航空用壓力傳感器可靠性研究

引言

隨著我國綜合實力的提升，我國的航空制造技術在近年來取得了很大的進步。但是在當前的國際環境中，其他國家的航空制造技術也在突飛猛進的發展，給我國航空業的發展帶來了很多的壓力。在目前形勢下，國內許多領域的發展對航空業提出了更高的要求, 故航空制造業需要加強自身技術水平的提升和制造能力的提升，適應國內、國外發展的需要。

壓力傳感器的可靠性（Mean time between failure，平均故障間隔時間）是指在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力，可靠性是對壓力傳感器投入使用時可靠性工作能力的度量，通常用失效率來表示。^[1]壓力傳感器是對壓力進行測量，并把壓力通過一定的規律轉換成電信號，從而壓力傳感器就成為測量這一信號的重要元器件，被廣泛地應用在航空制造業壓力傳感器的可靠性直接關系著航空系統性能和質量，影響著工作效率以及經濟效益，甚至會帶來嚴重的人身安全問題，故航空用壓力傳感器的可靠性研究是十分重要的，提高航空用壓力傳感器的可靠性也迫在眉睫。

1   壓力傳感器概述

1.1 主要組成（見圖1、圖2）

壓力傳感器是由壓力接口、壓力敏感元件以及信號輸出三部分組成，壓力接口為金屬部件，壓力敏感元件主要由壓力敏感電橋、燒結管殼、填充陶瓷、金屬膜片、焊環五部分組成，信號輸出部分由引出信號輸出線和PCB電路板組成。

圖1 壓力傳感器組成圖

圖2 壓力敏感元件組成圖

1.2 主要功能（見圖3）

壓力接口：傳遞壓力，減緩壓力輸送；

壓力敏感元件：感受壓力信號將其轉換為成比例的電壓信號；

信號輸出：引出信號輸出線，輸出電信號。

圖3 壓力傳感器功能框圖

2 壓力傳感器工作原理

壓力傳感器通過引線接入壓力敏感電橋中，當傳感器受壓后芯片電阻發生變化，電橋失去平衡，金屬膜片產生與介質壓力成正比的微位移，產生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉換成電信號，若給電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電壓信號，這樣，傳感器的電阻變化就通過電橋轉換成壓力信號輸出。電路原理（圖4）是由4個敏感電阻組成惠斯登電橋^[1,6]。

圖4 電路原理圖

3 可靠性模型建立

可靠性模型是對系統及其組成單元之間的可靠性 / 故障邏輯關系的描述，包括可靠性框圖及其相應的數學模型。根據 GB-T 37963—2019《電子設備可靠性預計模型及數據手冊》^[5]，建立如下模型。

3.1 建立壓力傳感器可靠性框圖（見圖5）

明確各單元之間的可靠性邏輯關系，進行可靠性定量分配和計算，發現設計中的薄弱環節，為設計決策提供依據，以改進設計。

圖5 壓力傳感器可靠性框圖

3.2 建立可靠性數學模型

由圖 3 可知，壓力傳感器的可靠性模型為串聯模型，且各單元間是相互獨立的，故其可靠度 ^[2] 為：

 壓力傳感器的失效率等于各單元的失效率之和。

4 可靠性計算

4.1 壓力接口

壓力接口為結構連接的機械金屬零件，不存在損耗性失效。其失效率暫無統計數據。壓力底座參照《NPRD-3 非電子零部件可靠性》^[4] 手冊規定的連接件（普通焊接）使用環境（A）（注：無 A_UF 使用環境的統計數據），其工作失效率為 λ_p11= 0.024×10^-6 / h。

4.2 壓力敏感元件

壓力敏感元件由壓力敏感電橋和燒結管座組件組成。

5 結果分析

5.1 計算結果分析

從上述預計計算結果，壓力傳感器的 MTBF 預計值 為 1 005 498 h，可靠性預計僅僅是較粗略的估算，要確保壓力傳感器的可靠性滿足要求，還須進一步分析影響其可靠性的薄弱環節，并針對薄弱環節采取必要的設計或工藝改進措施，逐步提高壓力傳感器的可靠性水平。

5.2 薄弱環節分析

將壓力傳感器各組件的失效率進行對比分析，壓力敏感元件最高，故壓力敏感元件是壓力傳感器的薄弱環節，在研制的各個環節應采取相應措施，確保產品的可靠性指標滿足要求。

5.3 主要保證措施

1）嚴格控制壓力敏感元件關鍵工序的操作過程，加強各工序質量檢查；

2）對壓力敏感元件進行壓力交變和氣密性檢查試驗，剔除故障產品；

3）壓力敏感元件封裝時，注意信號輸出端引線的連接、焊接質量，加強檢驗，避免斷路和虛焊現象發生；

4）壓力傳感器按照測試和篩選要求進行試驗篩選，剔除早期故障件。

6 結束語

壓力傳感器的國內外市場需求越來越大，對可靠性的要求也越來越高。本文對某航空壓力傳感器可靠性進行了分析、計算和研究，從數據分析可見，控制薄弱環節生產質量勢在必行，加強自身的技術水平和質量控制可進一步提高壓力傳感器可靠性。綜上分析，可見我們對壓力傳感器可靠性的高度重視，以提高壓力傳感器的可靠性、可防止故障和事故的發生、延長壓力傳感器的使用壽命、提高飛機的安全性能，同時，可降低成本，提高經濟效益，提高壓力傳感器的綜合質量，滿足航空用戶更高的要求。