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    压力传感器测试过程的可靠性概念概述[图]

    时间:2020-12-15 09:16:03 阅读量: 传感器,

    1 引言

    可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。可靠性是对一种产品投入使用时无故障工作能力的度量。产品可靠性的高低是表示产品在规定条件下、规定时间内,完成规定功能可能性的大小。可靠性通常采用可靠度、失效率及MTBF来表示,传感器等元器件可靠性水平的高低通常用失效率来表示,而设备可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指标来表示。

    压力是生产过程和科学实验中进行测量和控制的最基本参数之一,而对压力进行测量的并能把压力通过一定的规律转换成电信号的压力传感器就成为测量这一信号的重要元器件,它被广泛地应用在工业、石油、化工、生物医学、航海、航天、航空等领域的生产和科研当中。传感器的可靠性是十分重要的,它直接关系着使用该传感器的系统的性能,影响着生产和建设的质量和进展速度,甚至会带来严重的人身安全问题。在传感器的使用过程中,其可靠性概念可以作为无故障性,即作为保证按技术条件所要求的极限的使用指标的性能总合性。当变换具体物理量的传感器失效时,就可明白破坏其元件机械完整性以及输出测量参数偏差而导致整个安装此传感器的产品不能完成任务的组成事件。而在传感器的生产过程中,为了保证压力传感器对压力信号的测量、传递的精确性、稳定性及一致性,就必须对压力传感器的测试过程的可靠性进行分析。

    2 压力传感器测试原理

    压力传感器包括利用压阻效应制造出来的压阻式压力传感器,利用压电效应制造出来的压电式压力传感器、利用应变效应制造的应变式压力传感器等,本文仅以压阻式压力传感器为例,说明其测试原理。

    压阻式压力传感器芯体如图1,R1,R2,R3,R4是4片电阻片,当受外力作用时,电阻片R1,R3亦受拉伸作用电阻增大,R2,R4电阻减小,这样外力F的作用使4个电阻片电阻值发生变化。传感器上的电阻R1,R2,B3,R4接成图2所示的直流桥路。cd两端接稳压电源E,ab两端为电桥电压输出端,输出电压为U0,如图2。

    方程(2)是桥梁的平衡条件。连接到传感器的电阻器是相同的4个电阻器,在理想状态下,让其电阻值相同,即有

    R1=R2=R3=R4=R (3)

    所以通过传感器可以不受任何外力作用时,电桥满足企业平衡发展条件,a,b两端进行输出的电压U0=0。当梁受到不同载荷F的作用,如图3所示,电桥不平衡,则有

    从式(6)可知电桥输出的不平衡电压U0是和电阻的变化△R成正比的,这就是不平衡电桥的工作原理。显然测量出的U0的大小可反映外力F的大小。此外由式(6)还可知,若要获得较大的输出电压U0,可以采用较高的电源电压E,同时亦说明电源电压不稳定将给测量结果带来误差。在实际的生产测试过程中,桥臂的4个电阻是不可能完全相同的,测试时所加的环境条件同样也会对传感器的输出产生影响。这样,在环境条件发生变化时,它们的增量△R也是不完全相同的,最终导致测试的结果和理想的结果产生偏差。

    3 压力传感器测试过程

    压力传感器的测试主要是指温度输出特性测试和压力输出特性测试。温度输出特性测试主要是指压力传感器在不同的温度条件下对传感器输出的影响,主要是指零点温漂和灵敏度温漂;压力输出特性是指压力在传感器的同一环境条件下对不同压力所反映的输出特性,它主要是测量传感器的静态特性指标。

    压力传感器测量系统主要同由压力源、被测试压力传感器、测量电路和显示记录四部分组成,它们的关系如图4所示。

    待测的压力传感器在一定的环境条件(高低温环境试验箱提供)下,并由电源供电后,对压力源(活塞式压力计或数字压力控制器)产生的信号进行测量,测量后产生的信号通过测量电路(多通道数据采集器)最终传输到显示设备(计算机)进行显示和记录。

    4 压力传感器测试设备在测试过程中影响可靠性的因素

    压力传感器测试过程的可靠性指标是随着中国设计的修改、使用条件的不同,以及管理工作发展过程中的性能退化而不断发生变化的。因此我们必须从多方面问题进行综合考虑。

    4.1 规定使用的条件

    任何产品都是按照规定的使用条件开发的。

    影响试验过程可靠性的环境条件一般包括:气候环境条件、机械环境条件、生物条件、化学条件、电气和电磁条件、辐射条件、系统连接条件和人为因素。这里的主要考虑因素包括气候和环境条件、化学条件和系统连通性条件。气候环境的因素包括温度、湿度、气压、风、雨、霜和灰尘。化学条件包括电源的不稳定性、导体系统的干扰信号、电磁场和雷电的干扰、电晕和放电。系统连接条件包括大型系统内功能单元与连接到另一个设备的系统或设备之间的连接等因素。以上三个因素对设备可靠性有影响,但各种因素对不同设备的影响程度不一样。

    4.2 使用的时间

    传感器测试设备的可靠性是时间的函数,随着时间的推移而降低。即使对部件进行筛选,对整机进行老化和维修,设备仍会在偶然故障区域工作,这段时间的故障率是一个常数。然而,设备在时间上的分布与图5所示的规则是一致的,即: 使用时间越长,测试设备的可靠性越低。

    4.3 所能达到的功能

    所谓的"功能"是产品的主要性能指标和技术要求。这是产品完成规定任务的保证和作用。所谓的产品不可靠,就产品是否符合指定的性能指标和技术要求而言。产品的性能指标和技术要求越高,允许的更改范围越广,产品完成"指定功能"的可能性越小,产品的可靠性级别就越低。相反,产品的性能指标和技术要求越低,允许的更改范围越广,产品完成"指定功能"的可能性越高,产品的可靠性水平越高。对于传感器的测试设备,传感器的测试精度要求越高,可靠性水平越低,但测试设备测量的传感器数据越逼真。相反,如果需要压力传感器的测试精度,设备的可靠性水平越高,但对传感器真实数据的影响也越高。

    还需要特别指出的是,从测试设备的使用角度来看,设备最重要的指标是在基本性能指标满足使用要求的前提下的可靠性指标。如果设备不可靠,性能不稳定,经常坏,那么测试设备的初始性能是没有意义的,更不用说得到传感器的真实数据了。

    4.4 可靠性分析

    假定在一定置信度值下,压力源的可靠度为R1(t),环境发展提供技术设备的可靠度的为R2(t),测量控制电路的可靠度为R3(t),供电管理系统的可靠度为R4(t),那么企业获得信息传感器进行真实有效数据的可靠度R(t)必然和R1(t),R2(t),R3(t),R4(t)有关,即

    R(t)=f[R1(t),R2(t),R3(t),R4(t)] (7)

    由式(7)和图4的测量控制系统分析可知

    R(t)=K?R1(t)?R2(t)?R3(t)?R4(t) (8)

    公式中,k是一个系数,与各种设备的使用时间和条件密切相关。

    现在以我装置的传感器测试不准备压力传感器测试为例:在其他测试条件下都是一样的,使用两种不同的环境设备进行10个未恢复的压力传感器零温度测试。两个烤箱的参数指示器在表 1 中,传感器的测试数据在表 2 中。

    由表2数据表明,在其他条件完全相同的情况下,使用不同的温箱,所得到的测试结果是不相同的,而对我们来说最重要是要确定哪组数据更可靠,是更接近传感器器性能的真实数据。由表1可知1#调温箱工作近两年,2#凋温箱工作已经超过十年,根据设备的可靠性随时间的分布规律,1号设备的可靠性要高于2#设备的可靠性。所以用1#设备测得的传感器数据更加可信。

    4.5 增加测试工作过程进行可靠性的措施

    加强对压力传感器检测设备的管理,定期维护保养,在性能符合条件的基础上,提高设备的使用寿命。

    (2)严格控制试验场的温度、湿度、清洁度等环境条件,缩短工艺间周转时间,提高传感器的检测效率。

    ③定期对各种检定设备可以进行分析检测和标定,保证测试技术设备性能得到满足对传感器测试的要求,进而能够保证所获得的测试结果数据的可靠性。

    ④坚持对传感器的测试数据进行汇总、计算和分析,找出测试过程中影响传感输出的因素,并加以解决,为提高传感器产品的质量打下坚实的基础。

    5 结 语

    在压力传感器可靠性的基础上,提出了压力传感器测试过程可靠性的概念,并阐述了测试过程中影响压力传感器输出的因素。

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