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加速寿命试验在教学触摸一体机可靠性验收试验中的应用

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/21     浏览次数:    
    加速寿命试验在教学触摸一体机可靠性验收试验中的应用
    摘要:本文以教学触摸一体机为研究对象进行可靠性验收试验,并以加速寿命试验的方法对试验过程进行加速。试验采用序贯截尾试验方案,利用阿伦尼斯模型计算出加速因子,极大的缩短了试验时间,为探索相关产品的可靠性评估提供了检验方法方面的参考。

    关键词:加速寿命试验;可靠性;序贯截尾试验;阿伦尼斯模型


    0。引言

    教学触摸一体机是在常规电教及计算机设备基础上发展起来的新型教学设备,集电脑和电子白板等设备于一体,近些年来,教学触摸一体机在中小学中迅速普及,极大的改善了教学效果。而教学触摸一体机的可靠性水平也越来越成为使用者关注的重要指标,常用的产品的可靠性评估手段为可靠性统计试验,但是一体机由于生产成本高,不同于其他消费电子产品能批量投放于市场,教学触摸一体机多以政府或者学校以招投标的方式进行采购,所以用于试验的样品较少,从而导致试验时间过长,本文采用加速寿命试验的方法对可靠性统计试验进行加速,较快的获得了可靠性指标,节约了生产企业的生产成本与试验成本。

    1。加速试验模型的选取
    加速寿命试验概述
    加速寿命试验(AcceleratedLifeTesting)是在产品许可的应力范围内,适当增加试验应力级别,以此来缩短试验时间,降低试验费用的一种试验方法,对于评估长寿命、高可靠性产品的寿命和可靠性具有重要意义。
    加速寿命试验模型的分类及选择
    加速寿命试验模型反应了产品寿命与应力水平之间的关系,可以分为物理加速模型、经验加速模型和统计加速模型三类[1]。
    物理加速模型是通过与失效机理相关的物理原理推导而来,典型的物理加速模型是阿伦尼斯(Arrhenius)模型和艾林(Eyring)模型。阿伦尼斯(Arrhenius)模型描述了产品寿命和温度应力之间的关系,在高温条件下产品内部器件能过加快化学反应,甚至会导致产品提前失效,阿伦尼斯(Arrhenius)模型是加速寿命试验中最常用的模型。艾林(Eyring)模型是由量子力学原理推导出来的,它表示某些产品参数退化的时间速率与由温度所引起的物理或化学反应速率有关。
    经验加速模型是基于对产品的性能长期观察的总结而得出的,常见的经验加速模型有逆幂律模型和CoffinManson模型。逆幂律模型反应了电应力和产品寿命的关系,Coffin-Manson模型则反应了温度循环应力和产品寿命的关系[1]。
    统计加速模型常用于分析难以对其失效过程用物理化学方法解释的产品的失效数据,是基于统计分析方法给出的[1]。

    对于教学触摸一体机产品来说,其寿命主要受到温度和电应力的影响,其中温度应力对其影响比较大,因为温度容易产生产品性能指标的偏移或者产品失效,因此本试验选择温度作为加速应力,并选取阿伦尼斯模型(Arrhenius)作为加速寿命试验的分析模式,采取定应力加速寿命试验进行分析。


    2。可靠性验收试验方案
    试验方案的选择可靠性验收试验方案的确定的前提是假设设备的故障率随时间的分布规律[2]。电子产品的故障率一般服从指数分布,因此故障率是常数。基于指数分布的假设,统计试验方案有定数结尾、定时结尾和序贯结尾三种统计试验方案,对于教学触摸一体机这类高可靠性的电子产品而言,序贯结尾试验方案能较快的做出接收或拒收的判决,因此我们选取序贯结尾试验方案。
    序贯截尾试验方案试验方案。序贯试验方案可以分为标准型试验方案和短时高风险方案,对于采用正常的生产方风险α和使用方风险β(10~20%)时,一般选择标准型序贯试验方案;而α、β取30%时,采用短时高风险方案,此时试验时间可以缩短[3]。m0和m1分别是MTBF假设值的上限值和下限值,鉴别比Dm是m0与m1的比值,即,数值上常取2或3。
    通过与生产企业协商并结合实际情况,鉴别比Dm取,α、β取30%。则选择GB/T5080.7-1986《设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》中试验方案4:9[4],试验方案分别见图1和表1。
    由图1可以看出,当失效数和试验时间点落在继续试验区域内时,试验继续进行;当失效数和试验时间点落在接收区域内时,试验终止,试验通过并接收该产品;当失效数和试验时间点落在拒收区域内时,试验终止,试验失败并拒收该产品。
    在本试验中,要求一体机的MTBF不低于60000h,提供的样机台数n为20台。则m1=60000,mo=120000。
    当未出现故障时,试验通过的截止时间计算为:
    ×当出现1次故障时,试验通过的截止时间计算为:
    ×当出现2次故障时,试验通过的截止时间计算为:
    ×当出现3次或3次以上的故障时,则拒收该产品。
    由计算结果可以看出,得出试验结果的时间很长,需要通过加速试验对试验过程进行加速,以尽快得出结果。
    加速因子的计算加速寿命试验中应力的大小不应改变产品的失效机理,对于温度应力来说,如果应力水平过高,会使产品内部器件在使用中超过温度极限而失效。因此要根据产品的正常工作温度的上限和实际使用情况,选择一个合适的问题[5]。
    依据标准要求,该产品可靠性应在35℃下进行,在本试验中,将试验温度提高至55℃,依据阿伦尼斯模型对加速因子进行计算。
    阿伦尼斯模型加速因子计算公式:
    (1)式(1)中:
    η:加速因子:活化能(正常使用期内的活化能趋近于0.6eV):玻尔兹曼常数(8.623×10-5eV/K):正常试验温度(273+35):加速试验温度(273+55)由上述公式可以得出,此次加速寿命试验的加速因子:

    由计算结果得知,试验时间可缩短4倍。因此试验通过的截止时间分别为:未出现故障,1290h;出现次故障,2325h;出现2次故障,3375h;出现3次或次以上故障时,则拒收该产品。


    3。教学触摸一体机可靠性验收试验方法
    试验环境要求样品在试验箱中需要满足的环境条件:温度:55℃;相对湿度:45~75%RH;大气压力:102.5kpa。
    电应力条件考虑到产品使用过程中接入电压的不稳定性,依据标准要求,试验周期内受试样品在样品额定的电压值±10%的范围内工作,因此电应力不作为加速应力。
    每4h为一个工作循环,其中3.5h通电,0.5h断电,试验电压依次为下限值198V,标称值220V,上限值。
    故障的分类与处理故障是判定试验是否通过的重要依据,因此要求要对产品可能出现的故障进行总结并在试验中进行检查。
    故障分为关联性故障和非关联性故障,关联故障与产品性能有关,是产品本身固有的,在试验结果分析时要记入的故障;而非关联故障则是未按规定的条件使用引起的,因此在试验结果分析时不进行记入。
    教学触摸一体机在可靠性试验中如下情形应判为故障:①开机白屏;②喇叭无声音;③竖线干扰;④开机无图;⑤遥控不作用;⑥触控不作用;⑦按键不作用;⑧Ops电脑无信号;⑨HDMI无信号;⑩开机死机。

    经判定,在1290h的试验内,20台样机在试验中未出现故障,因此故障数计为0,样品判定为合格。


    4。结论
    本文采用序贯结尾的试验方法对教学触摸一体机进行可靠性试验,并用较高的温度应力对试验过程进行加速,通过阿伦尼斯模型计算出加速因子,最终累积试验时间为1290h,结果证明在生产方风险和使用方风险均为30%、鉴别比为2的条件下,教学触摸一体机的平均无故障时间(MTBF)大于预计值60000h,判定为合格。

    将加速试验方案应用于教学触摸一体机的可靠性验收试验中,不仅获得了该批次产品的可靠性指标,而且大大的缩短了试验时间,节省了试验成本,为其他类似产品的可靠性评估提供了检验方法方面的参考。


本文由 安徽触摸一体机 整理编辑。

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