传感器的可靠性问题一、基本概念与数学表示1.基本概念1. 可靠性:可靠性是指元器件、装置在规定的时间内，规定的条件下，具有规定功能的概率。

可靠性的经典定义着重强调四个方面:.概率:元器件、装置特性变化具有随机性，只能根据大量实验和实际应用进行统计分析。

(概率表示一个事件发生的可能性).性能要求:即指技术判据。

性能变化是绝对的，关键是允许变化范围大小。

.使用条件:包括环境条件(如温度、湿度、振动、冲击等)和工作状态(如负载的轻重).时间:器件在一小时内保持规定性能当然比在10年内保持同样性能容易改变的多。

其 它条件不变，时间愈长则可靠性越低。

2.失效:元器件、装置失去规定的功能称为失效。

3.寿命:元器件、装置失效前的一作时间。

寿命是一个随机变量。

2.数学描述1. 可靠度R(t)①描述元器件、装置在某一时刻前止常工作的可能性。

它与时间有关 ②在实际数据统计中近似值为nt n t R )()(=此比值常称为残存率。

n(t)——试验开始，到时间t 仍为失效的元器件、装置数 n ——进行实验的元器件、装置总数。

2.失效率F(t)①指元器件、装置在特定条件卜，在时间t 以前失效的(概率)可能性。

它是寿命这一随机变量的分布函数。

实际数据统计中近似值为nt n n t F )()(-=②由于对立事件概率之和为I ，所以有R(t)十F(t)=l3.失效密度f(t)①指元器件、装置在时间t 内的单位时间内失效发生的(概率)可能性。

是寿命这一随机变量的密度函数，即tt F dt t dF t f ∆∆≅=)()()(在实际数据统计中它的近似值为tn t n t f ∆∆-=)()( △n(t)——为t 时刻附近，在△t 时间间隔内失效的器件数f(t)——用来描述器件失效的可能性在O 到+∞的整个时间轴上分布情况。

4.故障率λ(t)定义:故障率(瞬时失效率) λ(t)tt n t n t ∆⋅∆-=)(()(）λ① 指在t 时刻尚未失效的元器件、装置在单位时间内失效的概率 ② 描写在各时刻仍正常工作的元器件、装置失效的可能性。

③ 在实际数据统计中它的近似值为)()()()()(t R t f t n n t n t n t =⋅∆⋅∆-=λ①单位:(小时)-1：%/1000小时或10-9小时，λ(z)是比较常用的特征函数。

5.平均寿命m(常用缩写MTTF)(Mean Time Between Failure 可修复) (Mean Time to Failure 不可修复) ①定义: ⎰∞⋅=)(dt t f t m②乃是寿命这一随机变量的均值。

③它是标志元器件、装置平均能工作多长时间。

④实际可以表示t 时刻，在△t 时间间隔内失效的概率(百分数)在此时间内失效的器件寿命应是t 。

平均寿命∑∆⋅⋅=ni t t f t m 1)(二、失效规律及数学描述1.(元器件及仪表装置的)失效规律人们对出实验和使用中得到的人量数据进行统计:发现一般元器件及仪表装置的失效率和时问的关系，如下图所示。

通常称为浴盆曲线。

曲线明显的分为三个阶段 1.早期失效阶段:这一阶段失效率较高，但失效率随时间增加而下降。

失效上要由一种或几种具有一定普遍性的原因造成。

对于不同品种，不同工艺的器件，这一阶段延续的时间和失效比例不同。

应采取措施：严格操作，加强对原材料、半成品和成品的检验可减少这一阶段的失效。

进行合理的筛选，以使尽可能在使用前，把早期失效的器件淘汰掉，可使出厂器件失效率达到或接近偶然失效期的较低水平。

2.偶然失效阶段在这一阶段，失效率较低，少钊主变化不大，是器件的良好使用阶段。

器件的失效率常常是由于多种(而每一种都不太严重)原因造成的。

3.耗损失效阶段在此阶段到来时，失效率明显上升，致使大部分器件相继失效。

器件的失效是由全体性的原因造成。

器件设计和工艺选择应考虑到尽举延迟耗损(老化)期的到米。

使用期间时应尽快发现耗损期的到来，以便采取预防性措施(如整批更换器件)来保证系统正常工作。

半导体器件由于它本身的特点，在没有(转动)潮、雾、核辐射等恶劣外界作用条件下正常工作时，早期失效阶段表现明显，偶然失效阶段时间较长，而且失效率常有缓慢下降的趋势，一般难以观察到明显的耗损失效阶段。

2.威布尔分布:适用范围较广，分析半导体寿命分布时应用较多。

失效密度函数α——尺度参数，横坐标拉开程度不同，相当于时间的尺度不同。

β——形状参数β时，曲线随时间单调下降，常用来描述早期失效阶段的寿命分布；1<β时，为指数分布，常用来描述偶然失效阶段；=1β时，曲线有一峰值，愈大曲线愈趋近于正态分布，常用来描述耗损失效阶段的寿命>1分布。

γ——位置参数，决定曲线的起点位置。

一般γ=0，这时αβββt et t f --∂=1)(，则当βα==0y t 时，632.01)(1=-=-e t F0y ——特征寿命平均寿命⎰∞+Γ=+Γ=⋅=001)11()11()(ββαβy dt t f t mΓ——伽马函数正好与偶然失效阶段相符。

而偶然失效阶段是正常使用阶段。

指数分布的数学处理特别简单，在很多情况下，β仅是近似于1，或比1小的不多， 为取其简便仍按指数分布处理。

3.使用寿命期的数学描述:失效密度代入0,1==γβααtet f -=1)(为指数分布。

此时 αλ1)(=t失效率产品的瞬时失效率（故障率），在一组给定的应力、温度及质量条件下，λ是一个常数。

λ可通过收集大量数据及实验加以确定。

ααααt tt ttte e dt e dt tf t F ----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-===⎰⎰11)()(0.可靠性 tte e t R λα-==)(故障率.平均寿命平均无故障工作时间(MTBF)是失效率的倒数。

MTBF=1/λλααααααααααα1)()(0000==⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==⋅=∞-∞-∞--∞∞⎰⎰⎰tt t te dt e t e tdt e tdt t f t mMTBF 是产品间进行比较的主要质量指标，它是产品在使用寿命期间失效率的度量。

如λ=0.2%/千小时，则m=50万小时。

三、传感器可靠性计算1.计算方法(1)设各环节的可靠性为R 1,应用概率乘法定律，传感器(系统)的可靠度∏==ni i T R R 1（2）若环节失效密度服从指数分布，即ti i e R λ-=，则∑=-tT i e R λ(3)系统故障∑==ni i1λλ(4)平均寿命(无故障工作时间) ∑===ni iM 111λλ2 举例某传感器由下列元器件组成，若不考虑结构、装配及其它因索，只考虑这些元器件的失效.试求:1)传感器可靠性表达式;2)传感器故障率; 3)传感器的平均寿命.解:42.01602.02005.025.0)1625(1.01⨯+⨯+⨯+⨯++++==∑=ni i i n λλKh /%52.4=t te e R i 0452.0--=∑=λ小时千小时9.22123%52.411===λM结论:① 选用可靠度高的元器件: ② 尽量少用元器件数目. 注意:明确环境条件:随着工业生产过程的不断发展，传感器的工作条件变得更加复杂;必须明确(仪表装置)传感器可能经受的各种较为恶劣的环境条件，以此作为设计的一个出发点.以环境温度为例:某仪表公司有如下规定标准 基准条件:25. 符合标准温度动作条件: ，即正常工作条件，在此范围内仪表能满足各项指标.工作极限条件:;在这一范雨，某些指标趋差，但回到动作条件范围内仍能满足各项指标. 运输条件: ，在此范围内仪表包装运输，正式工作前要经过调整.四、常见故障形式及产生原因1. 常见故障形式1 状态性故障是传感器工作状态发生根本变化而不能正常运行.例:差压传感器中弹性膜片损坏. 2.功能性故障是指传感器的性能随时间缓慢的变坏;而逐渐不能满足正常运行的要求.例:传感器的零漂._3.危险性故障是指会引起潜在的或实际的不安全事件的故障.例:本质安全防爆系统中的防爆栅失灵.2.产生故障的原因1. 属于仪表设计制造方面的原因. 主要包括:①元器件:选择不当;老化筛选不严.②设计:结构设计不合理:线路设计不合理;安装裕度小.③加工工艺:不合理;焊接质量差;装配质量差.即由于仪表本身质量不好而引起的故障.2.属于操作方面的原因 主要包括: ①误操作: ②误调校; ③误检修;④供电系统失电;⑤主设备工艺事故导致仪表装置失控.3.属于外界环境方面的原因.主要指:气候、电气、机械、辐射、生物、化学外界条件对仪表特性的影响或引起的故障.传感器可靠性设计主要针对(l)、(3)方面的原因.根据实际工作的环境条件进行防护设计. 参考书:〔美〕。

R.T.安德森，可靠性设计手册，国防版。

1981____五、国内外传感器可靠性水平与现状1.国外仪表可靠性水平(1)国外技术先进国家为保证仪表产.错的可靠性和环境适应性，非常重视仪表的可靠性评定等和环境影响的试验工作。

① 可靠性技术指导设计制造;②可靠性试验项目全;③分级。

据统计国际电工委员会(IEC)设计仪表环境试验和影响量效应试验的项日有48项，其中包括气候因素、机械因素和电磁干扰等方面的试验项日，同时还要进行产品寿命试验。

(2)日本将仪表的可靠性按故障率可分为四级①故障多〉l%/千小时，1000x 100=10万小时②故障一般 1-0.5%/千小时，10-20万小时③故障少 0.5-0.2%/千小时.20-50万小时④无故障 <0.2%/千小时，>50万小时日本横河I系列仪表可靠性以平均故障率在1%/千小时以下作为开发项目，但实际上己达下表指标日木过程仪表控制技术协会(IPC)在80年代初发表的用户调查报告书“关于石油、石油化学工业中仪表故障情况(NOIPC-TB-01-78)”中指出，他们调查了17个仪表用户对其中5个厂家的仪表故障率作了统计，结果是:电子式盘装表故障率为0.96%/千小时电子式变送器故障率为0.52%/千小时气动仪表故障率为0.25%/千小时若按0.2%/千小时换算成仪表的MTBF为50万小时。

2.国内仪表可靠性现状(理论脱离实际)据调杳，国产仪表在①试制和投产过程中，比较缺乏认真的全面性评定，更谈不上可靠性试验。

②在仪表设计时也缺乏可靠性技术理论的指导和进行可靠性试验分析，所以，许多仪表的可靠性和环境适应性很差。

例:据四川几个天然气矿所作初步统计表明:双波纹管差压计平均700小时左右就要拆下来维修一次。