基于LNG氣體傳感器的可靠性評估分析-正文

中北大學學位論文中北大學學位論文II目錄緒論TOC\o"1-5"\h\z1.1課題來源、研究目的及意義11.1.1課題來源11.1.2課題研究目的及意義11.2國內外可靠性研究發(fā)展歷史及現狀21.3可靠性試驗的方法及發(fā)展趨勢4仁4試驗數據的統(tǒng)計分析及存在的問題51.5氣體傳感器可靠性研究現狀與存在的問題71.6本文的研究思路及主要內容81.6.1本文的研究思路81.6.2本文研究的主要內容及安排9氣體傳感器可靠性分析2.1氣體傳感器結構、原理分析112?2氣體傳感器失效模式影響及危害度分析142.3氣體傳感器故障樹分析162.3.1氣體傳感器故障樹定性分析162.3.2氣體傳感器故障樹定量分析182.4氣體傳感器失效機理探討212.4.1鉗絲失效機理222.4.2化鋁載體失效機理223催化劑失活機理232.5氣體傳感器失效物理方程252.6本章小結27

氣體傳感器可靠性強化試驗TOC\o"1-5"\h\z3.1氣體傳感器可靠性強化試驗原理283.2氣體傳感器可靠性強化試驗方法293.2.1試驗應力選擇293.2.2應力施加方式及施加順序313.2.3試驗停止原則313.3氣體傳感器可靠性強化試驗方案設計323.3.1試驗方案設計323.3.2試驗剖面設計343.3.3試驗失效判據383.3.4試驗過程383.4氣體傳感器可靠性強化試驗結果分析393.4.1溫度應力試驗結果分析393.4.2振動步進試驗結果分析403電壓步進應力試驗結果分析423.4.4沖擊步進試驗結果分析433.4.5電壓恒定應力試驗結果分析443.5本章小結44氣體傳感器恒定應力試驗數據統(tǒng)計分析4.1基本假設454.2氣體傳感器恒加試驗的參數估計464.2.1氣體傳感器壽命分布的初步檢驗464.2.2氣體傳感器壽命分布的極大似然估計504.3氣體傳感器加速壽命方程514.3.1電應力與溫度應力轉換5153544.3.2加速壽命方程參數估計53544.4氣體傳感器壽命評估4.4.1強化應力條件下的壽命數據折算TOC\o"1-5"\h\z4.4.2產品壽命分布評價方法574.4.3試驗數據統(tǒng)計分析及壽命分布評價614.4.4氣體傳感器可靠性特征值624.5本章小結63總結與展望附錄A敏感元件R-V測試數據參考文獻攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及取得的成果致謝中北大學學位論文中北大學學位論文#1緒論本章簡述了課題來源、研究目的及意義，國內外可靠性研究的發(fā)展歷史與現狀，可靠性試驗的方法和應用，可靠性統(tǒng)計分析和存在的問題，以及氣體傳感器可靠性研究的現狀與存在的問題，并簡要介紹了本文的研究方案與主要研究內容。1.1課題來源、研究目的及意義1.1.1課題來源本課題來源于國家863計劃先進制造技術領域重點項目子課題一一《?；窓z測傳感器性能測試與可靠性評估技術》。1.1.2課題研究目的及意義隨著煤礦工業(yè)和石油化工工業(yè)等能源工業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆及有毒氣體的種類和應用范圍都得到了增加。這類氣體在生產、運輸和使用過程中，雖然采取了很多安全措施，但一旦發(fā)生泄漏，將會引發(fā)中毒、火災其至爆炸事故，嚴重危害公共安全和人民群眾生命財產安全。如2005年3月29日，一輛滿載的約32噸液態(tài)氯氣的槽罐車在京滬高速淮安段與大貨車相撞后翻倒，造成29人中毒死亡，285人送醫(yī)院治療，直接經濟損失1700余萬元；2006年4月6日，廣西百色田東縣某公司成品油罐車爆炸，4人死亡;2007年5月11H,滄州大化TDI車間發(fā)生爆炸事故，造成5人死亡，14人重傷，80人受傷；2008年10月31日，甘肅省永靖縣某化工廠發(fā)生氯氣儲氣罐爆炸事故，造成1人遇難，41人受傷；2009年9月2EI,山東省臨沂市某物流城發(fā)生裝載化學物品的火車意外爆燃事故，造成7人當場死亡，11人經搶救無效死亡，10人受傷⑴。據統(tǒng)不完全計，建國以來，我國煤礦發(fā)生100人/次以上的重特大事故就有22起，其中17起事故是瓦斯爆炸事故，約占77.3%囚；我國化工系統(tǒng)發(fā)生的重特大及典型泄漏事故共51起，其中由泄漏導致的中毒、火災、爆炸事故有41起，而由爆炸等原因導致的泄漏中毒事故有10起⑶。為解決這一問題，各類氣體傳感器應運而生，并迅速得到廣泛的應用。氣傳感器在長期使用中，暴露出的問題就是產品可靠性問題。如何提高產品質量，提高傳感器的一致性、互換性和穩(wěn)定性，保證產品安全可靠地工作，是擺在科技工作者面前的一大難題。質量問題迫使人們不得不高度重視可靠性研究，重視可靠性研究在氣傳感器的設計、研制、生產、管理到使用、維修的全過程上的應用。本課題針對?；钒踩O(jiān)測的特殊要求和特點，分析氣體傳感器的失效模式及失效機理，研究相關的測試和可靠性評估分析方法，為實現?；窓z測傳感器系統(tǒng)產業(yè)化及應用提供保障。1.2國內外可靠性研究發(fā)展歷史及現狀對可靠性問題的研究始于第二次世界大戰(zhàn)，最早作為一個專用學術名詞明確提出“可靠性”的是美國麻省理工學院放射實驗室。當時正處于戰(zhàn)爭時期，美國60%的機載電子設備運到遠東后不能使用，50%的電子設備在儲存期失效，其主要原因就是電子管的可靠性太差。因此，在1943年，美國投入大量人力、物力和財力成立了“電子管技術委員會”，并領導“電子管研究小組”，開始了電子管的可靠性研究”同。20世紀50年代前后，學者們提出各種各樣的觀點，此時可靠性研究處于一種混亂的狀態(tài)。R.Lusser在一次研討會上提出，對可靠性問題應采用數理統(tǒng)計方法定量分析的基本原則[5][6]oR.R.Carhart對此觀點作了進一步的完善，給出了更合理的可靠性定義卩]。同一時期，美國軍方為解決軍用電子設備和武器系統(tǒng)的可靠性問題有組織的開展了大量研究。1952年，美國國防部成立了一個由軍方、工業(yè)部門和學術界組成的''電子設備可靠性顧問團”(AdvisoiyGrouponReliabilityofElectronicEquipment一AGREE),對軍用電子產品從生產到使用過程中各個方面的可靠性問題作了全面的調查研究，并發(fā)表了著需的“軍用電子設備的可靠性”報告岡，該報告構筑了可靠性工程學的總體框架，是可靠性工程發(fā)展的重要里程碑，標志著可靠性己成為一門獨立的學科。20世紀60年代是可靠性研究全面、迅速發(fā)展的時期。這一時期美蘇處于常規(guī)武器競賽階段，美國先后設計出新一代戰(zhàn)斗機、坦克、導彈、及宇宙飛船等裝備，這些新裝備對可靠性提出了更嚴格的要求。為此，美國相繼制定、修訂了有關可靠性的軍用標準和國家標準，如MIL-HDBK-217>MIL-STD-781和MIL-STD-785等；開發(fā)了加速壽命試驗、快速應力篩選試驗以及各種可靠性預計技術；開拓了可靠性物理這個新學科，開展了故障模式及影響分析(FMEA)和故障樹分析(FIA)兩種系統(tǒng)可靠性分析技術，美國航空航天局(NASA)更是將FMEA及FIA等可靠性技術歸為“阿波羅計劃”登月成功的三大關鍵技術之一。這一事件在國際學術界引起強烈反響，可靠性技術在世界范圍內得到迅速推廣，出現了“可靠性熱”。與此同時，由于產品的復雜化和工作環(huán)境的惡化，可靠性技術也逐步推廣到機械、通信等行業(yè)。20世紀70年代，雖然資本主義經濟遇到危機，軍費減少，但可靠性的到了進一步的發(fā)展，人們通過對復雜武器系統(tǒng)釆用更嚴格的降額設計、環(huán)境應力篩選及可靠性試驗來提高其在外場使用過程中的可靠性和降低維護費用。這一階段的主要特點就是建立了統(tǒng)一的可靠性管理機構，成立了全國性的“可靠性數據交換網”，并且出版了大量有關可靠性的學術論文和專著。這標志可靠性這一學科的成熟，可靠性研究向更深更廣的方向發(fā)展，涉及的領域越來越廣，涉及的學科越來越多，使可靠性工程學不斷完善，發(fā)展成為一門綜合性的工程技術學科。20世紀80年代以后，為了適應局部戰(zhàn)爭的新特點和軍費短缺的限制，以美國空軍1987年頒布的R&M2000年規(guī)劃為標志，美國國防部的可靠性技術發(fā)展的政策發(fā)生了變化，可靠性指標大幅度提高，從追求裝備的高性能轉變?yōu)檠b備的可靠性保證，更加強調裝備的可靠性與維修性。加強機械設備的可靠性研究，不斷改進機械設備的可靠性設計及試驗方法等，這標志著美國的可靠性技術進入了新的階段。綜上所述，可靠性經過這半個多世紀的發(fā)展，己發(fā)生了巨大的變化，從軍事工業(yè)到民用工業(yè)；從電子產品到非電子產品，尤其是機械產品；從硬件到軟件；從簡單系統(tǒng)到機電、人機等復雜的物理和非物理系統(tǒng)；從手工、圖表的定性分析設計到計算機輔助、模擬仿真的定量分析設計；從可靠性工程試驗發(fā)展到統(tǒng)計試驗，越來越重視通過環(huán)境應力篩選及可靠性增長試驗來暴露產品故障，進而提高產品的可靠性等叨。我國的可靠性研究工作起步于20世紀50年代末60年代初，當時主要集中在電子、航天等領域。到了70年代，我國組建了電子產品可靠性與環(huán)境試驗研究所，對我國可靠性工程起到了積極作用，電子產品可靠性研究工作取得了顯著成就，保證了人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，但總體發(fā)展緩慢。20世紀80年代，我國的可靠性研究步入了嶄新的時期。這一時期，各級可靠性研究機構和學術團體相繼成立。1980年，國家標準總局召開了全國電子產品環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術第一次工作會議，同年12月，建立了全國性的“可靠性數據交換網”[?,之后編撰了我國的《電子元器件的失效率手冊》，《電子元器件失效率預計手冊》和《電子設備可靠性預計手冊》;1982年成立了“全國可靠性與維修性標準化技術委員會”,完成了可靠性名詞術語、可靠性試驗方法、可靠性管理、失效分析等方面部標、國軍標和國標的編寫。同時，從80年代以來，國防科工委成立了可靠性教育培訓中心，電子工業(yè)部也成立了培訓中心，從事可靠性研究的學者、專家開始編寫、翻譯出版有關可靠性的學術專著；高等院校也開始從事可靠性研究與可靠性人才培養(yǎng)，研究領域也從電子產品發(fā)展到機械產品。90年代以來，我國在很多民用產品領域開展了可靠性研究工作，但是總體貫徹不平衡，可靠性研究仍停留在初級水平。2006年，國家發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》，將重大產品和重大設施壽命預測技術寫入了國家科技的中長期規(guī)劃，由此可見國家對可靠性工作非常重視。雖然如此，我國的可靠性研究要趕超世界先進水平，尚需付出大量的努力。1.3可靠性試驗的方法及發(fā)展趨勢通過可靠性試驗、失效分析及對試驗數據的統(tǒng)計分析，可以確定產品的薄弱環(huán)節(jié)及失效原因，制定改進措施，獲得產品可靠性特征值。由此可見，可靠性試驗是驗證、評價與分析產品的可靠性的基本手段，是可靠性工程的基本環(huán)節(jié)，是取得可靠性數據的重要來源，是進行可靠性分析和設計的基礎。可靠性發(fā)展至今，產品的可靠性試驗方法至少有百余種，其中常用的有20?30種，根據出發(fā)點的不同，可按試驗的目的、場所、性質、規(guī)模、應力特征及終止方式對可靠性試驗方法進行分類[⑴，各類可靠性試驗之間有相應的交錯或包含關系。壽命試驗是最重要、最基本的可靠性試驗之一，其用于確定產品壽命的分布規(guī)律及失效規(guī)律，計算產品的可靠度、失效率和平均壽命等可靠性指標。但是傳統(tǒng)的壽命試驗需要投入大量試驗樣本、昂貴的試驗費用和大量的時間，為了解決這個問題，國內外的可靠性研究人員致力于發(fā)展小樣本條件下可靠性指標的估計方法。但是，隨著高新技術的發(fā)展，現代電子設備的復雜程度越來越高，功能越來越強大，使得保障費用隨之增高，另一方面，電子設備日益加快的發(fā)展步伐也迫切需要高效率可靠性試驗技術來支持，而傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗己經遠遠不能滿足現代武器系統(tǒng)發(fā)展的要求。因此，必須研究新的可靠性試驗技術和方法，可靠性強化試驗就是為接受可靠性這種挑戰(zhàn)應運而生的一項新技術。20世紀80年代美國的GK.Hobbs博士卩習首先提出來高加速壽命試驗與高加速應力篩選，其最大特點是時間上的壓縮，即在短短的兒天內模擬一個產品的整個壽命期間可能遇到的情況。同時，波音公司考慮到市場競爭的需求，為了減少產品研制費用，并在產品研制早期能得到高可靠性的產品，提出可靠性強化試驗技術〔⑷?？煽啃詮娀囼?ReliabilityE11I1ailcementTesting,RET)是對受試產品施加遠超過正常使用環(huán)境的單一或綜合的環(huán)境應力，快速激發(fā)產品潛在缺陷，通過故障原因、失效模式分析和改進結構設計，提高產品可靠性。其理論依據是故障物理學，它把故障或失效當作研究的主要對象,最終通過根治故障來提高產品的可靠性X】。在可靠性強化試驗理論與技術研究方面比較知需的專家主要有：GK.Hobbs、S.Smithson>J.Capitano、W.Nelson、SilvermanM.flDavidRahe等。其中GK.Hobbs在強化試驗效率及理論與技術方面開展了大量研究[12][15][16];S.Smithson等人〔⑴問在強化溫度應力及效率方面開展了研究；W.Nelson在試驗剖面和數據統(tǒng)計分析等方面開展研究工作問；SilvermanM.和DavidRahe在強化試驗技術與應用等方面開展了研究[20][21][22]o除此之外，波音公司的RobertW.D等[同在強化試驗技術方面也進行了大量的研究與實踐，1994年在波音?777客機上應用，獲得了成功。當前，可靠性強化試驗技術還在不斷的發(fā)展，隨著新方法、新經驗的積累，可靠性強化試驗技術會不斷的被完善。同時，可靠性試驗技術也必然朝著可靠性強化試驗的方向發(fā)展。1.4試驗數據的統(tǒng)計分析及存在的問題在可靠性試驗結束后，需要對試驗數據進行統(tǒng)計分析，以獲取產品可靠性特征值，定量分析、評價產品的可靠性水平。根據在思想上和理論基礎上的差異，試驗數據的統(tǒng)計方法可分為經典統(tǒng)計方法和Bayes統(tǒng)計分析方法。經典統(tǒng)計分析方法建立在概率的頻率意義上，反映大量試驗結果的統(tǒng)計規(guī)律。在實際使用時，首先假定產品壽命服從某一統(tǒng)計分布，然后選擇一個被認為是好的統(tǒng)計方法,根據一組產品壽命的觀測值(tl，t2,……，tn)和所選的統(tǒng)計方法推斷未知的參數、進行假設檢驗和預測。經典方法認為各種壽命分布類型所含的參數是常數，不是一個變數，盡管人們暫時不知道它的值，但可以通過抽樣試驗的結果對這些參數進行估計，而統(tǒng)計分析結果精度的高低主要由試驗數據個數和所選擇的統(tǒng)計模型的準確度來決定。雖然經典統(tǒng)計方法在可靠性試驗數據統(tǒng)計分析中的占主導地位，但其也存在著一些缺陷，其最大的缺陷是在作統(tǒng)計推斷和結論時過于著眼于當前數據，忽視歷史的經驗、人們己有的認識、知識和主觀的能動性卩習。在處理小樣本數據時，經典統(tǒng)計方法往往難以做出準確的統(tǒng)計推斷其至無能為力。對于這類問題，Eayes方法給出了一種不同的解決途徑。從某種意義上說，Bayes統(tǒng)計推斷方法0］是建立在主觀概率的基礎上，在進行統(tǒng)計分析時除了利用試樣的壽命分布模型和試驗數據外，還利用了另外的一種信息，即分布參數的先驗分布°Eayes方法認為分布參數是未知的，在試驗中，即使能對其進行觀測,也只能得到它的表現值，因此分布參數是隨機的。在試驗前，人們對分布參數總會有些認識，也就是說人們有一定的先驗信息，這種信息可以用一個概率分布來表示，稱為先驗分布。Bayes方法的統(tǒng)計分析模式是首先假設的分布模型和分如參數的先驗分布，之后根據一組樣本的觀測值求的后驗分布，依據后驗分布進行統(tǒng)計分析，就可以得到可靠性指標的估計值。可以看出，與經典統(tǒng)計方法相比，Bayes方法引入了更多的信息，考慮了人的主觀能動性和歷史經驗，并且有可能解決小樣本數據的統(tǒng)計分析問題卩習。雖然Bayes在這方面比經典方法有明顯的優(yōu)勢，但是其本身存在的缺陷制約著它的應用，其中最主要的是先驗分布問題［溝，盡管提出了不少確定先驗分布的方法，如Bootstrap方法、經驗Bayes方法等［26］,并在工程實際中得到了應用，但至今仍未提出一種放之四海而皆準的確定先驗分布的方法；其次，我們一般只知道后驗分布的核，后驗密度函數的計算與推導具有非常大的難度，也沒有可以廣泛應用的軟件和程序。因此，在目前的可靠性統(tǒng)計分析中仍以經典的統(tǒng)計方法為主，常用的經典統(tǒng)計方法㈢］有極大似然估計法(MLE)、B&A估計法、最小二乘估計法(LQ和LMSR)和基于順序量的各種線性估計方法，如最好線性無偏估計(BLUE)、最好不變估計(BLIE)和簡單線性無偏估計等等。應用上述估計方法，可解決常用的壽命分布中各種形式的試驗數據的統(tǒng)計處理，以求得分布參數和所關心的可靠性特征量的估計值。對于兩參威布爾分布，對于截尾壽命試驗來講，以MLE、BLUE和BLIE方法估計較好[旳。1.5氣體傳感器可靠性研究現狀與存在的問題氣體傳感器是傳感器領域的一個重要分支，它可以感受外界氣氛信息并按一定規(guī)律轉換成可測信號，進而可以對所得到的數據進行記錄、分析、傳輸、監(jiān)控。根據氣體傳感器使用的氣敏材料以及工作機理的不同，氣體傳感器可分為：半導體氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、石英諧振式氣體傳感器和表面聲波氣體傳感器〔29】。隨著MEMS技術的迅猛發(fā)展及其廣闊的市場前景，微型化、集成化、智能化口漸成為傳感器包括氣體傳感器的發(fā)展趨勢，成為氣體傳感器的主流。對于其他種類的氣體傳感器而言，催化燃燒式氣體傳感器的發(fā)展歷史較長，早在1923年，美國采用裸鉗絲催化傳感器檢測煤礦瓦斯。1957年，英國發(fā)明了在鉗絲圈上涂加載體和催化劑的催化傳感器。自上世紀60年代以來，金屬氧化物半導體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應迅速等優(yōu)點占據氣體傳感器的半壁江山。我國于上世紀50年代開始了氣體傳感器的研究,1957年撫順煤礦安全儀器廠采用純鉗絲元件作為傳感器的第一臺催化原理的瓦斯報警器研制成功，揭開了我國氣體傳感器發(fā)展的序幕。經過五十多年的發(fā)展，我國氣體傳感器產業(yè)得到飛速發(fā)展，我國各類氣敏元件的年總產量己達到610多萬只[弼。隨著氣體傳感器的廣泛應用，對其運行安全可靠性要求也日益增加。但由于氣體傳感器結構和工作機理的多樣性以及失效機理的復雜性，目前公開發(fā)表氣體傳感器的可靠性研究方面的論文較少，且主要集中在對半導體氣體傳感器的可靠性研究。早期有關氣體傳感器可靠性方面的研究主要集中在不同材料對氣體傳感器長期穩(wěn)定性的影響[31][32][33][34]以及提高氣體傳感器長期穩(wěn)定性的方法〔迥等方面。1997年，J.M.Bose等人[殉以MotorolaMGS1100氣體傳感器為例討論了硅微器件的可靠性測試方法，指出熱和機械應力是影響硅器件可靠性的主要因素，并提出以硅膜工作電壓頻率為加速應力的加速試驗方法;I.Giacia等人㈤對半導體氣體傳感器進行了溫度和機械性能測試,研究了傳感器的漂移和失效率與應力強度的關系；R.K.Sharma等人[網對微機械氣敏元件氧化錫薄膜的穩(wěn)定性和可靠性進行了研究，觀測到氧化錫薄膜龜裂這一失效模式，并以溫度為加速應力對氣體傳感器進行了加速壽命測試，結果表明SnO2-Cii/Pt膜具有更高的可靠性；云南大學的Yii-deWang等人卩刃跑對酒精和丁烷氣體傳感器進行了壽命試驗,統(tǒng)計分析結果表明酒精和丁烷氣體傳感器的壽命分布為對數正態(tài)分布；J.Puigcorbe等人⑷]對氣體傳感器的熱疲勞模型進行了有限元分析，討論了鋁膜厚度和溫度變化對氣體傳感器可靠性的影響；胡恩平等人國]對氣體傳感器加速壽命進行了研究，以工作電壓頻率為加速應力的加速壽命方法對Motorola公司的CO氣體傳感器進行了加速壽命試驗，并對氣體傳感器失效模式進行了總結；中電49所的張洪泉、常柏靈等人[43][44][45]對可燃氣體傳感器進行了失效機理和失效模式進行了分析，通過壽命試驗及統(tǒng)計分析，指出可燃氣體傳感器的壽命分布模型為雙參威布爾分布。這些研究工作對以后氣體傳感器的可靠性研究有良好的借鑒作用，但也存在著一些問題和不足，主要表現在：目前，對氣體傳感器的研究主要集中在新材料、新工藝等方面，導致氣體傳感器缺乏明確的可靠性指標，這與氣體傳感器可靠性的復雜性、特殊性以及研究人員對其可靠性研究的不足密切相關。同時，由于材料、加工工藝、封裝非標準性等問題的存在，氣體傳感器的失效機理對產品的設計、制造和使用者來說都還不確定。由于氣體傳感器結構和工作機理的多樣性，不同類型的氣體傳感器其失效模式和失效機理也不盡相同。而在己開展的氣體傳感器的可靠性研究中，沒有針對傳感器可靠性薄弱環(huán)節(jié)提出相應的可靠性試驗方法，缺乏明確、符合工程實際的失效判據和相應的失效檢測裝置。1?6本文的研究思路及主要內容1.6.1本文的研究思路針對氣體傳感器可靠性研究中存在的問題和不足，本文以LNG(LiquefiedNahiralGas)氣體傳感器為研究對象，就LNG氣體傳感器的結構原理以及敏感應力的確定、失效模式與機理、可靠性強化試驗方法以及如何對試驗數據進行統(tǒng)計分析開展系統(tǒng)的研究，并通過對試驗數據的統(tǒng)計分析，確定LNG氣體傳感器在試驗條件下的可靠性水平。所釆用的研究方案如圖1.1所示，主要分四步進行。首先調研、分析氣體傳感器的工作原理及在危險化學品集裝箱運輸過程環(huán)境參數；第二，收集氣體傳感器場使用信息和內場各種試驗信息，進行可靠性分析，分析其失效模式、失效機理，確定其薄弱環(huán)節(jié)；第三，針對薄弱環(huán)節(jié)對氣體傳感器進行可靠性強化試驗技術研究，在試驗的基礎上進行可靠性評估模型的分析與研究；最后，收集氣體傳感器的可靠性測試數據，利用建立的可靠性模型對其進行可靠性評估。圖11本文研究思路及技術路線1.6.2本文研究的主要內容及安排根據以上思路，確定本文的主要研究內容如下：對LNG氣體傳感器進行失效模式影響及危害度分析(FMECA)及故障樹分析(FIA),確定氣體傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)及其重要度，結合傳感器的典型工作環(huán)境，對薄弱環(huán)節(jié)的失效機理進行分析，建立了傳感器失效物理方程，為傳感器可靠性試驗方法的制訂及試驗數據的統(tǒng)計分析奠定基礎。以傳感器薄弱環(huán)節(jié)失效機理的分析結果為依據，研究氣體傳感器的可靠性強化試驗方法，制定試驗方案，并對試驗結果進行了分析，以傳感器失效機理不變的為前提,確定了傳感器壽命試驗的強化應力，并對氣體傳感器進行壽命試驗。用適當的統(tǒng)計分析方法對試驗數據進行統(tǒng)計分析，確定氣體傳感器的壽命分布類型和選取待估計的可靠性指標，通過環(huán)境因子理論，獲得氣體傳感器在正常應力條件下的可靠性指標的估計值。對己經開展的氣體傳感器可靠性研究工作進行總結，并指出了氣體傳感器可靠性研究中需要進一步研究的內容及本課題的下一步工作方向。2氣體傳感器可靠性分析本章首先對LNG氣體傳感器的結構、原理進行了分析，之后采用故障模式影響及危害度分析(FMECA)及故障樹分析(FIA)技術，對氣體傳感器進行可靠性分析，鑒別其故障模式、失效機理，確定了氣體傳感器的可靠性重要件和關鍵件以及薄弱環(huán)節(jié)，對傳感器可靠性薄弱環(huán)節(jié)的失效機理進行了分析。在對氣體傳感器失效物理分析的基礎上建立了氣體傳感器在電應力作用下的失效物理方程，為制定氣體傳感器可靠性強化試驗方案及壽命評估奠定了基礎。2.1氣體傳感器結構、原理分析該微雙橋催化LNG氣體傳感器為新型A12O3基催化燃燒式氣體傳感器，其采用MEMS技術工藝，將電化學生長的AI2O3膜經化學處理、涂膠、光刻、微加工、剝離、改性、熱處理等工藝制作成微雙橋結構，作為Al2O3-H2PdCl2-ThO-S1O復合催化劑的載體,實現將帶有催化劑的敏感元件(俗稱黑件)和一個不帶催化劑的補償元件(俗稱白件)單片集成，制作出的LNG氣體傳感器〔呦。圖2.1為氣敏元件結構示意圖，圖2.2為氣敏元件二次封裝樣品。P(膜補償元件PtPdP收催化兀件(a)P(膜補償元件PtPdP收催化兀件(a)傳感器芯片(b)傳感器結構圖21氣敏元件結構示意圖圖12氣敏元件二次封裝樣品微雙橋催化LNG氣體傳感器的工作機理是在催化劑的作用下，可燃性氣體（H2,CO,CH4等）與空氣中的氧發(fā)生反應，產生反應熱（無焰催化燃燒熱），使敏感元件內部溫度升高，鉗絲電阻值相應增大。因此，只要測定敏感元件鉗絲的電阻變化值，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，單純使用鉗絲線圈作為檢測元件的傳感器壽命較短。因此,實際應用的檢測元件都是在鉗絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒，這樣既可以延長使用壽命，乂可以提高檢測元件的響應特性。圖13催化燃燒式氣體傳感器橋式電路微雙橋催化LNG氣體傳感器的橋式電路如圖2.3所示，圖中比是檢測元件；F2是補償元件，其作用是補償由環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，為可燃性氣體在檢測元件F】上發(fā)生氧化反應提供所需要的溫度，須在F】和F?上保持（100?200）niA的電流。當檢測元件F］與可燃性氣體接觸時，劇烈的氧化作用釋放出熱量使檢測元件的溫度上升，電阻值相應增大，橋式電路不再平衡，在A,B間產生電位差E,則有：E=K（險）卑（2.1）式中：E——電橋A點與B點的電位差;

K-靈敏度系數；Rf2—補償元件電阻；Rfi-敏感元件電阻；-——敏感元件電阻變化量。補償元件F?和檢測元件Fi的電阻比Rf/Rh接近于1,A、E兩點間的電位差E近似與血F成比例，而力Rf與可燃性氣體氧化反應熱成比例。AIL=fitAT=(z—=aam—(2.2)CC式中■?a-檢測元件的電阻溫度系數；4T可燃性氣體催化燃饒所引起的溫度增加值；4H可燃性氣體催化燃燒產生的熱量；C-檢測元件的熱容量；Q—-可燃性氣體的燃燒熱；m——-可燃性氣體的濃度；a-由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數。由于a,C,a的數值與檢測元件的材料、形狀、結構、表面處理方法等因素有關，Q是由可燃性氣體的種類決定的，若令K=wQ/C,在一定條件下，K是定值，則有:E=kn(23)式中：E——電橋A點與B點的電位差；K——比例系數；m氣體濃度；即A、B兩點間的電位差與可燃性氣體的濃度m成正比。如果在A、B兩點間連接電流計或電壓計，就可以測得A、E兩點間的電位差E,由此可求得空氣中可燃性氣體的濃度。

2.2氣體傳感器失效模式影響及危害度分析失效模式影響及危害度分析技術(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis,FMECA)旨在分析產品各組成單元潛在的失效模式及其對產品功能的影響，并按嚴酷度予以分類，判斷每一個故障模式對系統(tǒng)影響的致命程度，定量對系統(tǒng)可靠性進行分析，并找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進措施［刈。它包括故障模式分析(FMA)、故障效應分析(FEA)和故障致命度分析(FCA)oFMECA可以看作是故障模式及影響分析(FailureModeandEffectsAnalysis?FMEA)的一種擴展和深化阿。FMECA最早出現在20世紀50年代，美國格魯門公司將其應用于研制飛機主操作系統(tǒng)。當時只進行了FMEA,未進行FCA,僅屬于定性分析，但取得了良好效果。在20世紀60年代，FMECA技術主要用于航天工業(yè)中系統(tǒng)部件的可靠性和安全性評估，美國國防部相繼頒布了美軍標MIL-STO-1629《船艦故障模式、影響及危害性分析》及MIL-STD-2070《航空設備的故障模式、影響及危害性分析程序》〔甸。到80年代后期，FMECA進入微電子行業(yè)，并出現過程FMECA方法。我國于92年頒布了GJB1391-1992《故障模式、影響及危害分析程序》，現已更新為GJB/Z1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，該指南適用于產品壽命周期整個階段，補充了軟件和過程FMECA的內容，并提供了FMECA在可靠性、維修性、安全性、測試性和保障性工程中大量的應用案例［切。對于本文研究用的氣體傳感器由氣敏元件以及電路部分組成，其中氣敏元件是傳感器的主要部分，主要由鉗絲、載體、基片組成，其可靠性框圖如圖2.4所示。組件級分組件級圖24組件級分組件級圖24氣體傳感器可靠性框圖由圖2.4可得出氣體傳感器的可靠度為R(t)=兀⑴％(t)&(t)%(t)%(t)(2.4)其中%(t)=RD1(t)RD2(t)KD3(t)RD4(t)RD5(t)RD6(t)(2.5)在總結調研資料和查閱相關氣體傳感器可靠性與故障的文獻后，確定氣體傳感器發(fā)生故障主要由兩部分組成即敏感元件和電路部分，其中敏感元件部分失效對氣體傳感器危害度最大，表2.1給出了LNG氣體傳感器的FMEA表格。表11LNG氣體傳感器FMEA分析設備名稱功能失效模式失效原因失效效應失效檢測改進措施LNG氣體傳感器檢測LNG氣體濃度無輸出加熱絲開路敏感體破裂罩孔堵塞內引線開路、短路調理電路失效連接器失效傳感器不工作體視顯微鏡數字表加固焊點增加篩選應力優(yōu)選元件優(yōu)先連接器輸出漂移加熱絲材料老化加熱絲電壓變化敏感材料老化元器件性能漂移測量精度超差試驗測試優(yōu)選材料加強工藝規(guī)范靈敏度低工作溫度低敏感材料老化氣路不通測量精度超差試驗測試加強制粉工藝規(guī)范響應時間慢敏感材料老化氣路不通工作溫度低反應慢秒表加強二防設計從上表可以看出氣體傳感器失效模式主要有以下兒種形式：無輸出、參數漂移(零點時漂、溫度漂移)、靈敏度降低、響應時間慢等。結合上表總結以及中電49所的工程設計人員提供的經驗可知傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)是傳感器氣敏元件。2.3氣體傳感器故障樹分析故障樹分析（FaultHeeAnalysis,FIA）是安全性與可靠性分析中最常用的方法之一，其包括故障樹的建造、定性分析和定量分析。FIA是一種演繹的分析方法，它開始于系統(tǒng)及的一個不期望事件（頂事件），通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素）進行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種組合方式及其發(fā)生概率，以計算系統(tǒng)失效概率，采取相應的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設計方法［刃。F7A最早出現于20世紀60年代，由美國貝爾電話研究的H.AWaston提出，用于導彈的發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性分析。后來，波音公司的Hassl、Scluoder和Jackson等人進行了用電子計算機可以模擬FTA的修正，使其能用計算機處理，推動了FTA技術的迅速發(fā)展。1965年，D.FHassl等在由華盛頓大學和波音公司聯(lián)合主持的一次系統(tǒng)安全性學術會議上發(fā)表的兒篇有關FTA的論文，標志著FTA技術在航空工業(yè)、核能工業(yè)及其它工業(yè)作為一種可靠性和安全性分析的方法而受到重視的開端。此后，在用FTA法解決實際問題的過程中，FTA理論得到補充和進一步的完善。1979年開始，國際可靠性和維修性技術委員會開始制訂FTA方面的標準。我國于80年代初開始研究FTA,并于87年頒布了GB7829-1987《故障樹分析程序》，從此開始了規(guī)范應用故障樹分析（FTA）技術。2.3.1氣體傳感器故障樹定性分析通過對氣體傳感器進行相關試驗及調研其使用情況，做出傳感器的故障樹如圖2.5所示。

傳感器故障樹的定性分析實質上是確定系統(tǒng)的故障譜，即最小割集(MCS)族(對單調關聯(lián)故障樹)或質蘊涵集(PIS)族(對非單調關聯(lián)故障樹)。定性分析常用的方法有上行法和下行法，本文利用下行法求氣體傳感器故障樹最小割集，如圖2.6所示。

{刈眞噴腹{刈眞噴腹X10X11X12X13X14X13X14X17X18心X14X15X16X19X15X16圖26氣體傳感器故障樹最小割集分析由圖2.6可以看出，氣體傳感器故障樹最小割集為{XJ,{X2},,{X20}o2.3.2氣體傳感器故障樹定量分析在求得故障樹的全部最小割集后，如果能夠對故障樹中所有最低層事件的概率做出推斷，則可進一步進行定量計算。故障樹定量分析的目的就是利用故障樹模型，根據各最底層事件可能發(fā)生的概率計算頂事件發(fā)生的概率、底事件概率重要度、底事件關鍵性重要度，從而得到氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，為可靠性強化試驗方案的制定奠定基礎。通過研制及生產過程、環(huán)境試驗、壽命試驗、穩(wěn)定性試驗及使用情況統(tǒng)計結果，故障樹底事件發(fā)生的概率如圖2.5所示，分別為：P(召)=0.0015P(X.)=P(X6)=0.0003P(X3)=0.0025P(X4)=P(X13)=0.0002P(X5)=P(X2O)=0.001P(X7)=0.0005Pg=P(?=P(X10)=PgJ=P(X12)=P(X15)=Pg?)=P(X】9)=0.0001P(X14)=0.003P(召6)=0.0035P(X1S)=0.002頂事件發(fā)生的概率由2.3.1節(jié)分析結果可知，氣體傳感器故障樹頂事件與底事件的關系為20TOC\o"1-5"\h\zT=工兀(2.6)1=1由于故障樹的最小割集一般是相容的，在求頂事件發(fā)生概率時，一般將式(2.6)化為互補相交的布爾和T=X1+f(2.7)i=2j=l則頂事件的概率表達式為_>20i-1Q(P)=Pi+工(帀沁(28)x=2j=l式中,P=[P(X1),P(X2),-,P(X19)],=P(\),q=l-Ro由式(2.8)可求出頂事件的概率，即不可靠度為Q(P)=0.0015+(1-0.0015)x0.0003+(1-0.0015)x(l-0.0003)x0.0035+(1-0.001>5)-(l0.0(00-3)(1>0.003=0.01668底事件概率重要度底事件發(fā)生概率變化引起頂事件發(fā)生概率變化的程度稱為概率重要度.(兀)，其數學定義為

(2.9)(2.9)式中，P’為底事件發(fā)生概率，q（3）為頂事件發(fā)生概率。L(XJ=->

L(XJ=->

西(P)

°(P1)20i-1"-P?-工(口①疋i=3j=2=l—0?00Z-<10.0003)G-心0?98z同理可計算出每個底事件概率重要度分別為Ig（X；）=0.9848.（荃）=1/咨）=0.9836Ig（X3）=0.985816（^）=16（^3）=0.9835Ig（X5）=Ig（X20）=0.9843Ig（X7）=0.9838\（冬）=1&（禺）=1&（撿）=.（冷）=1（忑.（馮4）=0.9863L區(qū)§）=0.9868?（*）=0.9853由計算結果可以看出看，材料性能變化、加熱絲斷路及基片碎裂等底事件發(fā)生時，對頂事件發(fā)生概率影響最大，在設計過程中，首先降低底事件概率重要度大者，對提高可靠性明顯。（3）底事件關鍵性重要度底事件關鍵性重要度的數學定義為

冬I(Xi)冬I(Xi)=￡lnQ(P)=QclnP](2.10)它與底事件概率重要度的關系為(2.11)Ic(兀)=斗1/管)(2.11)Q(P)由(2.11)式可知各底事件關鍵性重要度為Ic(^)=0.08857Ic(X2)=Ic(X6)=0.01769Ic(X3)=0.1478Ic(X4)=Ic(X13)=0.01179丄(兀)=1」耳)=°°5902Ic(X7)=0.02949Ic(^)=Ic(X.)=Ic(撿)=Ic為)=Ic(0)=Ic(兀)=Ic(X17)=Ic(X19)=0.00591X^)=0177410(^6)=0.207110(^8)=0.1182從計算結果來看，材料性能變化、加熱絲斷路及基片碎裂關鍵性重要度較大，它表明觸發(fā)頂事件發(fā)生的可能性大，是氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，因此，在可靠性強化試驗方案制定過程中，應主要針對加熱絲、基片和敏感元件材料進行試驗方案設計。2.4氣體傳感器失效機理探討由2.2節(jié)及2.3節(jié)的分析,總結出傳感器薄弱環(huán)節(jié)的失效模式有:①鉗絲失效;②氧化鋁載體失效；③催化劑失活。其中催化劑失活是造成傳感器輸出漂移的主要原因，而失效原因之外殼氣孔堵塞，主要發(fā)現于污染嚴重的實際工況中，在正常環(huán)境條件下，此種失效概率很小。2.4.1鉗絲失效機理在本文研究的LNG氣體傳感器中，鉗絲通過熱壓焊與接線柱互聯(lián)，其作用主要有：①提供甲烷催化燃燒反應所必須的溫度；②測量甲烷催化燃燒過程中載體表面溫度變化。在工作過程中，鉗絲主要失效模式有兩種：阻值增大和斷裂。鉗絲阻值增大：經對失效產品解剖分析，發(fā)現鉗絲阻值增大的主要原因有:①鉗絲在高溫環(huán)境下由于升華作用使鉗絲變細，阻值增加；②由于鉗絲和接線柱等骨架材料的熱膨脹系數不同，在高溫作用下，鉗絲中會產生額外的應力及電阻，使阻值增大；③鉗幺幺的微觀結構及其內部的各種缺陷，引起電子散射，導致電阻率增加，鉗絲阻值增大。鉗絲斷裂：鉗絲斷裂失效主要發(fā)生在振動或沖擊應力的作用下，經對失效產品解剖分析，發(fā)現鉗絲斷裂的主要原因有:①鉗絲在工作過程中可能接觸到還原性氣體，如H?,CO等。在高溫作用下，這些還原性氣體能很快滲透到鉗絲內部，導致鉗絲力學性能發(fā)生退化，鉗絲變得易脆斷；②在鉗絲與接線柱通過焊接互聯(lián)后，由于鉗絲與接線柱直徑不匹配以及殘余應力存在或不消除，導致鉗絲表面產生裂紋，成為焊接失效的隱患；③鉗幺幺和接線柱之間在高溫下生成某些金屬間化合物，從而使焊接強度降低。2.4.2化鋁載體失效機理從對失效試件的分析來看，氧化鋁載體失效的主要原因為燒結造成的失效，擴散和遷移是主要的燒結機理［⑴。在長期高溫的作用下，氧化鋁載體表面和內部原子、分子和離子發(fā)生擴散和遷移，?卜A1?O3晶體轉變成卜A1?C>3或4AI2O3晶體，表面小晶粒之間接觸面增加，形成互相連接的“頸部”，隨著時間的增加，這些“頸部”互相交錯，形成封閉的孔，從而使氧化鋁載體表面積和氣孔率減少，造成對催化劑的遮蔽現象。其燒結過程如圖2.7所示。圖2.7氧化鋁的燒結過程2.4.3催化劑失活機理根據國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)于1981年提出的定義，催化劑是一種物質,它能夠改變反應的速率而不改變該反應的標準Gibbs自由熔變化。這種作用稱為催化作用，涉及催化劑的反應為催化反應［切。由上述定義可知，催化劑是通過降低活化能、改變反應路徑來加快或減緩化學反應速率，而本身并不消耗的物質，它不能改變反應的平衡狀態(tài)，反應后退出反應體系，自身性質無改變。但實際上由于諸多因素的影響，在參與化學反應之后，催化劑的某些物理和化學性質己經發(fā)生了變化，導致催化劑在使用過程中活性逐漸下降，這種現象稱為催化劑失活，進而導致催化燃燒式氣體傳感器無信號輸出。催化劑失活是一種復雜的物理化學變化過程，Forzatti等曾就催化劑失活原理，原因及數學描述進行了詳細的論述［54］,Butt也從催化劑失活所涉及的反應，反應器動力學及傳質動力學等方面作了詳細的論述［旳。影響催化劑失活的原因很多，Camaxob等把它們基本歸納為兩類：一是化學變化引起的失活；二是結構改變引起的失活。Hegedus等歸納為三類:即化學失活、熱失活和機械失活；Huglies則歸納為中毒、堵塞、燒結和熱失活〔⑴。對于本文研究的LNG氣體傳感器，通過環(huán)境試驗及壽命試驗，其催化劑失活機理可分為以下三類：燒結、結焦、中毒圖】。燒結造成催化劑的失活催化劑的燒結是指由高溫引起的催化劑結構和性能的變化，造成催化劑活性中心的減少。氧化鋁載體在長期高溫作用下，比表面積大大減小，載體內部孔道變窄或堵塞，引起部分催化劑被A1?O3載體被包埋和部分內部的催化劑無法與瓦斯氣體接觸。同時燒

結也會導致催化劑晶粒長大發(fā)生聚集，使得催化劑分散度降低，活性下降。高溫也會使催化劑產生揮發(fā)和升華現象。燒結導致催化劑失活有以下4種方式。(a)燒結引起的御孔封閉礎吉引起的催北劑聚奐〔c)燒^引起的催北劑高溫揮發(fā)或片華(d)(a)燒結引起的御孔封閉礎吉引起的催北劑聚奐〔c)燒^引起的催北劑高溫揮發(fā)或片華(d)廃結引起的催化劑枝載體包理圖18燒結造成催化劑的失效結焦造成催化劑的失活催化劑表面上的含碳沉積物稱為結焦。LNG成分中除含甲烷外，還有丁烷、乙塊

等有機繪，炷類燃饒時會在催化劑表面沉積焦炭，從而使與外界氣體的催化劑活性中心減少，其失活機理如圖2.9所示。未焦化微孔(a)未結焦的催化劑①)結焦的催化劑焦化傲孔未焦化微孔(a)未結焦的催化劑①)結焦的催化劑焦化傲孔圖2.9焦化引起的催化劑失活中毒造成催化劑的失活催化劑的活性由于某些有害雜質的影響而下降稱為催化劑中毒，這些物質稱為毒物。根據毒物和催化劑相互作用的性質和強弱程度可分為可逆中毒和不可逆中毒?？赡嬷卸究舍娙∵m當的方法除去毒物，不會影響催化劑的性質。對于不可逆中毒，毒物與催化劑活性組份相互作用，形成很強的的化學鍵，從而造成催化劑的失活。LNG成分中所含的微量的H?S、SO?、NO：＜以及反應后產物CO都可以使催化劑發(fā)生中毒，隨著時間的延長，中毒區(qū)域會慢慢擴大，最終導致催化劑全面中毒。中毒引起的催化劑失活機理如圖2.10所示，P是毒性物質，A為反應物甲烷。?門嚴嚴?門嚴嚴圖210中毒引起的催化劑失效2.5氣體傳感器失效物理方程在LNG氣體傳感器工作時，由于氣體成分的復雜性和工作的高溫環(huán)境，隨著催化反應的進行，催化劑的活性會逐漸減小。在催化劑活性穩(wěn)定期內，其反應速率僅取決于操作條件；在催化劑活性衰退的時候，反應速率隨著活性的衰退而下降，活性的變化乂與其它多種因素有關。對于一個催化反應而言，其反應速率可用下式來表示-7A=kCV(2.12)式中：k—反應速率常數；C’一反應物濃度；11一反應級數；〃一催化劑有效因子，當載體內無擴散阻力時〃=1;4一催化劑相對活性，其定義為一-/a_某一時刻反應物A在催化劑上反應速率"一莎一反應物A在新鮮催化劑上的反應速率(J某一時刻反應物A在催化劑上反應速率—仏與時間t相關，上式可改寫為-從)-久(0-從)-久(0)(2.14)催化劑活性隨時間減小的典型的關系曲線如圖2.11所示。0.0?―rt圖211催化劑的活性和時間的關系對于多相催化反應，其失活動力學通?？捎孟铝袃蓚€方程來表示：反應速率方程式(也稱主反應速率方程式)一％=O(C,T,q)(2.15)失活速率方程式-人=q(C,T,q)(2.16)式中：T—溫度；對于大多數反應過程，在符合函數可分性的條件下，可將(2.15)、(2.16)改寫為(2.17)一乙=^(CJk/Cnp??)(2.18)式中，$、2、Pi、P2通?？捎媚缓瘮敌问奖硎?；ki、k?可用Anheiiius關系式表示。LNG的主要成分是甲烷，對于甲烷的催化燃燒反應，考慮到分步化學反應動力學機理的復雜性，本文應用的是甲烷催化燃燒的總反應式ch4+o2co2+h2o催化劑在失活前，催化劑表面進行的是催化非均相氧化反應。X.Song等人［殉通過實驗得到的甲烷催化非均相氧化反應速率經驗公式為E-/a=-K-CCHt?cf=%exp(-—)CCHC^(2.19)K1S式(2.19)中催化劑活性在剛開始時為1,隨著反應時間而逐漸下降。失活速率可寫為一人=一罟=kdexp(-需^兀甲c￡?aAatK1s(2.20)式中：d—失活級數b—失活反應速率常數

Ed-失活活化能花一載體表面溫度R—摩爾常數在正常環(huán)境下，空氣中甲烷和氧氣的濃度及失活級數為常數，令'A=kd-CCH/C°25.adR則(2.20)式可化簡為一人=Aexp(—%)(2.21)初始時刻催化劑的活性因子退化量v(0)為0,則t時刻后催化劑的活性因子退化量v(t)=v(0)+(-/d-v(t)=v(0)+(-/d-t)=Aexp(-%)t(2.22)經變換并令d=譽，即可得氣體傳感器壽命與載體表面溫度的關系(2.23)由上式可看出，氣體傳感器壽命與載體表面溫度滿足Arrhenius方程。2.6本章小結本章首先對氣體傳感器的結構、原理進行了分析，之后采用FMECA分析方法，對氣體傳感器進行了失效分析，畫出了氣體傳感器FMEA表格，總結了氣體傳感器失效的主要原因。采用FIA分析技術定量分析了氣體傳感器的不可靠度、底事件概率重要度及底事件關鍵性重要度，得出了氣體傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，并對其薄弱環(huán)節(jié)進行了失效分析，建立了失效物理方程，為傳感器可靠性強化試驗方案的制定及壽命評估奠定了基礎。

3氣體傳感器可靠性強化試驗本章在承接上一章對氣體傳感器可靠性分析的基礎上，根據可靠性強化試驗的原理，針對氣體傳感器薄弱環(huán)節(jié)進行了試驗方案設計，分析了LNG氣體傳感器在典型工作環(huán)境中的敏感應力，研究了LNG氣體傳感器的可靠性強化試驗方法，并結合具體的試驗條件設計了強化試驗方案，對LNG氣體傳感器進行了可靠性強化試驗。3.1氣體傳感器可靠性強化試驗原理氣體傳感器可靠性試驗的目的是通過試驗過程中所獲得的有關氣體傳感器的失效信息來對其可靠性指標進行估計。在可靠性試驗中，如不采取強化應力方法，試驗時間較長，不禁耗費大量的時間和資源，而且過長的試驗時間使試驗本身的意義受到影響。因此，必須通過恰當的方法來縮短氣體傳感器可靠性試驗的時間，可靠性強化試驗正是這樣一種能加速試樣發(fā)生失效的可靠性試驗方法。在可靠性強化試驗中所涉及的應力范圍不同，需要不同的術語來描述其各種應力極限，在壽命試驗中應根據各種應力極限合適選擇加速應力，以達到縮短時間的目的?？煽啃詮娀囼炛懈鲬O限大小關系如圖3.1所示Bl,其中工作極限是指產品在該極限內能正常工作，超出該極限則工作異常的工作應力極限；破壞極限是指產品能在其范圍內工作而不出現不可逆失效的應力極限。工作極限和破壞極限可通過步進應力試驗測定。r-堿壞極限上限工作極限上限J設計極限上限技術規(guī)范極限上限應力技術規(guī)范極限下限ESSRET應力技術規(guī)范極限下限ESSRET設計極限下限工作極限下限—y破壞極限下限5圖3.1各種應力極限應力示意圖氣體傳感器的可靠性強化試驗是在不改變傳感器失效機理的前提下提高氣體傳感器的試驗應力水平，使其在比正常使用環(huán)境苛刻的試驗條件下工作，從而使氣體傳感器可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，如傳感器敏感元件、集成電路模塊以及其他零部件快速地發(fā)生失效,從而在很短的時間內獲得試驗結果，大大縮短試驗時間，提高試驗效率，就達到了快速評價氣體傳感器可靠性水平的目的。3.2氣體傳感器可靠性強化試驗方法為了盡量地減少試驗費用，必須制定科學、高效的可靠性強化試驗方案。一個完整的試驗方案包括試驗層次的確定、失效機理分析、試驗剖面設計、試驗樣品選擇、試驗結果處理等內容。其中失效機理分析是制定高效率試驗剖面的理論基礎。試驗剖面設計是整個試驗過程的核心內容，它決定了試驗應力選擇、應力施加方式及順序、應力綜合方式和試驗停止原則等，它直接影響到試驗的效率與消耗網，在實際應用過程中，需要結合具體試驗對象和試驗要求來設計相應的試驗剖面。3.2.1試驗應力選擇在強化試驗中，不同的應力誘發(fā)不同的失效機理，并且相同的失效機理也可由不同應力所誘發(fā)，因此在制定試驗方案時要根據不同的試驗目的選擇相應的應力類型。圖3.2是由G.K.Hobbs建立的缺陷/激勵關系模型圖，它表示環(huán)境激勵與可激出缺陷的關系。然而，要在可靠性強化試驗中要選擇有效的應力類型，還必須依靠經驗和試驗驗證以及分析產品的環(huán)境條件和工作條件。圖32壞境激勵弓可激出缺陷之河的關系圖3.3是對12種環(huán)境應力加權評分后得到的試驗效果比較圖。從圖中可以看到，溫度循環(huán)是最有效的篩選，其次是隨機振動、高溫和電應力岡］。加速度加速度潮濕機械沖擊打描止弦振動低溫宦須止弦振動宦須止弦振動熱沖擊電應力隨機撮動0501001502002503003?加權分值圖3.3各種應力試驗效果比較在氣體傳感器的可靠性強化試驗當中，要加快氣體傳感器的失效過程，關鍵在于選用何種類型的試驗應力以及這種應力的水平如何確定。恰當的試驗應力及其應力水平的選取，應當以氣體傳感器的實際工作環(huán)境為基礎，分析工作環(huán)境中的何種因素能夠加快氣體傳感器失效的發(fā)生，并選取該因素作為強化因子，增強其應力水平，形成高于正常工作環(huán)境應力的強化試驗應力，從而使得氣體傳感器的失效在強化試驗應力下被迅速的激發(fā)出來且不改變氣體傳感器的失效模式與機理。通過對LNG氣體傳感器進行FMECA及FTA分析并結合工程經驗，己經得出了傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)是傳感器敏感元件的加熱絲、基片及敏感元件材料部分，其主要的失效模式是加熱絲斷裂阻值增大、載體材料性能變化及催化劑失活。由第三章分析可知，引起加熱絲斷裂、加熱絲阻值增加、載體材料性能變化、催化劑失活的敏感應力有溫度、振動、沖擊及電應力。因此，要加快LNG氣體傳感器失效要進行四種環(huán)境應力的可靠性強化試驗即溫度環(huán)境、振動環(huán)境、沖擊環(huán)境及電應力環(huán)境的可靠性強化試驗。所以確定溫度、振動、沖擊及電應力為可靠性強化試驗的敏感應力。在選定了敏感應力后，還需要確定敏感應力的應力水平。在確定應力水平時應符合:所選擇的應力水平不能改變氣體傳感器在正常工作環(huán)境下的失效模式和失效機理原則。然而保證這個原則的前提條件是進行LNG氣體傳感器預試驗從而找到氣體傳感器的工作極限應力和破壞極限應力，最終確定恒定應力試驗的應力量級。3.2.2應力施加方式及施加順序可靠性強化試驗的核心是不模擬真實環(huán)境，而是對產品施加大大超過設計規(guī)范的極限應力，逐步增加，直至產品的工作極限和破壞極限。其應力施加示意圖如圖3.4所示,這些應力可以是環(huán)境應力，如溫度、振動、濕度，也可以是工作應力，如電壓，也可以是這些應力的組合。在應力步進施加過程中，應力步長和應力持續(xù)時間是兩個關鍵性的問題，起始應力通常處于正常工作應力和規(guī)范應力極限之間。減小步長、r8破壞極限工作極限技術耍求時間圖344靠性強化試驗步進應力施加示意圖對于應力施加順序，不同的加載順序對試件的失效有很大影響?？煽啃詮娀囼瀸倨茐男栽囼?，為降低試驗費用，試驗一般釆取小樣本（典型4到6個），因此，為盡可能多的從小樣本中獲取盡可能多的信息，應先施加破壞性比較弱的應力類型，然后施加破壞性比較強的應力類型。對于熱應力、振動應力、電應力而言，這意味著試驗按照這樣的順序進行：低溫、電應力、高溫、快速溫變、振動，然后是電應力、溫度和振動綜合應力。3.2.3試驗停止原則可靠性強化試驗是通過不斷地增加應力量級，不斷重復“試驗一修正一再試驗”這一過程，從根本上提高產品的可靠性。在試驗階段，當出現以下三種情況則可停止本階段試驗：全部零件都失效；應力水平遠遠超過了所要求的應力水平；新的失效機理或不相關失效開始出現。對于整個試驗過程，不斷重復“試驗一修正一再試驗”并不意味著試驗過程永不休止，圖3.5所示的是可靠性強化試驗帶來的經濟效益與試驗費用之間的

關系，由圖中可以看出，當試驗達到一定階段，繼續(xù)試驗所帶來的經濟效益將不再有顯著性的增長，此時應及時停止試驗過程。經濟說總經濟說總曲熟產品試驗費用圖35可靠性強化試驗中費用效益關系3.3氣體傳感器可靠性強化試驗方案設計氣體傳感器可靠性強化試驗的目的是通過對受試產品施加強化應力，暴露產品設計、工藝、材料和元器件等方面的各種缺陷，利用可靠性強化試驗數據對氣體傳感器進行可靠性評估，并得出氣體傳感器的可靠性特征值。本文以LNG氣體傳感器為研究對象，該氣體傳感器技術狀態(tài)基本穩(wěn)定，并具備產品技術規(guī)范要求的功能和性能，其主要技術參數如下：額定電壓5VDC,測量范圍0%?2%(V/V),額定輸出1?3.0VDC,精度S±5%FS,響應時間S20s。3.3.1試驗方案設計為了達到通過試驗發(fā)現產品溫度、振動、沖擊及電應力工作極限，進而找到產品工作破壞極限，為恒定應力試驗設計確定提供依據，本次可靠性強化試驗采用如圖3.6所示的方案開展實驗。首先，在進行溫度、振動及沖擊步進應力試驗前，應對可靠性試驗設備進行空載測試，了解試驗設備對溫度、振動及沖擊應力的控制情況，從而確定產品在設備中的擺放位置。第二，投入兩組試驗樣本，對其實施高、低溫溫度步進應力試驗，用以發(fā)現產品溫度工作極限及破壞極限。第三，若在溫度步進應力試驗中沒有發(fā)現產品的溫度破壞極限，則將溫度步進應力試驗中的全部試驗樣本投入振動步進應力試驗。否則，重新投入一組樣本，尋找產品振動工作極限和破壞極限。第四，在產品電應力步進試驗中，重新投入兩組試驗樣本，用以尋找電應力工作極限和破壞極限。第五，若在電應力步進試驗中沒有發(fā)現產品的電應力破壞極限，則將電應力試驗步進中的全部樣品投入沖擊步進應力試驗，否則，重新投入一組試驗樣本，尋找產品沖擊應力的工作極限及破壞極限。第六，對產品步進應力試驗結果進行失效分析，尋找與正常環(huán)境下失效機理一致的強化應力，并根據步進應力試驗結果制定恒定應力試驗方案，對產品進行壽命試驗，為產品的可靠性評估提供統(tǒng)計數據。3.3.2試驗剖面設計溫度應力試驗基于常規(guī)試驗設備的溫度強化試驗包含低溫和高溫步進應力試驗。試驗前需根據產品的情況設定高溫和低溫的截止溫度，當達到截止溫度后還沒有發(fā)現產品的破壞極限，則可以停止此步試驗，將樣本投入下步試驗。a)低溫步進應力試驗投入試驗樣本3個，從10°C開始，步長為-10°C,釆用設備最高降溫速率。每個階段在溫度穩(wěn)定后開始功能和性能測試，之后進行5次通斷電測試，保證每次測試其功能和性能可以完全恢復。當產品性能出現較大變化時，改變步長為-5°C,直至找到工作極限,當找到工作極限后將步長改為-2°C,直至找到破壞極限，試驗剖面如圖3.7所示。(nun)圖3.7低溫步進試驗剖面圖注：匕表示溫度穩(wěn)定時間(產品完全冷透所需要的時間)，t?表示功能性能檢測和5次通斷電測試時間。b)高溫步進應力試驗投入試驗樣本3個，從30°C開始,步長為+10°C,采用設備最高升溫速率。每個階段在溫度穩(wěn)定后開始功能和性能測試，之后進行5次通斷電測試，保證每次測試其功能和性能可以完全恢復，直至找到被測產品的工作極限，當找到工作極限后將步長改為+2°C,直至找到破壞極限，試驗剖面如圖3.8所示。圖38高溫步進試驗剖面圖注：b表示溫度穩(wěn)定時間（產品完全熱透所需要的時間），t?表示功能性能檢測和5次通斷電測試時間。（2）步進應力振動試驗試驗在常溫下進行，投入6個樣本。起始振動為2Grms,振動頻率帶寬在20Hz-2000Hz范圍內，步長為2?5Grms,使用加速度傳感器監(jiān)測產品的振動響應。每個臺階保持ti分鐘后先進行功能和性能測試，之后再進行5次通斷電測試，保證每次測試其功能可以完全恢復，直至找到被測產品的工作極限和破壞極限。如果振動量值到截止振動量（例如30Gnns）時還沒有發(fā)現工作極限或破壞極限，則可以停止此步試驗。試驗剖面如圖3.9所示，振動譜型釆用GB2423.11-1997《電工電子產品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Fd寬頻帶隨機振動一般要求》中的參考譜型，如圖3.10所示。圖39振動步進試驗剖面圖注：h表示試驗臺振動時間，如表示功能性能檢測和5次上卞電功能測試時間。若應力施加方式為單軸，則持續(xù)時間匕應不小于1Omin,如果是應力施加方式為三軸，則持續(xù)時間h應不小于5min。+33B、、-6JB/otcSX、、-3dK10Hz2000Hz一圖3.10振動應力譜型電壓步進應力試驗電壓步進應力試驗的試驗對象為氣體傳感器氣敏，其包含高電壓和低電壓步進應力試驗。試驗前需根據產品的情況設定高電壓和低電壓的截止電壓，試驗過程中在達到截止電壓后還沒有發(fā)現產品的破壞極限，則停止此步試驗，將樣本投入下步試驗。a)低電壓步進應力試驗投入試驗樣本3個，從2.0V開始，步長為O2V,每個電壓階段保持2min后開始功能和性能測試，試驗直至找到被測產品的工作極限。當找到工作極限后將步長改為O.1V,直至找到破壞極限，試驗剖面如3.11所示。圖311低電壓步進應力試驗剖面b)高電壓步進應力試驗投入試驗樣本3個，從2.2V開始，步長為+0.2V,每個電壓階段保持2min后開始功能和性能測試，試驗直至找到被測產品的工作極限。當找到工作極限后將步長改為O.1V,直至找到破壞極限，試驗剖面如3.12所示。圖312高電壓步進應力試驗剖面沖擊步進應力試驗沖擊試驗的主要試驗設備有落錘式沖擊臺(4萬g以下)和霍普金森(Hopkinson)激光干涉沖擊試驗(4萬g以上)，本文釆取落錘式沖擊臺。投入一組試驗樣本3個，從100g開始，步長+200g,每次沖擊后進行功能和性能測試，試驗直至找到被測產品的工作極限。當找到工作極限后將步長改為100g,直至找到破壞極限，試驗剖面如圖3.13所示。電壓恒定應力試驗根據對氣體傳感器失效機理及步進應力試驗結果分析，發(fā)現電壓步進應力試驗激發(fā)的失效模式與正常環(huán)境下失效模式一致，即在電壓的作用下，出現鉗絲由于高溫而變細、氧化鋁載體表面氣孔減小、催化劑失活等失效模式，故本文采取電應力作為恒定應力的加速應力。本文釆取3組加速應力，根據電壓步進應力試驗結果，選取電壓應力強度分別為2.3V、2.5V和2.8V,每組樣本數7個，釆用完全壽命試驗方法。實時檢測傳感器的工作狀態(tài)，如果發(fā)現傳感器工作失效則記錄傳感器的壽命時間，當產品全部失效后后進入下一級應力試驗，其試驗剖面如圖3.14所示。電壓/V2.8V2.5V2.3V?”小時圖3.14電壓恒定應力試驗剖面3.3.3試驗失效判據參數漂移在LNG氣體傳感器失效模式中占有一定比例。其中本文主要討論零位輸出隨強化應力變化而產生的漂移，根據LNG氣體傳感器的精度指標，LNG氣體傳感器隨強化應力變化零位輸出失效判據為：—<0.5%(3.1)其中：AU為對應強化應力變化所產生的零位輸出變化值；Ufs為傳感器的滿量程輸出。即在強化應力的作用下，傳感器零位輸出變化量超出UfsX5%時，判定為失效。LNG氣體傳感器沒有輸出即輸出為零。3.3.4試驗過程試驗開始前，搭建測試系統(tǒng)，將傳感器安裝在試驗儀器上，測試傳感器的性能信號(傳感器的零位輸出)獲得試樣正常的工作指標(試樣在室溫環(huán)境下零位輸出為IV,傳感器零位輸出的電壓信號隨著環(huán)境的不同，有一定的范圍波動)，并將數據線引出與測試系統(tǒng)相連接從而進行實時監(jiān)測。傳感器在實驗箱儀器上安裝方式見圖3.15。根據LNG氣體傳感器外殼結構，可將傳感器通過螺釘固定在試驗臺(箱)內，測試系統(tǒng)是由恒壓源和高精度萬用表組成。該恒壓源可同時接入10套傳感器，從而實現實時監(jiān)測的功能。

圖3.15氣體傳感器可靠性強化試驗儀器3.4氣體傳感器可靠性強化試驗結果分析3.4.1溫度應力試驗結果分析(1)低溫步進試驗結果分析圖3.16為低溫步進試驗得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。NN孕-SO-40^0-100102030mrc圖3.16低溫步進試驗結果當試驗溫度從20°C開始以10°C的步長下降至?20°C時，傳感器的零位電壓基本保持穩(wěn)定,當試樣在?25°C保溫30min時，電壓突然下降至0.976V。此時，改變步長為?5°C,當試驗溫度為-40°C,保溫30niin時，傳感器輸出不正常。將試驗溫度恢復至室溫后，傳感器的零位電壓輸出恢復正常，由此可得試樣的低溫工作極限為-40°C,比設計規(guī)范要求的下限低15°Co此時，試探性地將溫度以步長為?2°C繼續(xù)降低，當溫度降至-46°C時，傳感器的零位電壓輸出為零，可得傳感器的低溫破壞極限為-46°Co當在室溫下恢

復一段時間后，傳感器輸出正常。經分析表明，出現此現象是由于氣體傳感器氣敏元件內部無法維持正常工作溫度(約500°C),從而導致氣體傳感器無法正常工作。(2)高溫步進試驗結果分析圖3.17為高溫步進試驗得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。FF204060301?0120海血叱圖3.17高溫步進試驗結果當試驗從30°C開始以1O°C的步長上升至11O°C時，傳感器的零位電壓隨溫度的升高而逐漸增加，當試樣在11O°C保溫30miii時，電壓突然上升至1.130V,傳感器輸出不正常。將試樣在室溫下恢復一段時間后，傳感器的零位電壓輸出恢復正常，由此可得試樣的高溫工作極限為11O°C,比設計規(guī)范要求的上限高40°Co此時，試探性地將溫度以步長為2°C繼續(xù)升高，當溫度升至120°C時，傳感器的零位電壓輸出為零，由此可得傳感器的高溫破壞極限為120°Co經分析表明，出現此現象是由于氣體傳感器中單片機出現損壞，從而導致氣體傳感器無法正常工作。將電路板拆下對氣敏元件進行測試，氣敏元件工作正常。3.4.2振動步進試驗結果分析由于產品的差異性，各個產品的工作極限和破壞極限不同。經對損壞的傳感器拆開進行分析發(fā)現傳感器輸出不正常是傳感器的氣敏元件在振動應力下開裂，導致敏感體熱容下降，敏感體溫度上升，輸出變大，如圖3.18所示。圖3.18敏感球失效照片由工作極限應力的定義可知，產品工作極限應力和使用環(huán)境應力之間的關系決定產品能否正常工作，設產品的工作極限應力為S,使用環(huán)境應力為E。在實際工作過程中,S和E都是隨機變量，分別服從某種分布，設其分布函數分別為f(S)和h(E)o將兩者在同一坐標系中表示，如圖3.19所示。當S的均值大于E的均值時，在圖中陰影部分的干涉區(qū)域就有可能發(fā)生S小于E的情況，即失效的情況，則產品的可靠度表示為：R=P(S>E)=P(S-E>0)d八圖3.19應力強度干涉模型由于E與S都是隨機變量，假設它們之間互相獨立，且S服從參數為均、于的正態(tài)分布；E服從參數/、加的正態(tài)分布。令Z=SHE,則Z服從參數為/z=/z1-/z2,/=另的正態(tài)分布。此時，產品的可靠度為：17(z-〃)2R=P(Z>0)=^^expI-^-42]dZ(3.3)^2兀bi2b對于本文所用的LNG氣體傳感器工作環(huán)境為公路運輸環(huán)境，根據GJB150.16,其環(huán)境應力強度大致服從N(1.29,0.13?)的正態(tài)分布。由試驗測得6個試件的工作極限(均方根值，單位Guns)分別為：19,17,26,12,15,16則樣本均值和方差分別為17.5、22.7o分別利用樣本均值和方差估計產品工作極限應力分布參數均、of,根據(3?3)式可

得產品的可靠度為:得產品的可靠度為:175-I29R=P(Z>0)=0(_：_=)=0.9996V22.7+0.1323.4.3電壓步進應力試驗結果分析圖3.20(a)為電應力步降試驗得到氣敏元件零位電壓輸出幅值變化圖。圖3.20(b)為電應力步升試驗得到氣敏元件零位電壓輸出幅值變化圖。>￡、「、UnesFllofB□nearFllofB>￡、「、UnesFllofB□nearFllofB(a)(b)圖3.20敏感體零位電壓輸出幅值變化圖當試驗從2V開始以0.2V的步長下降時，氣敏元件的零位電壓輸出隨之升高，當電壓降低至1.4V時，氣敏元件輸出上升至1.881I1V,在正常電壓應力下恢復一段時間后，氣敏元件輸出恢復正常。本階段試驗表明，氣敏元件電壓的工作極限下限為1.4Vo考慮到繼續(xù)降低電壓不能尋找到氣敏元件破壞極限，故停止步進試驗。當試驗從2.2V開始以0.2V的步長增加時，氣敏元件的零位電壓輸出隨之降低，當電壓升至2.4V時，氣敏元件輸出下降至-3.03111V,在正常電壓應力下恢復一段時間后，敏感體輸出恢復正常，由此可知氣敏元件工作電壓的工作極限上限為2.4VO之后，試探性的繼續(xù)增加電壓值，當電壓升高至4.6V時，氣敏元件電壓輸出為IV?；謴偷秸ｋ妷汉?，氣敏元件輸出不正常，因此，確定氣敏元件電壓破壞極限為4.6V。將損壞的氣敏元件解剖分析，發(fā)現加熱絲已燒斷，如圖3.21所示。

圖3.21敏感體失效照片3.4.4沖擊步進試驗結果分析圖3.22為沖擊步進試驗得到傳感器零位電壓輸出幅值變化圖。[SbI086^21oQ0.O?2-086^21oQ0.O敏感體完好基片震碎正常情況工作極限情況基片震碎敏感體完好基片震碎正常情況工作極限情況基片震碎并脫離戶」效情況020GMO6G0BOD10DO120014CO沖擊應力g圖3.22沖擊步進試驗結果當試驗從100g開始以200g的步長上升時，傳感器的零位電壓輸出基本保持不變，

當沖擊量值增加到HOOg時，傳感器輸出突然下降至0.863V,在正常環(huán)境恢復一段時間

后，傳感器輸出基本穩(wěn)定。經解剖分析，氣體傳感器基片碎裂，導致氣體傳感器輸出異常，如圖3.23所示。敏感體引

線斷開圖3.23敏感體失效照片本階段試驗表明，試樣的沖擊工作極限為1100g,之后，試探性的改變步長為100g,

當沖擊量級為1300g時，傳感器輸出為0V。經分析發(fā)現，氣體傳感器的敏感體引線斷裂，基片震碎并脫離，導致傳感器輸出為0。3.4.5電壓恒定應力試驗結果分析按照電壓恒定應力試驗剖面進行傳感器的電壓恒定應力試驗，得到三組強化應力下LNG氣體傳感器失效時間如表3.1所示。表31傳感器在各電壓應力卜失效時河表格效時間/h應力金卜、、tlt2t3t4t5t6t72.8V0.8333116671.66672.00002.16673.00003.66672.5V1421.525.530.54142.55152.3V76120164192228264388在試驗過程中各失效傳感器的主要失效模式是傳感器零位輸出漂移嚴重。出現上述失效模式主要原因是電壓所產生的高溫環(huán)境不僅影響了氣敏元件內加熱絲電阻，而且使傳感器氣敏元件內AI2O3載體氣孔率減小，催化劑及Pt膜電阻被遮蔽，從而使傳感器零點輸出漂移。3.5本章小結本章根據可靠性強化試驗的原理對LNG氣體傳感器開展了可靠性強化試驗。以氣體傳感器典型的工作環(huán)境為依據，以加速氣體傳感器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)為目的，并根據強化應力不改變傳感器的失效機理或引入新的失效機理的原則，確定了具體的可靠性強化試驗方案，通過對試驗樣品的分析表明強化應力不僅沒有改變傳感器的失效模式，并且加快了傳感器的失效過程，縮短試驗時間，提高試驗效率。并選取電應力作為強化應力，對21個LNG氣體傳感器的氣敏元件進行了恒定應力試驗，得到了三組加速失效壽命數據，從而為可靠性統(tǒng)計分析及評估奠定基礎。4氣體傳感器恒定應力試驗數據統(tǒng)計分析本章在上一章對氣體傳感器恒定應力試驗的基礎上，對試驗數據進行了統(tǒng)計分析，確定了加速壽命方程參數。通過環(huán)境因子理論將不同環(huán)境下的壽命數據折合到同一環(huán)境，研究了同一環(huán)境下有限數據壽命分布評價方法，最后利用極大似然法對正常應力水平下傳感器壽命進行了評估。4.1基本假設為了得到產品可靠性特征值，需對試驗數據進行統(tǒng)計分析，對于大子樣數據的處理已有一套較成熟的方法卩7][6叮61],即經典的數值分析方法，首先統(tǒng)計壽命服從何種分布,然后根據試驗