壓力傳感器測(cè)試過(guò)程的可靠性概念概述[圖]

1 引言

可靠性是指產(chǎn)品在規(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(duì)一種產(chǎn)品投入使用時(shí)無(wú)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(shí)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(lái)表示，傳感器等元器件可靠性水平的高低通常用失效率來(lái)表示，而設(shè)備可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指標(biāo)來(lái)表示。

壓力是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)量和控制的最基本參數(shù)之一，而對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量的并能把壓力通過(guò)一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的壓力傳感器就成為測(cè)量這一信號(hào)的重要元器件，它被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、石油、化工、生物醫(yī)學(xué)、航海、航天、航空等領(lǐng)域的生產(chǎn)和科研當(dāng)中。傳感器的可靠性是十分重要的，它直接關(guān)系著使用該傳感器的系統(tǒng)的性能，影響著生產(chǎn)和建設(shè)的質(zhì)量和進(jìn)展速度，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的人身安全問(wèn)題。在傳感器的使用過(guò)程中，其可靠性概念可以作為無(wú)故障性，即作為保證按技術(shù)條件所要求的極限的使用指標(biāo)的性能總合性。當(dāng)變換具體物理量的傳感器失效時(shí)，就可明白破壞其元件機(jī)械完整性以及輸出測(cè)量參數(shù)偏差而導(dǎo)致整個(gè)安裝此傳感器的產(chǎn)品不能完成任務(wù)的組成事件。而在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證壓力傳感器對(duì)壓力信號(hào)的測(cè)量、傳遞的精確性、穩(wěn)定性及一致性，就必須對(duì)壓力傳感器的測(cè)試過(guò)程的可靠性進(jìn)行分析。

2 壓力傳感器測(cè)試原理

壓力傳感器包括利用壓阻效應(yīng)制造出來(lái)的壓阻式壓力傳感器，利用壓電效應(yīng)制造出來(lái)的壓電式壓力傳感器、利用應(yīng)變效應(yīng)制造的應(yīng)變式壓力傳感器等，本文僅以壓阻式壓力傳感器為例，說(shuō)明其測(cè)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(dāng)受外力作用時(shí)，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(gè)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(shè)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(shí)，電橋滿足平衡條件，a，b兩端輸出的電壓U0=0。當(dāng)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(cè)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(shí)亦說(shuō)明電源電壓不穩(wěn)定將給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。在實(shí)際的生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中，橋臂的4個(gè)電阻是不可能完全相同的，測(cè)試時(shí)所加的環(huán)境條件同樣也會(huì)對(duì)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(shí)，它們的增量△R也是不完全相同的，最終導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果和理想的結(jié)果產(chǎn)生偏差。

3 壓力傳感器測(cè)試過(guò)程

壓力傳感器的測(cè)試主要是指溫度輸出特性測(cè)試和壓力輸出特性測(cè)試。溫度輸出特性測(cè)試主要是指壓力傳感器在不同的溫度條件下對(duì)傳感器輸出的影響，主要是指零點(diǎn)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(duì)不同壓力所反映的輸出特性，它主要是測(cè)量傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。

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

待測(cè)的壓力傳感器在一定的環(huán)境條件（高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱提供）下，并由電源供電后，對(duì)壓力源（活塞式壓力計(jì)或數(shù)字壓力控制器）產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)測(cè)量電路（多通道數(shù)據(jù)采集器）最終傳輸?shù)斤@示設(shè)備（計(jì)算機(jī)）進(jìn)行顯示和記錄。

4 壓力傳感器測(cè)試設(shè)備在測(cè)試過(guò)程中影響可靠性的因素

壓力傳感器測(cè)試過(guò)程的可靠性指標(biāo)是隨著設(shè)計(jì)的修改、使用條件的不同，以及工作過(guò)程中的性能退化而不斷變化的。因此必須從多方面進(jìn)行考慮。

4.1 規(guī)定使用的條件

任何產(chǎn)品研制的時(shí)候都是根據(jù)規(guī)定的使用條件進(jìn)行的。這個(gè)使用條件包括工作條件（如功能模式、操作方式、負(fù)載條件、工作能源、維護(hù)條件等）和環(huán)境條件（如溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)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(duì)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試的設(shè)備也不例外。

影響測(cè)試過(guò)程可靠性產(chǎn)生影響的環(huán)境條件一般包括下列幾個(gè)：氣候環(huán)境條件、機(jī)械環(huán)境條件、生物條件、化學(xué)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(xué)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(fēng)、雨、霜凍和沙塵等。化學(xué)條件包含的因素有電源的不穩(wěn)定性、傳導(dǎo)線系統(tǒng)的干擾信號(hào)、來(lái)自電磁場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)或一臺(tái)設(shè)備與別的設(shè)備連接在一起使用。以上3個(gè)方面的因素對(duì)設(shè)備可靠性都有影響，但是各種因素對(duì)不同的設(shè)備影響的程度是不一樣的。

4.2 使用的時(shí)間

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

4.3 所能達(dá)到的功能

所謂“功能”就是產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)和技術(shù)要求。這是產(chǎn)品完成規(guī)定任務(wù)和作用的保證。所謂產(chǎn)品不可靠，就足性針對(duì)產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的性能指標(biāo)和技術(shù)要求而言的。產(chǎn)品的性能指標(biāo)和技術(shù)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(biāo)和技術(shù)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(duì)傳感器的測(cè)試設(shè)備而言，其對(duì)傳感器的測(cè)試精度要求越高，其可靠性水平相對(duì)就越低，但能過(guò)該測(cè)試設(shè)備測(cè)得的傳感器的數(shù)據(jù)就越真實(shí)。反之，如果對(duì)壓力傳感器的測(cè)試精度要求越低，那么該設(shè)備的可靠性水平就越高，但其對(duì)獲得傳感器的真實(shí)數(shù)據(jù)的影響就越大。

還應(yīng)特別指出的是，從測(cè)試設(shè)備使用的角度來(lái)看，在基本性能指標(biāo)滿足使用要求的前提下，設(shè)備最重要的指標(biāo)是可靠性指標(biāo)。如果設(shè)備不可靠，性能不穩(wěn)定，經(jīng)常壞，測(cè)試設(shè)備的最初性能再好也是沒(méi)有實(shí)際意義的，更不用說(shuō)得到傳感器的真實(shí)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(shè)備的可靠度的為R2（t），測(cè)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(shí)數(shù)據(jù)的可靠度R（t）必然和R1（t），R2（t），R3（t），R4（t）有關(guān)，即

R（t）=f［R1（t），R2（t），R3（t），R4（t）］ （7）

由式（7）和圖4的測(cè)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(shè)備的使用時(shí)間、使用條件密切相關(guān)。

現(xiàn)以使用我單位的傳感器測(cè)試沒(méi)備對(duì)壓力傳感器的測(cè)試為例：在其他測(cè)試條件相同的情況下，使用兩臺(tái)不同的環(huán)境設(shè)備分別對(duì)10臺(tái)未補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鬟M(jìn)行零點(diǎn)溫度測(cè)試。兩臺(tái)烘箱的參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2數(shù)據(jù)表明，在其他條件完全相同的情況下，使用不同的溫箱，所得到的測(cè)試結(jié)果是不相同的，而對(duì)我們來(lái)說(shuō)最重要是要確定哪組數(shù)據(jù)更可靠，是更接近傳感器器性能的真實(shí)數(shù)據(jù)。由表1可知1#調(diào)溫箱工作近兩年，2#凋溫箱工作已經(jīng)超過(guò)十年，根據(jù)設(shè)備的可靠性隨時(shí)間的分布規(guī)律，1號(hào)設(shè)備的可靠性要高于2#設(shè)備的可靠性。所以用1#設(shè)備測(cè)得的傳感器數(shù)據(jù)更加可信。

4.5 增加測(cè)試過(guò)程可靠性的措施

①加強(qiáng)對(duì)壓力傳感器測(cè)試設(shè)備的管理，定期檢修和維護(hù)，在性能滿足條件的基礎(chǔ)上，提高設(shè)備的使用壽命。

②嚴(yán)格控制測(cè)試場(chǎng)所的溫度、濕度、潔凈度等環(huán)境條件；縮短各道工序間的周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高傳感器的測(cè)試效率。

③定期對(duì)各種檢定設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定，保證測(cè)試設(shè)備性能滿足對(duì)傳感器測(cè)試的要求，進(jìn)而保證所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

④堅(jiān)持對(duì)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、計(jì)算和分析，找出測(cè)試過(guò)程中影響傳感輸出的因素，并加以解決，為提高傳感器產(chǎn)品的質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在壓力傳感器可靠性的基礎(chǔ)上，提出了壓力傳感器測(cè)試過(guò)程可靠性的概念，并對(duì)測(cè)試過(guò)程中影響壓力傳感器輸出的各項(xiàng)因素進(jìn)行了闡述，提出了增加傳感器測(cè)試過(guò)程可靠性的措施，并為深入研究壓力傳感器提供一條新的思路。