Надежность. 
Системы автоматического управления высшей точности

Надежность — это способность датчика выполнять требуемые функции при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. Если использовать статистические термины, можно дать следующее определение: надежность — это вероятность того, что устройство будет функционировать без поломок в течение указанного интервала времени или заданного количества циклов. Следует отметить, что надежность не является характеристикой дрейфа или шума. Она отражает время до выхода устройства из строя (отказа), либо временного, либо постоянного при соблюдении регламентированных условий эксплуатации.

Несмотря на то что надежность является очень важной характеристикой, она редко указывается производителями датчиков. Возможно, причина этого заключается в отсутствии общепринятых способов ее измерения. В США для многих электронных приборов в качестве способа определения эксплуатационной надежности применяется процедура вычисления среднего времени между отказами (СВМО), описанная в стандарте MIL-HDBK-217. Эта процедура основана на определении СВМО всего устройства после вычисления СВМО его отдельных элементов, при этом необходимо учитывать влияние внешних факторов: температуры, давления, механических напряжений, степени экранирования и т. д. К сожалению, процедура нахождения СВМО не позволяет оценить надежность напрямую, и такую характеристику трудно применять на практике. Поэтому часто для определения надежности датчиков их подвергают квалификационным испытаниям, которые проводятся в наихудших условиях. Например, датчики заставляют непрерывно работать при максимальной рабочей температуре в течение 1000 часов (эта методика описана в стандарте MIL-STD-883). Но этот метод не учитывает ситуации резких изменений внешних условий, например быстрого повышения температуры. Он имитирует работу датчика в модели реального окружения, но при этом стремится сжать годы в недели. Перед такими квалификационными испытаниями стоят три задачи: оценка СВМО, определение самого уязвимого места конструкции (места первой поломки) для последующего усовершенствования датчика и нахождение эксплуатационного срока жизни всей системы.

Другим возможным способом «ускоренного старения» является использование той же самой совокупности параметров, что и в реальных режимах эксплуатации, включая максимальную нагрузку и циклы включения/выключения, но проверку системы проводить в расширенных диапазонах окружающих условий (по сравнению с регламентированными в паспортных данных). При этом допускается, чтобы рабочие характеристики датчиков выходили за пределы, указанные в их описаниях, но в нормальных условиях эксплуатации они должны возвращаться к требуемым значениям. Например, если в документации говорится, что датчик должен работать при температуре, не превышающей 50 °C, и наибольшей относительной влажности 85% при максимальном рабочем напряжении +15 В, его следует тестировать в цикличном режиме при температуре 100 °C, относительной влажности 99% и напряжении +18 В. Для оценки количества циклов (п) может применяться следующая эмпирическая формула, предложенная в Sandstrand Aerospace, (Rockford, IL) и Interpoint Corp. (Redmond, WA) [27—31]:

где N — приблизительное количество циклов за весь эксплуатационный период; ДТ_тах — максимально возможная флуктуация температуры; ДT_test — максимальная флуктуация температуры, зафиксированная во время тестирования. Например, пусть нормальная рабочая температура датчика равна 25 °C, максимальная рабочая температура, указанная в описании, составляет 50 °C, тестирование проводилось при температуре 100 °C. Также было оценено, что датчик за период своей эксплуатации (допустим, 10 лет) подвергается 20 000 рабочим циклам, тогда количество тестовых циклов, определенное по формуле (2.26), составит.

Это значит, что для тестирования, моделирующего весь срок эксплуатации, проведенного при вышеуказанных условиях, потребуется 1300 циклов вместо 20 000. Следует отметить, что коэффициент 2,5 получен для мест соединения припоем, поскольку именно эти элементы наиболее подвержены выходу из строя. Но некоторые датчики не имеют паяных соединений, а элементы других устройств обладают более высоким коэффициентом, чем 2,5 (например, соединения при помощи электропроводных эпоксидных смол), поэтому на практике этот коэффициент может либо слегка снижаться, либо слегка увеличиваться. В результате тестирования на «ускоренное старение» надежность выражается через вероятность отказов. Например, если при проведении тестирования 100 датчиков два из них вышли из строя (при оцененном сроке службы 10 лет), можно утверждать, что надежность данного типа устройств составляет 98% в течение первых 10 лет их эксплуатации. Датчик, в зависимости от области применения, может подвергаться воздействию и других факторов окружающей среды, которые потенциально могут менять его рабочие характеристики или помогать обнаруживать скрытые дефекты, поэтому иногда применяются следующие виды дополнительных испытаний.

Так, применяется тестирование при высокой температуре и высокой влажности при максимальном напряжении питания. Например, датчик заставляют работать при максимально допустимой температуре и относительной влажности 85—90% в течение 500 ч. Такое тестирование является очень полезным для обнаружения загрязнений и оценки целостности корпусов устройств. Срок службы датчиков часто определяется по тесту ускоренного старения, проводимого при температуре 85 °C и относительной влажности 85%. Такую проверку часто называют «тестирование 85—85».

Для моделирования неблагоприятных условий окружающей среды при проверке надежности соединений (проводных, клеевых и т. п.) датчики часто подвергаются воздействию механических ударов и вибрациям. Для получения высоких значений ускорений моделируется падение датчика. Часто требуется проводить такие испытания относительно разных осей устройства. Частота гармонических колебаний, прикладываемых к датчику при вибрационном тестировании, должна изменяться в интервале, включающем его собственную частоту. В США в оборонной промышленности при проведении механических тестов часто используются методы 2016 и 2056 стандарта 750.

Для моделирования экстремальных условий хранения и перевозок датчик как минимум 1000 ч выдерживается при очень высоких температурах (+100°С), либо при очень низких (-40°С). Этот вид тестирования проводится, как правило, на неработающих устройствах. Выбор верхнего и нижнего температурных пределов должен проводиться в соответствии с физической природой датчиков. Например, для пироэлектрических TGS-датчиков фирмы Philips, характеризуемых точкой Кюри +60°С, эта температура никогда не должна превышать +50°С, что всегда должно быть четко указано на их корпусах.

Для проверки поведения датчиков при экстремально изменяющихся внешних условиях их подвергают воздействию теплового шока или циклических температур. Например, устройство находится в течение 30 мин в среде с температурой -40°С, после чего быстро перемещается на 30 мин в среду с температурой +100°С, и так много раз. Количество таких циклов, как правило, лежит в пределах 100—1000. Этот тест помогает обнаруживать дефекты разных типов соединений и проверяет целостность корпуса.

Для моделирования условий морских перевозок датчики могут подвергаться воздействию соляных туманов в течение определенного интервала времени (например, 24 ч). Такое тестирование помогает определять устойчивость устройств к коррозии и обнаруживать дефекты корпусов.