某航空用压力传感器可靠性研究
编者按：压力传感器的可靠性是考核质量好坏的重要指标，可以综合反应压力传感器的性能，可靠性的高低关系着工作效率、经济效益，甚至直接影响人身安全问题。因此，对压力传感器的可靠性研究显得十分重要和非常迫切。本文通过对压力传感器的工作原理和工作环境的分析，以理论计算等方式，对压力传感器的可靠性进行了研究。用以判断压力传感器的可靠性是否达到技术要求，分析航空用压力传感器使用过程中的薄弱环节。从压力传感器设计和使用角度出发，对薄弱环节采取相应的控制措施，提高了航空用压力传感器的可靠性和稳定性。
0 引言
随着我国综合实力的提升，我国的航空制造技术在近年来取得了很大的进步。但是在当前的国际环境中，其他国家的航空制造技术也在突飞猛进的发展，给我国航空业的发展带来了很多的压力。在目前形势下，国内许多领域的发展对航空业提出了更高的要求, 故航空制造业需要加强自身技术水平的提升和制造能力的提升，适应国内、国外发展的需要。
压力传感器的可靠性（Mean time between failure，平均故障间隔时间）是指在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，可靠性是对压力传感器投入使用时无故障工作能力的度量，通常用失效率来表示。[1]压力传感器是对压力进行测量，并把压力通过一定的规律转换成电信号，从而压力传感器就成为测量这一信号的重要元器件，被广泛地应用在航空制造业压力传感器的可靠性直接关系着航空系统性能和质量，影响着工作效率以及经济效益，甚至会带来严重的人身安全问题，故航空用压力传感器的可靠性研究是十分重要的，提高航空用压力传感器的可靠性也迫在眉睫。
1 压力传感器概述
1.1 主要组成（见图1、图2）
压力传感器是由压力接口、压力敏感元件以及信号输出三部分组成，压力接口为金属部件，压力敏感元件主要由压力敏感电桥、烧结管壳、填充陶瓷、金属膜片、焊环五部分组成，信号输出部分由引出信号输出线和PCB电路板组成。
图1 压力传感器组成图
图2 压力敏感元件组成图
1.2 主要功能（见图3）
压力接口：传递压力，减缓压力输送；
压力敏感元件：感受压力信号将其转换为成比例的电压信号；
信号输出：引出信号输出线，输出电信号。
图3 压力传感器功能框图
2 压力传感器工作原理
压力传感器通过引线接入压力敏感电桥中，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥失去平衡，金属膜片产生与介质压力成正比的微位移，产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号，若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样，传感器的电阻变化就通过电桥转换成压力信号输出。电路原理（图4）是由4个敏感电阻组成惠斯登电桥[1,6]。
图4 电路原理图
3 可靠性模型建立
可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性 / 故障逻辑关系的描述，包括可靠性框图及其相应的数学模型。根据 GB-T 37963—2019《电子设备可靠性预计模型及数据手册》[5]，建立如下模型。
3.1 建立压力传感器可靠性框图（见图5）
明确各单元之间的可靠性逻辑关系，进行可靠性定量分配和计算，发现设计中的薄弱环节，为设计决策提供依据，以改进设计。
图5 压力传感器可靠性框图
3.2 建立可靠性数学模型
由图 3 可知，压力传感器的可靠性模型为串联模型，且各单元间是相互独立的，故其可靠度 [2] 为：
压力传感器的失效率等于各单元的失效率之和。
4 可靠性计算
4.1 压力接口
压力接口为结构连接的机械金属零件，不存在损耗性失效。其失效率暂无统计数据。压力底座参照《NPRD-3 非电子零部件可靠性》[4] 手册规定的连接件（普通焊接）使用环境（A）（注：无 AUF 使用环境的统计数据），其工作失效率为 λp11= 0.024×10-6 / h。
4.2 压力敏感元件
压力敏感元件由压力敏感电桥和烧结管座组件组成。
5 结果分析
5.1 计算结果分析
从上述预计计算结果，压力传感器的 MTBF 预计值 为 1 005 498 h，可靠性预计仅仅是较粗略的估算，要确保压力传感器的可靠性满足要求，还须进一步分析影响其可靠性的薄弱环节，并针对薄弱环节采取必要的设计或工艺改进措施，逐步提高压力传感器的可靠性水平。
5.2 薄弱环节分析
将压力传感器各组件的失效率进行对比分析，压力敏感元件最高，故压力敏感元件是压力传感器的薄弱环节，在研制的各个环节应采取相应措施，确保产品的可靠性指标满足要求。
5.3 主要保证措施
1）严格控制压力敏感元件关键工序的操作过程，加强各工序质量检查；
2）对压力敏感元件进行压力交变和气密性检查试验，剔除故障产品；
3）压力敏感元件封装时，注意信号输出端引线的连接、焊接质量，加强检验，避免断路和虚焊现象发生；
4）压力传感器按照测试和筛选要求进行试验筛选，剔除早期故障件。
6 结束语
压力传感器的国内外市场需求越来越大，对可靠性的要求也越来越高。本文对某航空压力传感器可靠性进行了分析、计算和研究，从数据分析可见，控制薄弱环节生产质量势在必行，加强自身的技术水平和质量控制可进一步提高压力传感器可靠性。综上分析，可见我们对压力传感器可靠性的高度重视，以提高压力传感器的可靠性、可防止故障和事故的发生、延长压力传感器的使用寿命、提高飞机的安全性能，同时，可降低成本，提高经济效益，提高压力传感器的综合质量，满足航空用户更高的要求。
参考文献：
[1] 徐开先,钱正洪,张彤,等.传感器实用技术[M].北京:机械工业出版社,2016(12).
[2] GJB 813-1990.可靠性模型的建立和可靠性预计[S].
[3] GJB/Z 299C-2006.电子设备可靠性预计手册[S].
[4] NPRD-3非电子零部件可靠性数据手册[G].
[5] GB-T 37963-2019.电子设备可靠性预计模型及数据手册[S].
[6] 徐开先.实用新型传感器及其应用[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1995.
（本文来源于必威娱乐平台
杂志2022年11月期）
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