壓力傳感器測試過程可靠性分析

　　張志昊，劉宏偉，王 勃

　　(沈陽儀表科學研究院，沈陽 110043)

　　1 引言

　　可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性是對一種產(chǎn)品投入使用時無故障工作能力的度量。產(chǎn)品可靠性的高低是表示產(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能可能性的大小。可靠性通常采用可靠度、失效率及MTBF來表示，傳感器等元器件可靠性水平的高低通常用失效率來表示，而設備可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指標來表示。

　　壓力是生產(chǎn)過程和科學實驗中進行測量和控制的最基本參數(shù)之一，而對壓力進行測量的并能把壓力通過一定的規(guī)律轉換成電信號的壓力傳感器就成為測量這一信號的重要元器件，它被廣泛地應用在工業(yè)、石油、化工、生物醫(yī)學、航海、航天、航空等領域的生產(chǎn)和科研當中。傳感器的可靠性是十分重要的，它直接關系著使用該傳感器的系統(tǒng)的性能，影響著生產(chǎn)和建設的質量和進展速度，甚至會帶來嚴重的人身安全問題。在傳感器的使用過程中，其可靠性概念可以作為無故障性，即作為保證按技術條件所要求的極限的使用指標的性能總合性。當變換具體物理量的傳感器失效時，就可明白破壞其元件機械完整性以及輸出測量參數(shù)偏差而導致整個安裝此傳感器的產(chǎn)品不能完成任務的組成事件。而在傳感器的生產(chǎn)過程中，為了保證壓力傳感器對壓力信號的測量、傳遞的精確性、穩(wěn)定性及一致性，就必須對壓力傳感器的測試過程的可靠性進行分析。

　　2 壓力傳感器測試原理

　　壓力傳感器包括利用壓阻效應制造出來的壓阻式壓力傳感器，利用壓電效應制造出來的壓電式壓力傳感器、利用應變效應制造的應變式壓力傳感器等，本文僅以壓阻式壓力傳感器為例，說明其測試原理。

　　壓阻式壓力傳感器芯體如圖1，R1，R2，R3，R4是4片電阻片，當受外力作用時，電阻片R1，R3亦受拉伸作用電阻增大，R2，R4電阻減小，這樣外力F的作用使4個電阻片電阻值發(fā)生變化。傳感器上的電阻R1，R2，B3，R4接成圖2所示的直流橋路。cd兩端接穩(wěn)壓電源E，ab兩端為電橋電壓輸出端，輸出電壓為U0，如圖2。

　　式(2)就是電橋平衡條件。在傳感器上貼的電阻片是相同的4片電阻片，在理想狀態(tài)下，設其電阻值相同，即有

　　R1=R2=R3=R4=R (3)

　　所以傳感器不受外力作用時，電橋滿足平衡條件，a，b兩端輸出的電壓U0=0。當梁受到載荷F的作用，如圖3所示，電橋不平衡，則有

　　從式(6)可知電橋輸出的不平衡電壓U0是和電阻的變化△R成正比的，這就是不平衡電橋的工作原理。顯然測量出的U0的大小可反映外力F的大小。此外由式(6)還可知，若要獲得較大的輸出電壓U0，可以采用較高的電源電壓E，同時亦說明電源電壓不穩(wěn)定將給測量結果帶來誤差。在實際的生產(chǎn)測試過程中，橋臂的4個電阻是不可能完全相同的，測試時所加的環(huán)境條件同樣也會對傳感器的輸出產(chǎn)生影響。這樣，在環(huán)境條件發(fā)生變化時，它們的增量△R也是不完全相同的，最終導致測試的結果和理想的結果產(chǎn)生偏差。

　　3 壓力傳感器測試過程

　　壓力傳感器的測試主要是指溫度輸出特性測試和壓力輸出特性測試。溫度輸出特性測試主要是指壓力傳感器在不同的溫度條件下對傳感器輸出的影響，主要是指零點溫漂和靈敏度溫漂；壓力輸出特性是指壓力在傳感器的同一環(huán)境條件下對不同壓力所反映的輸出特性，它主要是測量傳感器的靜態(tài)特性指標。

　　壓力傳感器測量系統(tǒng)主要同由壓力源、被測試壓力傳感器、測量電路和顯示記錄四部分組成，它們的關系如圖4所示。

　　待測的壓力傳感器在一定的環(huán)境條件(高低溫環(huán)境試驗箱提供)下，并由電源供電后，對壓力源(活塞式壓力計或數(shù)字壓力控制器)產(chǎn)生的信號進行測量，測量后產(chǎn)生的信號通過測量電路(多通道數(shù)據(jù)采集器)最終傳輸?shù)斤@示設備(計算機)進行顯示和記錄。

　　4 壓力傳感器測試設備在測試過程中影響可靠性的因素

　　壓力傳感器測試過程的可靠性指標是隨著設計的修改、使用條件的不同，以及工作過程中的性能退化而不斷變化的。因此必須從多方面進行考慮。

　　4.1 規(guī)定使用的條件

　　任何產(chǎn)品研制的時候都是根據(jù)規(guī)定的使用條件進行的。這個使用條件包括工作條件(如功能模式、操作方式、負載條件、工作能源、維護條件等)和環(huán)境條件(如溫度、濕度、氣壓、振動等)。同一種產(chǎn)品在不同的工作條件和環(huán)境條件下其可靠性是不同的。對壓力傳感器進行測試的設備也不例外。

　　影響測試過程可靠性產(chǎn)生影響的環(huán)境條件一般包括下列幾個：氣候環(huán)境條件、機械環(huán)境條件、生物條件、化學條件、電與電磁條件、輻射條件、系統(tǒng)連接條件和人的因素等。這里主要考慮氣候環(huán)境條件、化學條件和系統(tǒng)連接條件。其中氣候環(huán)境條件包含的因素有溫度、濕度、氣壓、風、雨、霜凍和沙塵等?；瘜W條件包含的因素有電源的不穩(wěn)定性、傳導線系統(tǒng)的干擾信號、來自電磁場的干擾及雷電、電暈和放電等。系統(tǒng)連接條件包含的因素有大系統(tǒng)內(nèi)各功能單元之間的連接，一個系統(tǒng)或一臺設備與別的設備連接在一起使用。以上3個方面的因素對設備可靠性都有影響，但是各種因素對不同的設備影響的程度是不一樣的。

　　4.2 使用的時間

　　傳感器測試設備的可靠性是時間的函數(shù)，隨著時間的推移而不斷降低，即使元器件經(jīng)過篩選和整機經(jīng)過老煉及維修，設備在偶然失效區(qū)工作的情況下，這一段時間內(nèi)的失效率是一個常數(shù)。但是，設備隨時間的分布規(guī)律卻符合圖5所示的規(guī)律，即：使用的時間越長，測試設備的可靠性就越低。

　　4.3 所能達到的功能

　　所謂“功能”就是產(chǎn)品的主要性能指標和技術要求。這是產(chǎn)品完成規(guī)定任務和作用的保證。所謂產(chǎn)品不可靠，就足性針對產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的性能指標和技術要求而言的。產(chǎn)品的性能指標和技術要求越高，允許變化的范圍越小，產(chǎn)品要完成“規(guī)定功能”的可能性就越小，那么產(chǎn)品的可靠性水平就越低。反之，產(chǎn)品的性能指標和技術要求越低，允許變化的范圍越寬，產(chǎn)品能夠完成“規(guī)定功能”的可能性就越大，那么產(chǎn)品的可靠性水平就越高。對傳感器的測試設備而言，其對傳感器的測試精度要求越高，其可靠性水平相對就越低，但能過該測試設備測得的傳感器的數(shù)據(jù)就越真實。反之，如果對壓力傳感器的測試精度要求越低，那么該設備的可靠性水平就越高，但其對獲得傳感器的真實數(shù)據(jù)的影響就越大。

　　還應特別指出的是，從測試設備使用的角度來看，在基本性能指標滿足使用要求的前提下，設備最重要的指標是可靠性指標。如果設備不可靠，性能不穩(wěn)定，經(jīng)常壞，測試設備的最初性能再好也是沒有實際意義的，更不用說得到傳感器的真實數(shù)據(jù)了。

　　4.4 可靠性分析

　　假定在一定置信度值下，壓力源的可靠度為R1(t)，環(huán)境提供設備的可靠度的為R2(t)，測量電路的可靠度為R3(t)，供電系統(tǒng)的可靠度為R4(t)，那么獲得傳感器真實數(shù)據(jù)的可靠度R(t)必然和R1(t)，R2(t)，R3(t)，R4(t)有關，即

　　R(t)=f[R1(t)，R2(t)，R3(t)，R4(t)] (7)

　　由式(7)和圖4的測量系統(tǒng)可知

　　R(t)=K?R1(t)?R2(t)?R3(t)?R4(t) (8)

　　式中K為一系數(shù)，和各種設備的使用時間、使用條件密切相關。

　　現(xiàn)以使用我單位的傳感器測試沒備對壓力傳感器的測試為例：在其他測試條件相同的情況下，使用兩臺不同的