厉召玉 张永飞

1. 中国长峰机电技术研究设计院，北京 100039；2. 山东省临沂市莒南县应急管理局，山东临沂 276699

0 引言

产品的质量至少应包含技术指标、性能指标和可靠性指标3部分。技术指标和性能指标又被称为显性质量指标，即产品出厂时的质量指标，是在纸面上明确规定的；可靠性指标又被称作为隐形质量指标，该指标是必须经过长期使用或者特殊试验才可获得的质量指标[1]。上述3项指标相辅相成，对产品质量的构成缺一不可，对于倾角传感器同样如此。对于倾角传感器的技术指标、性能指标，通常有明确的、量化的指标要求，在产品出厂时可以直接测量、检验；而对于可靠性指标，一般不能实施直接测量、检验，需要对产品的研发、生产全过程进行可靠性设计和控制，才能确保可靠性指标满足要求。本文主要针对倾角传感器在研发、生产和使用阶段的可靠性监督与控制、设计与评价和试验等方面展开论述。

1 可靠性设计的基本原则

为使倾角传感器达到规定的可靠性要求，满足传感器在角度测量时的完好性和任务执行的成功性要求，保证资源要求和寿命周期维护费用达到最优。倾角传感器的可靠性设计在研发、生产、使用阶段应按照以下原则实施：

（1）遵循预防为主，早期投入方针。由于倾角传感器的可靠性隐性指标，设计时只能将预防作为重点，在设计和生产过程中分析影响可靠性的因素，落实可靠性设计措施，改进设计；

（2）新型号传感器研制过程中要将研制工作与可靠性工作统一规划，协调进行；

（3）在新型号传感器设计过程中，应尽可能使用成熟设计，控制好新设计和新技术在传感器中所使用的占比，分析同类产品使用中的可靠性缺陷，有针对性地进行改进，以提高新型号传感器的可靠性；

（4）在新型号传感器软件开发过程中，严格按照软件管理控制要求进行，规范软件版本控制和代码书写规范；

（5）监督和控制好传感器的研制和生产过程，对传感器研制和生产的重要环节进行可靠性评审、评估。

在倾角传感器研制过程中，依据倾角传感器的技术要求，需做好传感器的可靠性指标论证以及合理的指标分配，做出充分预计之后进行合理设计，做好元器件选用控制和可靠性试验等项目，统一协调可靠性设计和管理工作，将其统一纳入传感器的整体研制计划。

2 可靠性设计

倾角传感器研制阶段可以分为论证阶段、方案阶段、研制阶段和定型阶段。根据倾角传感器的技术要求，在论证阶段确定传感器的MTBF的任务值θS，依据传感器产品的可靠性水平，对θS进行初步论证[2]。根据相关文件（GJB450A—2004）编制行之有效的可靠性大纲。

研制的倾角传感器处于方案阶段时，要根据倾角传感器战术技术指标设计，制定出传感器的功能框图。根据编制的倾角传感器框图，分析出框图中的内在逻辑关系，从而编制出新研制倾角传感器的可靠性框图。按照倾角传感器的可靠性框图，参考已经定型的传感器预计结果，将可靠性指标分配至传感器的各个子系统中，或者把技术要求上的可靠性指标加权分配，分配之后的结果必须满足整机系统的可靠性指标。

在完成可靠性框图编制和可靠性指标分配后，根据GJB/Z299B—1998和MIL—HDBK—217F两个文件中的分析方法，对硬件电路中使用到的元器件预计出可靠性预计值θP[2]，根据已经得出的θP值，对硬件电路中影响传感器可靠性的部分进行设计更改，最后把根据倾角传感器技术要求编制的功能框图、可靠性框图、可靠性分配指标和可靠性的预计结果进行阶段性的评审，以便于对影响传感器可靠性的缺陷再次进行设计改进。在倾角传感器进行可靠性设计时，其设计需要考虑的方面如图1所示。

2.1 硬件电路可靠性设计

倾角传感器进入研制阶段后，根据方案阶段编制的功能框图，结合可靠性框图进行硬件电路的设计。在硬件电路可靠性设计时，需要考虑的方面如图2所示。

硬件电路设计过程中，元器件是电路可靠性设计的基础，在进行硬件电路设计选取元器件时应遵循以下原则：

（1）尽可能地少使用或者不使用未定型或新定型的新产品，若在部分硬件电路中无法找到替代的新元器件，新元器件必须有质量认证，避开使用到高失效率的新型元件；

（2）购买元器件时，应使用《合格供方名单》中的元器件，无法在该范围购买的部分元器件，从拥有认证报告和相关审批手续的供应商处购买。

设计硬件电路过程中要求特别注意电子元器件的使用，考虑到要达到规定的传感器可靠性指标，要求使用元器件时进行降额设计。对硬件电路设计时要统筹考虑，对电路的各个子系统进行详细分析计算，掌握每一个元器件特性以便于对其工作时的电压、电流、功率以及温漂和工作环境进行全面考虑。与此同时，对于电子元器件的体积大小、可靠性、重量和使用性价比作出权衡。

除此之外，在倾角传感器功能框图编写过程中，传感器各个子系统的电子元器件和功能电路应尽量使用经过实践检验的成熟电路，尽可能地少使用新型号元器件和功能电路。硬件电路设计过程中，在满足倾角传感器技术要求上的性能的前提下，要将传感器硬件设计方案和各个子系统硬件电路尽可能地简化。在进行某些微小的新性能的改进时，不应当增加复杂电路和元器件，从而造成传感器可靠性指标有一定的减少。通常使用以下几种方法进行传感器硬件电路的简化设计：

（1）尽量体现硬件电路的继承性；

（2）优先使用标准电路和组件，尽可能地压缩电路、电压种类和数量；

（3）使用集成化较高的电路。

裕度设计又称为“漂移设计”。在实际的传感器硬件电路中，由于不同的环境、负荷的变化以及设计时的工差等一系列原因造成传感器的漂移性故障，因此，在硬件电路实际设计中应当融入裕度设计，其具体情况如下：

（1）传感器硬件电路设计时将功率裕度设计考虑进去。倾角传感器使用过程中，要求传感器使用时达到一定的容限安全系数，这就要求传感器中各个子系统都有相对应的功率裕度，一般子系统的功率裕度要求达到20%～30%，特殊部位（例如电源位置的元器件）甚至达到要求的50%。传感器各个子系统的功率裕度要根据其可靠性指标进行相应调整；

（2）传感器硬件设计时应考虑到电路模块工作状态。设计传感器的硬件电路时要考虑到电路模块的状态工作点，使得传感器的硬件电路工作在各个电路模块的稳定区域，即元器件工作于参数稳定区；

（3）传感器硬件设计中融入电路温度补偿。选取电子元器件过程中，应尽量选取温度系数能够互相补偿的元器件组合使用，或者是使用其他的补偿措施对硬件电路进行温度补偿。

在硬件电路设计完成后，数据传输之前，要求检查硬件电路中元器件的完好性，以保证传感器上电后，各个单元之间数据传输的正确完好。除此之外，要进行极限检测和合理性检测硬件电路中所有的模拟以及数字输入和输出。

2.2 软件程序可靠性设计

在进行传感器的硬件接口软件设计时，首先要考虑到外部输入或者输出设备的失效检测，并且在检测到失效发生时，软件可以使接口恢复到某一个安全状态，而且还要求对所涉及到的硬件失效模式加以考虑。在传感器进行数据传输时，为了保证接收方接收到的数据真实可靠，要求发送方发送的数据使用特定格式和内容，以便于发送方和接收方使用约定的方法进行校验。软件设计过程中，其可靠性设计结构如图3所示。

在进行传感器的软件程序编写时，首先要考虑的就是软件的健壮性。在软件的健壮性设计中：第一，倾角传感器的电源模块在加电瞬间有可能会出现间歇性故障，从而使倾角传感器进入潜在的不安全状态，为了避免出现这种状态，就要求软件在传感器电源出现失效时安全地关闭传感器，另外，倾角传感器的供电电源有可能会出现不正常的波动，同样要求软件对其加以处理；第二，软件设计必须考虑到传感器在上电时进行一次自我检测，验证传感器系统本身是安全的，而且可以正常运行，在必要的时候，传感器可以进行周期的自我检测；第三，倾角传感器需要在电磁辐射、静电干扰等环境中正常工作，这就要求传感器硬件电路设计时根据技术要求加以处理，从而使得传感器可以将外界干扰控制在规定的范围内，当出现外界干扰时，软件再次复位处理，使得传感器仍然可以正常运行。

其次，在编写传感器运行程序时要对其进行余量设计。在保证软件各个模块的存储容量和数据通道传输能力的同时，还要对倾角传感器的软件余量加以规划，以确保软件余量满足要求。根据软件运行时各个子系统的具体状态，确定软件的各种周期和各工作时序的安排，以保证软件工作时序之间预留出足够的余量。

最后，要考虑传感器程序编写时的数据定义。在对软件运行过程中的数据进行定义时，要保证定义的数据必须在合理的范围内，从而使传感器在运算数据过程中保证数值的大小和误差在规定的范围内，以保证数据运算的精度。另外，还要在软件的入口、出口以及其他关键位置进行合理性检查。

2.3 结构可靠性设计

倾角传感器的结构除了起到对外界环境应力的保护之外，其电磁兼容性也主要是在传感器的结构方面进行优化。现代条件下，电磁干扰无处不在，在此环境下要使传感器正常运行，就要求传感器在硬件电路、整体结构、制造工艺等方面进行优化，以达到降低传感器对于干扰的灵敏度，从而使外部进入和内部泄露的电磁干扰可以控制在一个可接收的范围内。对于“场”（静电场或磁场）和“路”（传输线路或电路）两种干扰才用以下方法解决电磁兼容方面的问题：

（1）采取屏蔽设计。为了减小“场”耦合而引入的干扰，传感器主要是在合适的地方进行静电屏蔽和电磁屏蔽以进行电磁兼容；

（2）使用接地设计。对于不方便使用屏蔽设计的部位，要尽可能地使接地各自形成回路，从而使得各单元之间通信信号和地之间的电流形成耦合。另外，在进行地线布线的时候，要选用合适的位置、形状和方式，从而使接地电流达到最优；

（3）选取高频滤波设计。传感器对于外部和内部产生的高频干扰，需要选取合适的滤波器实施对干扰的屏蔽和隔离，从而达到减小电磁干扰的目的。

2.4 工艺可靠性设计

工艺可靠性设计主要分为印制板可靠性设计、电气互连设计和“三防”设计。印制电路板的可靠性设计要求整个电路板布局合理，单个功能模块或者功能电路尽可能地放置在一个面板上，这样对于后期的故障排查和维修具有较大便利。电路板上面要合理安排电路，各级电路之间按照原理图的分布进行排列组合，将传感器的输入端和输出端分开布置，模拟电路模块和数字电路模块进行必要的隔离，尽可能地做到布局及布线合理，抑制寄生耦合电磁干扰的产生。在电路印制板上放置电子元器件时，要求尽可能地做到适合视力检查整个电路印制板，方便电子元器件标称值的检查和故障定位。在电路印制板上放置大而重的元器件时，要对其进行加固处理，防止因传感器的振动、冲击造成元器件损坏而使传感器无法正常运行。

电气互连设计要求传感器工艺规范中明确元器件的装焊温度和时间，插装元器件的焊接规范和焊接操作人员的操作条件。“三防”设计要求研制人员对传感器的使用环境进行充分了解，掌握传感器使用环境的特点以及变化规律，分析传感器在其使用环境中出现故障的应力条件，最终可以选取适合该传感器的防护结构、材料以及传感器制造的工艺[3]。

2.5 可靠性评估与改进

可靠性信息的收集是倾角传感器进行可靠性评估和改进的前提和基础。在收集传感器可靠性信息时，要求重点收集传感器在客户方的使用信息、维修信息、贮存信息以及运输过程中所产生的信息，这些信息主要记录传感器工作时长、故障记录、维修记录、检测数据记录以及传感器的使用环境记录等。通过将客户收集到的可靠性信息，对传感器进行全方位的评估，为之后的改进和完善工作打下坚实的基础，同时可以为未来新型号传感器的研制提供参考信息。

完成可靠性信息收集后进入可靠性评估阶段。可靠性评估分为两个阶段：第一阶段是初始可靠性评估；第二阶段是后续可靠性评估。以客户在实际使用倾角传感器时收集到的可靠性信息为基础，评估传感器正常工作时达到的可靠性水平，从而验证传感器的可靠性是否达到技术要求[4]。对传感器的使用可靠性评估完成后，编制使用可靠性报告。

在倾角传感器可靠性改进过程中，明确传感器在实际使用过程中所显现的问题是关键，结合现行情况下传感器技术发展状况，通过特定试验和分析，确定传感器在可靠性方面的改进措施，从而达到进一步提高传感器可靠性水平的目的。通常使用更改传感器设计、选取更合适的制造工艺、使用更为高效的维修方法、改进保障系统和保障资源等方案来完善倾角传感器。

3 结论

本文通过对倾角传感器在研发、生产和使用过程中的可靠性进行分析，给出了传感器可靠性设计的基本原则，将倾角传感器的可靠性设计融入到传感器的研发和生产中；通过客户在倾角传感器使用过程中的可靠性信息收集，进行传感器可靠性评估，最后完成倾角传感器的可靠性改进。