 37963—2019《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)模型及數(shù)據(jù)手冊》[5],建立如下模型。

3.1 建立壓力傳感器可靠性框圖(見圖5)

明確各單元之間的可靠性邏輯關(guān)系,進(jìn)行可靠性定量分配和計(jì)算,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié),為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù),以改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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圖5 壓力傳感器可靠性框圖

3.2 建立可靠性數(shù)學(xué)模型

由圖 3 可知,壓力傳感器的可靠性模型為串聯(lián)模型,且各單元間是相互獨(dú)立的,故其可靠度 [2] 為:

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 壓力傳感器的失效率等于各單元的失效率之和。

4 可靠性計(jì)算

4.1 壓力接口

壓力接口為結(jié)構(gòu)連接的機(jī)械金屬零件,不存在損耗性失效。其失效率暫無統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。壓力底座參照《NPRD-3 非電子零部件可靠性》[4] 手冊規(guī)定的連接件(普通焊接)使用環(huán)境(A)(注:無 AUF 使用環(huán)境的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)),其工作失效率為 λp11= 0.024×10-6 / h。

4.2 壓力敏感元件

壓力敏感元件由壓力敏感電橋和燒結(jié)管座組件組成。

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5 結(jié)果分析

5.1 計(jì)算結(jié)果分析

從上述預(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果,壓力傳感器的 MTBF 預(yù)計(jì)值 為 1 005 498 h,可靠性預(yù)計(jì)僅僅是較粗略的估算,要確保壓力傳感器的可靠性滿足要求,還須進(jìn)一步分析影響其可靠性的薄弱環(huán)節(jié),并針對薄弱環(huán)節(jié)采取必要的設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)措施,逐步提高壓力傳感器的可靠性水平。

5.2 薄弱環(huán)節(jié)分析

將壓力傳感器各組件的失效率進(jìn)行對比分析,壓力敏感元件最高,故壓力敏感元件是壓力傳感器的薄弱環(huán)節(jié),在研制的各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)采取相應(yīng)措施,確保產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)滿足要求。

5.3 主要保證措施

1)嚴(yán)格控制壓力敏感元件關(guān)鍵工序的操作過程,加強(qiáng)各工序質(zhì)量檢查;

2)對壓力敏感元件進(jìn)行壓力交變和氣密性檢查試驗(yàn),剔除故障產(chǎn)品;

3)壓力敏感元件封裝時(shí),注意信號輸出端引線的連接、焊接質(zhì)量,加強(qiáng)檢驗(yàn),避免斷路和虛焊現(xiàn)象發(fā)生;

4)壓力傳感器按照測試和篩選要求進(jìn)行試驗(yàn)篩選,剔除早期故障件。

6 結(jié)束語

壓力傳感器的國內(nèi)外市場需求越來越大,對可靠性的要求也越來越高。本文對某航空壓力傳感器可靠性進(jìn)行了分析、計(jì)算和研究,從數(shù)據(jù)分析可見,控制薄弱環(huán)節(jié)生產(chǎn)質(zhì)量勢在必行,加強(qiáng)自身的技術(shù)水平和質(zhì)量控制可進(jìn)一步提高壓力傳感器可靠性。綜上分析,可見我們對壓力傳感器可靠性的高度重視,以提高壓力傳感器的可靠性、可防止故障和事故的發(fā)生、延長壓力傳感器的使用壽命、提高飛機(jī)的安全性能,同時(shí),可降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,提高壓力傳感器的綜合質(zhì)量,滿足航空用戶更高的要求。


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