压力传感器测试过程可靠性分析

　　张志昊，刘宏伟，王 勃

　　(沈阳仪表科学研究院，沈阳 110043)

　　1 引言

　　可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性是对一种产品投入使用时无故障工作能力的度量。产品可靠性的高低是表示产品在规定条件下、规定时间内，完成规定功能可能性的大小。可靠性通常采用可靠度、失效率及MTBF来表示，传感器等元器件可靠性水平的高低通常用失效率来表示，而设备可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指标来表示。

　　压力是生产过程和科学实验中进行测量和控制的最基本参数之一，而对压力进行测量的并能把压力通过一定的规律转换成电信号的压力传感器就成为测量这一信号的重要元器件，它被广泛地应用在工业、石油、化工、生物医学、航海、航天、航空等领域的生产和科研当中。传感器的可靠性是十分重要的，它直接关系着使用该传感器的系统的性能，影响着生产和建设的质量和进展速度，甚至会带来严重的人身安全问题。在传感器的使用过程中，其可靠性概念可以作为无故障性，即作为保证按技术条件所要求的极限的使用指标的性能总合性。当变换具体物理量的传感器失效时，就可明白破坏其元件机械完整性以及输出测量参数偏差而导致整个安装此传感器的产品不能完成任务的组成事件。而在传感器的生产过程中，为了保证压力传感器对压力信号的测量、传递的精确性、稳定性及一致性，就必须对压力传感器的测试过程的可靠性进行分析。

　　2 压力传感器测试原理

　　压力传感器包括利用压阻效应制造出来的压阻式压力传感器，利用压电效应制造出来的压电式压力传感器、利用应变效应制造的应变式压力传感器等，本文仅以压阻式压力传感器为例，说明其测试原理。

　　压阻式压力传感器芯体如图1，R1，R2，R3，R4是4片电阻片，当受外力作用时，电阻片R1，R3亦受拉伸作用电阻增大，R2，R4电阻减小，这样外力F的作用使4个电阻片电阻值发生变化。传感器上的电阻R1，R2，B3，R4接成图2所示的直流桥路。cd两端接稳压电源E，ab两端为电桥电压输出端，输出电压为U0，如图2。

　　式(2)就是电桥平衡条件。在传感器上贴的电阻片是相同的4片电阻片，在理想状态下，设其电阻值相同，即有

　　R1=R2=R3=R4=R (3)

　　所以传感器不受外力作用时，电桥满足平衡条件，a，b两端输出的电压U0=0。当梁受到载荷F的作用，如图3所示，电桥不平衡，则有

　　从式(6)可知电桥输出的不平衡电压U0是和电阻的变化△R成正比的，这就是不平衡电桥的工作原理。显然测量出的U0的大小可反映外力F的大小。此外由式(6)还可知，若要获得较大的输出电压U0，可以采用较高的电源电压E，同时亦说明电源电压不稳定将给测量结果带来误差。在实际的生产测试过程中，桥臂的4个电阻是不可能完全相同的，测试时所加的环境条件同样也会对传感器的输出产生影响。这样，在环境条件发生变化时，它们的增量△R也是不完全相同的，最终导致测试的结果和理想的结果产生偏差。

　　3 压力传感器测试过程

　　压力传感器的测试主要是指温度输出特性测试和压力输出特性测试。温度输出特性测试主要是指压力传感器在不同的温度条件下对传感器输出的影响，主要是指零点温漂和灵敏度温漂；压力输出特性是指压力在传感器的同一环境条件下对不同压力所反映的输出特性，它主要是测量传感器的静态特性指标。

　　压力传感器测量系统主要同由压力源、被测试压力传感器、测量电路和显示记录四部分组成，它们的关系如图4所示。

　　待测的压力传感器在一定的环境条件(高低温环境试验箱提供)下，并由电源供电后，对压力源(活塞式压力计或数字压力控制器)产生的信号进行测量，测量后产生的信号通过测量电路(多通道数据采集器)最终传输到显示设备(计算机)进行显示和记录。

　　4 压力传感器测试设备在测试过程中影响可靠性的因素

　　压力传感器测试过程的可靠性指标是随着设计的修改、使用条件的不同，以及工作过程中的性能退化而不断变化的。因此必须从多方面进行考虑。

　　4.1 规定使用的条件

　　任何产品研制的时候都是根据规定的使用条件进行的。这个使用条件包括工作条件(如功能模式、操作方式、负载条件、工作能源、维护条件等)和环境条件(如温度、湿度、气压、振动等)。同一种产品在不同的工作条件和环境条件下其可靠性是不同的。对压力传感器进行测试的设备也不例外。

　　影响测试过程可靠性产生影响的环境条件一般包括下列几个：气候环境条件、机械环境条件、生物条件、化学条件、电与电磁条件、辐射条件、系统连接条件和人的因素等。这里主要考虑气候环境条件、化学条件和系统连接条件。其中气候环境条件包含的因素有温度、湿度、气压、风、雨、霜冻和沙尘等。化学条件包含的因素有电源的不稳定性、传导线系统的干扰信号、来自电磁场的干扰及雷电、电晕和放电等。系统连接条件包含的因素有大系统内各功能单元之间的连接，一个系统或一台设备与别的设备连接在一起使用。以上3个方面的因素对设备可靠性都有影响，但是各种因素对不同的设备影响的程度是不一样的。

　　4.2 使用的时间

　　传感器测试设备的可靠性是时间的函数，随着时间的推移而不断降低，即使元器件经过筛选和整机经过老炼及维修，设备在偶然失效区工作的情况下，这一段时间内的失效率是一个常数。但是，设备随时间的分布规律却符合图5所示的规律，即：使用的时间越长，测试设备的可靠性就越低。

　　4.3 所能达到的功能

　　所谓“功能”就是产品的主要性能指标和技术要求。这是产品完成规定任务和作用的保证。所谓产品不可靠，就足性针对产品是否满足规定的性能指标和技术要求而言的。产品的性能指标和技术要求越高，允许变化的范围越小，产品要完成“规定功能”的可能性就越小，那么产品的可靠性水平就越低。反之，产品的性能指标和技术要求越低，允许变化的范围越宽，产品能够完成“规定功能”的可能性就越大，那么产品的可靠性水平就越高。对传感器的测试设备而言，其对传感器的测试精度要求越高，其可靠性水平相对就越低，但能过该测试设备测得的传感器的数据就越真实。反之，如果对压力传感器的测试精度要求越低，那么该设备的可靠性水平就越高，但其对获得传感器的真实数据的影响就越大。

　　还应特别指出的是，从测试设备使用的角度来看，在基本性能指标满足使用要求的前提下，设备最重要的指标是可靠性指标。如果设备不可靠，性能不稳定，经常坏，测试设备的最初性能再好也是没有实际意义的，更不用说得到传感器的真实数据了。

　　4.4 可靠性分析

　　假定在一定置信度值下，压力源的可靠度为R1(t)，环境提供设备的可靠度的为R2(t)，测量电路的可靠度为R3(t)，供电系统的可靠度为R4(t)，那么获得传感器真实数据的可靠度R(t)必然和R1(t)，R2(t)，R3(t)，R4(t)有关，即

　　R(t)=f[R1(t)，R2(t)，R3(t)，R4(t)] (7)

　　由式(7)和图4的测量系统可知

　　R(t)=K?R1(t)?R2(t)?R3(t)?R4(t) (8)

　　式中K为一系数，和各种设备的使用时间、使用条件密切相关。

　　现以使用我单位的传感器测试没备对压力传感器的测试为例：在其他测试条件相同的情况下，使用两台不同的