1、第 1 页 共 37 页弹载测试系统的可靠性设计摘要本文针对高 g 值冲击下导弹加速度的测试问题，对弹载测试系统的可靠性进行分析。做出了可靠性设计。首先，学习了了可靠性理论，了解了几种典型的可靠性模型。分别用基本可靠性分析法和故障树分析法对弹载测试系统进行了分析。推导出了系统可靠性的计算公式。 其次，利用 Hopkinson 杆实验装置对电池进行了 100000以上的加速度冲击筛选，对电池的抗高 g 值冲击性能进行了研究。讨论了电池在高过载冲击环境下的失效机理，找出了高冲击测试中电池的防护措施。最后，针对弹载加速度存储测试仪器的高 g 值工作环境，研究了弹载测试电路模块的抗高冲击设计方法，包括
2、非线性缓冲理论的研究、缓冲材料的选择、缓冲器件的设计等.研究了不同密度、不同孔径的泡沫铝，缓冲吸能特性，采用泡沫铝对电路模块进行缓冲保护。关键词：弹载测试系统， 可靠性 ，高冲击， 缓冲保护第 2 页 共 37 页The reliability design of missile test system abstractIn this thesis，the following aspect of researches are performed about the acceleration on-board memory test in high g shock The study of th
3、e ammunition electronic instrument (test instrument) reliability analysis；First, put forward the theory of reliability, several typical models of reliability. Using basic reliability and fault tree analysis for the missile test system is analyzed. The reliability of the system is deduced calculation
4、 formula. Second, the battery was impacted of more than 1 00000g acceleration with Hopkinson bar，the battery of antiimpact properties of high g values were studiedDiscussion of the battery at higher than the impact of the environment is contained under the failure mechanism. And，proposed a high impa
5、ct storage battery test protective measuresThe last, for the high g shock environment of on-board memory acceleration test equipmentThe paper have put forward anti-high shock design measures about circuit modulus，including the super non-linear shock mitigation mechanism researches，the mitigation mat
6、erial selection，and buffers design The study of different density, the bubble diameter aluminum, buffer energy-absorption ability, using foam aluminum of circuit module bufferingKeyword: missile test system，Reliability ，High impact，Buffering第 3 页 共 37 页1.绪论11 本课题研究工作的目的及意义随着科学技术的发展，先进技术在武器装备上的广泛应用，各
7、种武器系统的复杂程度日益提高，武器测试可靠性的军事价值和经济价值越来越被人们所认识，使得可靠性工程这门涉及面十分广泛的综合性学科，得到了迅速的发展。现代战争中，出现了各种高强度、不同形式的防护目标，如机场跑道、机库、航母和高级指挥要地等，为了攻击这些高价值目标，一些“智能型 的钻地弹药相继出现。为了在弹体达到对目标的最大毁伤效果时引爆，要求弹载测试系统既具有识别不同目标的能力，又能抵抗穿过各种软硬不同形式的防护层时产生的多次高冲击。另外，电子引信和弹载电源，能否在不同着角下，抗多次高过载是一个关键。因此，要使引信在高冲击下适时作用，就必须现场测试侵彻过程的加速度信号。另外，战斗部在承受高 g
8、值加速度过载时，炸药可能因自身的惯性力而自炸，从而影响毁伤效果，这也要求在弹体研制阶段对弹体进行侵彻过载测试。在动能弹侵彻实验中，侵彻过程的加速度时间曲线是一个重要的被测参数。在弹体对硬目标侵彻中，弹上的电子装置将承受几万甚至十万个 g 以上的加速度，这可能导致电子装置的失效，造成不可挽回的损失。采用弹载测试系统测取弹体侵彻硬目标过程中的高 g 值加速度时，由于诸多原因 (电路模块、电池损坏，传感器、电源导线断裂等)使弹载测试系统的可靠性下降，甚至使测试数据丢失。为了尽量减小损失，最大限度地降低现场试验的风险，提高数据的捕获率，在实弹现场射击之前，利用高 g 值冲击加速度实验模拟装置对测试系统
9、的电路模块、测试装置进行高 g 值冲击考核，使可能存在的问题尽早暴露，并采取措施加以解决，从而提高弹载测试系统的可靠性和恶劣环境中的存活性。因此，有必要对测试系统的可靠性进行研究。12 当前国内、外研究动态可靠性是研究产品质量指标随时间变化规律的一门综合性学科，其涉及面十分广泛，如数学、物理、管理学、心理学、各种工程技术等，仅数学基础理论就包括概率论与数理统计、随机过程、运筹学、模糊数学、生存分析、测度论等。第 4 页 共 37 页可靠性研究的任务是:寻找合理的产品结构、合理的可靠性分配、预测产品的技术状态、故障诊断，以及如何在恶劣的使用条件下保证产品的工作能力。可靠性理论与技术从四十年代出现
10、到现在，经历了萌芽、创建、发展和成熟几个阶段，成为系统工程理论的重要分支。在它的发展历程中，自始至终与武器装备发展紧密相连。1.2.1 国外研究状况20 世纪 40 年代，由于各种复杂电子设备的相继出现，电子设备的可靠性问题严重地影响着装备的效能，出于军事装备效能研究的目的，美国首先在 1943 年成了电子管研究委员会专门研究电子管的可靠性问题。主要讨论采用新材料及工具、发展质量控制及检验统计技术来提高电子管可靠性的途径问题。50 年代，为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国国防部于 1952 年成立了由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组，并开始有计划地从装备的设计、
11、试验、生产和使用等全面地实施了一个可靠性发展计划，并于 1957 发表了军事电子设备可靠性的研究报告，从此奠定了可靠性研究发展的基，标志着可靠性己成为一门独立的学科。60 年代，在各种军事装备的设计研制程中，可靠性理论不断成熟，特别是有关电子设备可靠性分析与设计、可靠性分配与预计、故障模式及影响分析、故障树分析、冗余设计、可靠性试验与鉴定、可靠性评估等理论和方法有了全面的发展。英、法、日及前苏联等工业发达国家都相继开展了可靠性的研究工作。70 年代后，可靠性研究更加系统化，不仅在可靠性设计与计算方面有进一步发展，同时在可靠性政策、标准、手册的制定等面也取得了进展。进入 80 年代以来，可靠性研
12、究向着更深、更广的方向发展。技术上，深入开展了机械可靠性、软件可靠性以及光电器件可靠性和微电子器可靠性的研究，全面推广了计算机辅助设计技术在可靠性领域的应用。同时积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。国外可靠性技术研究成果对导弹武器的发展产生了巨大的推动作用。不仅极大地提高了导弹的战术技术性能和作战效能，而且拓宽了导弹的作战用途。二战末期，德国的 V1 导弹设计者皮鲁契加和鲁塞尔等人利用概率论的知识，提出了 V-1 飞弹的可靠性串联模型，成了最初的可靠性理论著作。此后，美国人的可第 5 页 共 37 页靠性技术始终处于领先地位，而且具
13、有代表性，特别是在航天、航空领域取得了长足的发展。1.2.2 国内研究状况我军兵种武器装备的可靠性工作，由于多种因素的影响和制约，相对来说起步较晚，发展也比较迟缓，上个世纪七十年代以一前基本上是空白。进入上世纪80 年代以后，武器装备的可靠性问题，作为一个具有明确内涵的新概念，才在我国逐步被认识、接受、并普及开来。特别是我国武器装备研制和使用维修实践中出现的许多重大质量问题，更进一步加深了对可靠性维修性保障性重要作用的认识，促进了可靠性、维修性、保障性工作的发展。陆续编译出版了一批可靠性维修性保障性文献资料，制定了一批急需的可靠性维修性保障性军用标准、手册，颁布了若干有关可靠性、维修性、保障性
14、工作的指令性文件，如 GJB368装备维修性通用规范 、GJB450 装备研制与生产的可靠性通用大纲 、GJBI371装备保障性分析以及国防科工委关于加强可靠性维修性工作的若干规定 、 关于进一步加强武器装备可靠性维修性工作的通知等。在型号研制工作中也正在逐步贯彻落实可靠性、维修性、保障性要求。但从总的情况来看，兵种武器装备的可靠性工作还存在不少问题。特别是近年来研制发展的兵种武器装备的技术性能都有比较明显的提高，但由于有些装备在研制过程中没有明确的可靠性、维修性、保障性要求。有些装备虽提出了可靠性、维修性、保障性要求，但在研制过程中没有约束机制和保证措施，可靠性要求并没有在工程研制中真正落实
15、，致使许多装备的可靠性维修性保障性水平不高，甚至有的还有下降的趋势。从兵种武器装备的质量状况，以及对部分兵种武器装备的试验与统计分析，可以明显看出，我国自行研制的武器装备与外军同类武器装备相比，在可靠性、维修性和保障性方面存在较大的差距。可靠性维修性保障性水平上不去己成为制约当前兵种武器装备发展的一个突出的薄弱环节。不改变这种状态，其它性能水平再高，在总体作战效能上也很难与外军同类装备相抗衡。1.3 本文主要研究内容对系统的可靠性进行了综述。学习了可靠性的基本概念，给出了一般系统的故障曲线表达式来表示系统的可靠性，分析了典型系统的可靠型模型，了解容错系统在提高系统可靠性的作用。第 6 页 共
16、37 页简要介绍了弹载测试系统的工作原理，了解弹载测试系统的应用环境。并用基本可靠性和故障树分析法对弹载测试系统进行了分析。推导出了系统可靠性的计算公式。采用Hopkinson杆作为高g值加载手段，对用于弹载测试系统的两种型号的电池进行了100000g以上的加速度冲击筛选，对电池的抗高g值冲击性能进行了实验研究。通过实验得到了电池在高过载环境下的过载曲线，对测试结果进行了分析，讨论了电池在高过载冲击环境下的失效机理，并提出了高g冲击下弹载测试中电池的防护措施。第 7 页 共 37 页2.可靠性综述2.1 可靠性基本概念2.1.1 可靠性定义传统的可靠性定义是指产品在规定的条件下和规定的时间内，
17、完成规定功能的能力。这里的产品可以泛指任何产品、设备和元器件。传统的定义在实际应用中有一定的局限性，因为它只反映了任务成功的能力。现代的可靠性定义可以分为任务可靠性和基本可靠性。任务可靠性的定义为: 产品在规定的任务剖面内完成规定任务的能力。它反映了产品在执行任务时成功的概率，它只统计危及任务成功的致命故障。基本可靠性的定义为:产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率。它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品维修人力和后勤保障等要求。2.1.2 可靠性的特征量可靠度的定义为产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，通常以 表示。考虑到它是时间的函数，又可表示为 。可靠度 或 的R
18、 tRtR取值范围是 1)(0tR式（2.1）若“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能”的这一事件的概率以P表示，则可靠度的概率分布可以表示为如下 tPtR式（2.2）式中:R(t)可靠度函数；故障前的工作时间；t规定的时间。与可靠度相对应的有不可靠度，表示产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率，因此又称为失效概率，记为 失效概率 也是时间的函F第 8 页 共 37 页数，又可称为失效概率函数或不可靠度函数，并记为F(t)。失效和故障在某种程度上是一个意思。失效，对于可修复的产品通常称为故障，其定义为产品丧失规定的功能。失效概率函数表达式如下 式（2.3）tPtF由于故
19、障与不故障这两个事件时是对立的，显然式（2.5）tRt1F(t)为非减函数，取值范围是 0tF式（2.6）对时间t取导数，得到故障密度函数 ，即fdtRtdtf式（2.7）故障密度函数又可称为失效密度函数。故障密度函数的物理意义:在任何时刻t ，产品总数目中单位时间内发生故障的概率。由式（2.6）可得： dtftFt0式（2.8）将(2.7)代入(2.4)中，可得：式（2.9） dtftfttRtt 011故障率定义为工作到某时刻t时尚未失效(故障)的产品，在t时刻以后的下一个单位时间内发生失效(故障)的概率。故障率又可称为失效率。故障率的观测值即为在某时刻t以后的下一个单位时间内失效的产品数
20、与工作到该时刻尚未失效的产品数之比。故障率 是的时间的函数，故又称为失效率函数，也可称为风险函数。t是系统、机器、设备等产品一直到某一时刻t为止尚未发生故障的可靠度，在下一单位时间内可能发生故障的条件概率。换句话说， 表示在某段时R t间t内圆满地工作的百分率 在下一个瞬间将以何种比率失效或故障。因此，故tR障率的表达式为：第 9 页 共 37 页式（2.10）tRftdtRdFt 或 式（2.11）ln由式(2.9)可知， 为瞬时故障率，亦可称为 条件下的 。t ttf2.2 典型系统可靠性模型为了表示系统与单元功能间的逻辑关系，可以建立功能逻辑框图，用方框表示单元功能，每一个方框表示一个单
21、元，方框之间用短线连接起来，表示单元功能与系统功能的关系，这就是系统功能逻辑框图。建立系统逻辑框图时绝不能从结构上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型。2.2.1 串联系统可靠性模型若系统由n个单元组成，当且仅当n个单元全部正常工作时，系统才正常工作，这时称系统是可靠性串联系统，其可靠性框图如图2.1所示。1 223 4n图2.1 串联系统逻辑框图在各单元失效统计独立的条件下，系统可靠性可表示为: niitRt1式（2.12）其中n为串连单元个数，单元可靠性 是t的函数。由于 1，因此，串tR联系统的组成单元越多，系统可靠性越低。2.2.2 并联系统可靠性模型在由n个单元构成的系统中，若至少
22、一个单元正常系统即正常，或必须n个单元都失效系统才失效，则这样的系统就叫n单元并联系统。并联系统的可靠性框图如图2.2所示。第 10 页 共 37 页123n图2.2并联系统逻辑框图设单元相互独立，则有式（2.13）ni is tRtR1并联系统是最简单的冗余系统。从完成系统功能来说，仅有一个单元也能完成，所以采用多单元并联是为了提高系统可靠性，采取耗用资源代价来换取系统可靠性一定程度的提高。2.3 容错系统容错系统常用于航空航天、通信等安全重要领域，以避免由于某一部件的失效造成重大事故。目前所有的容错技术几乎都是利用冗余技术来实现的。冗余有多种不同的类型，如硬件冗余、软件冗余、时间冗余、信息
23、冗余等。根据冗余资源的不同，分为硬件冗余方式、软件冗余方式、时间冗余方式和信息冗余方式等。2.3.1 硬件冗余硬件冗余是利用冗余的元件或部件去屏蔽已发生故障对系统的影响，硬件冗余的级别很多，大至系统冗余，小至元件冗余，都是靠增加硬件资源来换取高可靠性，但随着半导体器件尺寸的不断变小和价格的不断下降，硬件冗余开销也在不断下降，这使得硬件冗余仍然是实现容错技术的一种重要方法。硬件容错按其工作方式可分为静态冗余、动态冗余和混合冗余三种。2.3.2 容错处理技术容错技术分为故障检测、故障屏蔽和动态冗余三类，容错技术考虑了故障的第 11 页 共 37 页不可避免性，从而提出处理故障的适当方法。（1）故障
24、检测技术故障检测只提供已经发生了的故障的警告，而不提供对故障的容忍。它提供了查找故障的一种手段，从而提高了系统的可靠性。主要故障检测技术有:双重化，是最简单和最常用的故障检测技术。它利用两个相同模块同时操作，对结果进行比较，不一致则检测出故障。对重点故障的检测覆盖率可达100%。它适用于计算机设计的所有范围和级别。检错码，也是最常用的故障检测技术，如奇偶校验等，广泛用于计算机存储器、外部设备和通道的设计中，有的计算机将其应用于以全加器为中心的数据通路的设计中。超时监督定时器，监测运行结果是否在确定的时间内产生，广泛用于计算机控制系统中。(2)故障屏蔽故障屏蔽提供了容忍故障的冗余。它在故障效应到
25、达模块输出之前，通过隔离和校正来消除它们的影响。它允许在故障情况下能够正确操作，从而提高了系统的可靠性。因故障屏蔽不改变系统的结构。广泛应用的屏蔽技术是三模冗余结构即用三个相同功能的模块或三重传输来执行同一任务，在输出点进行多数表决。这一技术能屏蔽任意一个模块中的故障。(3)动态冗余动态冗余技术，使系统配置能动态改变，以消除故障影响，并补充系统的冗余。当发生故障时，通过系统内部的一次重组来切除或替换故障部件。如果系统具有屏蔽能力，重组可推迟到耗尽屏蔽冗余时再进行。重组实际上起着补充冗余，延长系统寿命的作用。动态冗余增加了系统的可靠性。第 12 页 共 37 页3.弹载测试系统的可靠性分析3.1
26、 弹载测试系统的原理设计弹载测试系统（以弹载压阻式测试系统为例）由三部分组成，电池和电压控制电路、压阻传感器电路、滤波放大和采集电路。电池和电压控制电路为整个电路提供电源和合适的供电电压；压阻传感器负责感受加速度信号；滤波放大电路负责将压阻传感器感受到的加速度信号进行滤波放大；数字采集电路负责将加速度信号存储到存储器中。其原理框图（3.1）下图所示。缓冲保护模块传感器模块电源模块电路模块电池 电源管理芯片CPLD 芯片传感器滤波放大电路ADC 转换芯片存储器芯片缓冲与回收部分晶振芯片图 3.1 测试系统工作原理框图 电池直接给电源管理芯片提供电源，通过电源管理芯片转换成稳定的电压（3.3V 或
27、者 5V） ，通过该电压给系统的其它部件供电。传感器感受到加速度信号后输出相应的电压信号，该电压信号通过滤波放大调理电路滤除掉大部分干扰信号。ADC 将滤波放大后的信号进行 AD 转换，这样就能通过 CPLD 的控制将所测得的加速度信号储存到存储器芯片中。CPLD 控制芯片是整个测试系统的大脑，它控制着整个测试系统的工作状态。整个测试系统的正常工作需要每一个部件的正常工作，一旦其中的一个部件发生失效，整个测试系统就将发生失效，测试试验就将失败。为了使弹载测试系统得到较高的测试可靠性，除了对系统电路进行改进之外，还需要对缓冲部分进行研究。第 13 页 共 37 页3.2 弹载测试系统的失效形式弹
28、载测试系统在现场试验中往往会遇到意料不到的环境。以测试系统成功捕获测试信号作为试验成功的标准，通过对以往多次失败的经验进行总结和分析，为分析各部件的可靠性状况提供了珍贵的依据，是提高弹载测试系统整体可靠性的重要资源。在多次的实验室试验和现场试验中总结出的部件失效的情况有以下几种。（1）电池失效在高过载的工作环境下，电池的抗高冲击性能是非常重要的。因为电池被打坏而产生的失效，最终造成整个测试试验失败。电池失效的一般有电池爆炸、电池极板断裂和电池电量耗完等情况。（2）电路故障弹载测试系统的电路包括模拟电路和数字电路两部分，必须两部分电路同时正常工作整个测试系统才能正常工作，两部分缺一不可。a：晶振
29、失效晶振在整个测试系统中起着提供时钟信号的关键作用，如果晶振失效那么供给 CPLD 等控制模块的时钟信号就会消失，整个测试系统就将停止运行。在现场的测试实验中曾经多次发生过高精度晶振被打坏的情况。b：存储器失效存储器失效一般情况下是指存储器焊接不牢固，某些数据位打脱落造成数据变形。还可能因为电池失效或者人为因素误下电的情况下静态存储器丢失数据，为了解决这种问题，可以采用非易失性存储器代替传统的静态存储器。c：CPLD 逻辑故障CPLD 是弹载测试系统的大脑，它控制着整个系统的每个部件的工作状态。CPLD 在高冲击下曾经发生过错误复位的情况，导致测试试验失败。为了减小这种情况的发生，必须对控制程
30、序进行进一步的可靠性试验，优化程序。d：ADC 故障ADC 在整个测试系统中起着模数转换的作用，传感器输出的模拟电压信号经过调理以后必须进行准确的模数转换才能被储存在存储器中。在实验室情况下曾经发生过 ADC 不能正常转换数据的情况。第 14 页 共 37 页e：电源管理芯片故障电源管理芯片起到稳定电源电压和控制电源通断的作用，在实验室和现场试验情况下多次发生电源控制芯片失效的情况。比如额定电压为 3.3V 的输出变成了2V-3V 之间游动，或者起不到稳压作用输出为电池电压。f：滤波放大电路故障滤波放大电路在整个侵彻测试系统中起着滤除信号中的噪声调理信号的作用，滤波器性能的好坏对测试结果的影响
31、也非常重要。在压电测试系统中，如果该电路模块与压电传感器不匹配就很容易产生谐振和负向饱和，造成实验数据不可用的结果。（3）传感器失效目前常用的加速度传感器有压电传感器和压阻传感器两种，它们的失效模式有所不同。压电传感器压电传感器由于响应频率较高，在侵彻钢板试验中曾经发生过传感器谐振严重，数据无法使用的情况。压电传感器还出现过由于绝缘阻抗不够，导致反向饱和而无法触发。另外压电传感器还多次出现侵彻后基线漂的情况，导致数据无法使用。压阻传感器压阻传感器的失效情况有以下几种：1.传感器温漂严重，导致装置误触发。2.压阻晶体被震碎。3.谐振严重，造成数据无法使用。（4）传感器与电路模块连接线故障传感器与
32、电路模块的连接线包括电源线、信号线和地线，在测试试验中由于高过载造成的恶劣环境，有可能造成这些连接线断裂，使试验失败。（5）缓冲失效侵彻测试试验中，由于过载往往比较高，即使选择了抗冲击性能很好的环氧树脂作为灌封材料，如果在非常高的冲击下选择的缓冲组合不合适，那么就有可能导致测试装置的损坏，最终造成测试试验的失败。（6）回收失效一个正确有效的回收方案对整个试验的成功起着非常关键的作用。在以往的第 15 页 共 37 页现场测试试验中，曾经多次发生回收失败最终影响测试结果的教训。（7）灌封失效为了提高测试电路在高冲击下的整体抗冲击性能，往往在测试电路内部注入灌封材料，对电路进行灌封。目前常用的灌封
33、材料有石蜡和环氧树脂。石蜡的灌封方法的抗冲击能力比较低，在高冲击下石蜡本身更容易被压缩变形，造成电路整体移位。在现场测试中也多次发生过灌封失效。另外，环氧树脂灌封的装置由于环氧树脂的热应力作用，在存放和加热过程中有可能产生失效。（8）人的因素在侵彻测试试验中，人的操作是非常重要的。由于现场测试中的种种复杂情况，往往使操作人员的内心产生紧张，造成操作失误。以上都是近年来测试系统所出现过的各种问题，通过对各种问题的总结，为可靠性模型的建立提供了基础。3.3 弹载测试系统的基本可靠性弹载测试系统的基本可靠性模型为串联模型。把该测试系统正常工作时看成是不可修系统，它需要计算的可靠性参数主要有系统可靠度
34、 、系统失效率tR和系统平均首次故障时间（MTBF ）。系统的可靠性框图如图（ 3.2）所示。t电池失效 电路故障 传感器失效传感器与电路模块连接线故障缓冲失效回收失效灌封失效储存器失效 人为因素图 3.2 测试系统的可靠性框图下面先讨论在各元器件相互独立的条件下，测试系统所对应的串联可靠性模型的各个参数的求解。第 16 页 共 37 页1对测试系统可靠度 的求解tR在多维随机变量函数的分布中已知串联系统的可靠度为所以，n,min21式(3.1)tPtRniittR1),(m321tPn相互独立 ,tt n,321式(3.2)tRnii1于是得：式(3.3)当已知系统的第 个元件的失效率为 ，
35、 时，有i tin,2,1式(3.4)dti ietR式(3.5) dttt n21式(3.6)dti iniet1若令 ，则：niitt1式(3.7)dti nietR1当 costiini,2,1若令： nttnii1niitt1第 17 页 共 37 页则： 式(3.8)tdti eetRni 1其中， 。nii1（2）系统的失效率 t式(3.9)tRdt式(3.10) ttett niidttnini 111 当 costtiini,2,式(3.11)niit1（3）系统平均首次故障时间（ ）MTF式(3.12)00 dtRttdEMTF当第 个元件的实效率为 ，i in,21式(3.
36、13)00 dtedtRti其中， ttnii1当 时 t式(3.14)10dteMTF当 时 ti ni,2,式(3.15)ndteTFs10通过上述参数的求解可以看出由可靠度服从指数分布的元件构成的测试系统，第 18 页 共 37 页其可靠度仍服从指数分布，而且失效率等于各元件的失效率之和。3.3 测试系统的故障树分析3.3.1 故障树分析法故障树分析法 (FTA)就是在系统设计中，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析，画出故障树，从而确定系统故障树原因的各种可能组合方式及其发生概率，以计算系统故障率，采取相应的纠正措施，是提高系统可靠性的一种设计分
37、析法。3.3.2 建立测试系统故障树模型对于弹载测试系统故障树的顶事件(即不希望发生的系统故障)为：测试系统不能捕获数据。底事件为：电路单元性能失效及人为因素。可得系统的故障树如下图 3.3 所示。TX1 X2 X3 X4 X6X5A1X7 X8 X9 X 10 X 11 X12 X13图 3.3 测试系统故障树图表 3.1 故障树顶事件和中间事件代号顶事件和中间事代码 顶事件和中间事件名称T 测试系统不能捕获数据第 19 页 共 37 页A1 电路故障表 3.2 故障树基本事件代号基本事件代码 基本事件名称 基本事件代码 基本事件名称X1 电池失效 X2 缓冲失效X7 晶振失效 X3 回收失
38、效X8 存储器失效 X4 灌封失效X9 CPLD 逻辑故障 X5 人的因素X10 ADC 故障 X6 接线故障X11 电源管理芯片故障 X12 滤波放大电路故障X13 传感器失效3.3.3 故障树的简化故障树的简化可利用早期逻辑简化、早期模块分解和早期不交化的“三早“简化技术对故障树进行综合简化处理。简化后的故障树如图 3.4 所示。TX8 X9X1 X2 X3 X4 X5X6X7X10 X11 X12 X13图 3.4 化简后的测试系统故障树图3.3.4 测试系统故障树的数学模型研究的元部件和系统只能取正常和故障两种状态，并且元部件的故障是独立的。设 X 为表示底事件的状态变量，X 仅取 0
39、 或 1 两种状态。表示顶事件的状态变量 也取 0 或 1 两种状态，则有如下定义。第 20 页 共 37 页iX01元器件性能失效元器件性能正常其中 i=1 电池失效； i=2 晶振失效； i=3 回收失效；i=4 灌封失效；i=5 人的因素；i=6 接线故障；i=7 晶振失效； i=8 存储器失效；i=9 CPLD 逻辑故障；i=10 ADC 故障；i=11 电源管理芯片故障；i=12 滤波放大电路故障； i=13 传感器失效。01测试系统无数据测试系统捕获到数据顶事件的状态 有底事件 X 决定，即. 式(3.16)式中 ,，称 为失效的结构函数。nxX,21X在故障树系统中，利用基本事件
40、的发生概率来确定系统的可靠度。在故障树中两种最常见的逻辑事件是与门和或门。假设事件A 为一顶事件，其可靠度为 ，测试系统的元器件可靠度分别为 ,弹载测试系统其故1321,xx障树全部以或门连结.可得系统可靠度公式为式(3.17)niix1第 21 页 共 37 页4.高 g 值冲击电路模块的失效分析在弹体硬目标侵彻测试试验中，弹上的电子装置将承受几万甚至十万个 g 以上的加速度，这可能导致电子装置的失效，造成不可挽回的损失。采用弹载测试系统测取弹体侵彻硬目标过程中的高 g 值加速度时，由于诸多原因 (电路模块、电池损坏，传感器、电源导线断裂等)，使测试数据丢失。为了尽量减小损失，最大限度地降低
41、现场试验的风险，提高数据的捕获率，在实弹现场射击之前，利用高g 值冲击加速度实验模拟装置对电路模块、测试装置进行高 g 值冲击考核，使可能存在的问题尽早暴露，并采取措施加以解决，从而提高弹载测试系统的可靠性和恶劣环境中的存活性。经过可靠性分析，电池对系统的可靠性起着关键的因素。下面主要对电池进行高 g 值冲击研究。4.1 电池的抗高过载特性研究电池是弹载测试系统非常重要的组成部分，它为整个测试系统提供能量保障，既是基础又是核心，其性能好坏、质量优劣、稳定与否直接决定着测试的成败，因此电池的可靠性是新概念动态测试的关键问题。特别对于高冲击条件下的动态测试，必须要考虑电源的可靠性问题，即电池的抗高
42、 g 冲击性和瞬时断电问题。因为在弹体高速侵彻硬目标的过程中，弹载测试系统的电源部分承受着与弹体相同的加速度，电池可能会出现输出不稳定或暂时断电甚至由于短路、挤压等因素而发生爆炸的情况，这时即使测试装置的其它部分都完整无缺，也得不到任何数据。因此高 g 值冲击环境下电池的抗冲击防护设计是弹载测试系统在供电方面需要解决的基本问题。为了从根本上提高电池的抗高冲击性能，研究电池在高过载环境下的输出特性是非常必要的。本章利用 Hopkinson 杆作为高 g 值加载手段，对用于弹载加速度存储测试系统的几种不同种类型号的电池进行了 100000g 以上的加速度冲击，对电池的抗高 g 值冲击性能进行了实验
43、分析。通过实验得到了电池在高过载环境下的过载特性曲线，对测试结果进行了分析，对电池在高过载冲击环境下的失效机理作了讨论，并提出了高冲击存储测试中电池的防护措施。4.2 电池抗高 g 缓冲击性能试验介绍4.2.1Hopkinson杆实验装置第 22 页 共 37 页Hopkinson杆是以压缩空气作为动力源，以不同的气压产生不同的过载值，主要用于加速度传感器的校准，也可用于小型结构或构件的动态冲击实验。过载的产生，是以压缩空气发射子弹，同轴撞击Hopkinson 杆的一端，从而在导杆内产生近似于半正弦的压缩应变脉冲，应变脉冲沿导杆纵向传播，传递到固定在Hopkinson杆的另一端的试验电池上，它
44、可以模拟的过载值高达 g 。过4106载值和电池性能的测试比较方便，操作过程简单易行，比较适合用来对电池部件进行加载试验。不足之处是作用力持续的时间短，过载上升时间只有几个到几十个微秒。该装置主要由Hopkinson杆、数字示波器和计算机系统组成。如图 4.1所示。回收箱波形记录仪计算机Hopkinson 杆弹体 整形器压缩空气真空夹具 安装座 电池图 4.1 电池抗高冲击试验原理图4.2.2 电池高冲性能击试验介绍在试验中首先由压缩气体作为动力源推动子弹运动，子弹以一定的速度撞击到Hopkinson杆一端的波形整形器（铝垫）上，撞击经过波形整形器后会在Hopkinson杆内产生纵向压应变脉冲
45、，并沿导杆迅速传播到杆的另一端面。子弹的撞击速度决定加速度脉冲的幅值，子弹的长短决定应力波的波长，整形器的作用是调整入射应力波的波形，以便产生所需的高g值加速度脉冲。该试验方法能够加载100000g以上的过载，能够较好的实现对电池的加载测试。在对电池进行冲击之时，首先将待测电池采用平躺和竖立两种方式用石蜡灌封于圆柱型壳体内。灌封结构如图4.2所示。（a）可充电扣式锂电池灌封前实物图；（b）固态聚合物锂离子电池封装前实物图。第 23 页 共 37 页（a）可充电扣式锂电池灌封前实物图 （b）固态聚合物锂离子电池封装前实物图图4.2 电池的封装前结构图将灌封后的电池用工业黄油紧密吸附于 Hopki
46、nson杆的未端。在模拟高过载的条件下测试电池的抗高g值冲击性能，图4 3是电池在Hopkinson 杆上的连接方式。高过载作用下电池电性能的测试，采用固定电阻放电的方法进行。电池外电路接有440 的电阻，放电电流接近微型存储测试电路正常工作时的电流(7mA)。实验将电池输出接至数字示波器，通过增加气压改变子弹的速度，不断加大冲击加速度，最高冲击加速度达30万g，用示波器检测电池电压的输出是否正常。通过综合分析，对比参数的变化情况，研究电池在高过载作用下的特性。电池性能测试线路如图44所示。数字滤波器 电池R图4.3 电池在Hopkinson杆上的连接方式 图4.4 电池性能测试线路4.3 电
47、池抗高 g 值冲击性能测试结果试验对目前用于弹载存储测试电路的2种不同类型的电池按照0.04MPa( 约10万g)、 O.06MPa(约12万g)、0.08MPa(约15万g) 、0.lMPa(约20万g)、0.3MPa(约30万g)的顺序依次进行冲击。测试结果表明：在约15万g的加速度水平冲击下，大部第 24 页 共 37 页分电池会出现 量级的掉电并能够瞬间恢复。随着冲击加速度值的增大，电池电s压的掉电幅度增大，次数增加。在约30万g的加速度冲击下，所实验的电池均没有发生爆炸，但个别电池发生永久掉电。4.3.1 可充电扣式锂电池可充电扣式锂电池作为一种新兴电源，近两年在无线通讯系统、电子遥
48、感设备、个人移动数字产品等应用中越来越广泛。试验中所用的可充电扣式锂电池如图 4.5 所示。对该电池同样依次施加 12 万 g、20 万 g 和 30 万 g 的过载，得到如图 4.6 所示的波形。可以看出电池在 20 万 g 的冲击下出现了 s 量级的掉电，电压由 4V 下降到 3.4V，并且在 2s 左右的时间内恢复。图 4.5 可充电扣式电池 图 4.6 可充电扣式电池掉电曲线4.3.2 固态聚合物锂离子电池固态锂离子电池又称为“ 聚合物锂离子电池 ,是锂离子电池的下一代产品。与传统的锂电池相比,固态锂离子电池重量轻、厚度薄、单电池电压高、安全性能高、自放电率低、使用寿命长、能增大容量、无记忆效应等特点,同时无铅、镉等有毒金属,对环境污染较少,是一种绿色环保电池。试验中运用的固态聚合物锂离子电池的额定电压为3.6V ，如图4.7所示。该电池在20万g的加速度冲击下的电压变化曲线如图4.8所示，从图中可以看出，在该过载下电池出现了 量级的掉电，电压由原来的4V 掉到3.34V 并迅速恢复，恢复s时间持续2 左右。 第 25 页 共 37 页图 4.7 固态聚合物
