某航空用壓力傳感器可靠性研究

0  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。

壓力傳感器的可靠性（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)無故障工作能力的度量，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。

圖1 壓力傳感器組成圖

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。

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]。

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)。

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：

 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 A_UF 使用環(huán)境的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），其工作失效率為 λ_p11= 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。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐開先,錢正洪,張彤,等.傳感器實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016(12).

[2] GJB 813-1990.可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)[S].

[3] GJB/Z 299C-2006.電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊[S].

[4] NPRD-3非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)手冊[G].

[5] 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[S].

[6] 徐開先.實(shí)用新型傳感器及其應(yīng)用[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期）