光电仪器可靠性探究

1、 光电仪器可靠性探究 摘 要：根据光电仪器的光学部件、机械部件、电子部件的三大部分的故障模式，探讨仪器的平均无故障时间，为仪器的预防性维修提供借鉴。关键词：光电仪器 可靠性 平均无故障时间光电仪器科技含量高、结构复杂，应用范围广，但是专业的维护与维修人员少，在工作过程中发生故障不容易判断和排除，因此，了解光电仪器的可靠性，进行预防性维修，也就是仪器在故障发生之前，对故障可能发生的时机进行预测，以使主动地对可能产生的故障进行预防。任何仪器都具有一定的可靠性，光电仪器的可靠性，是指光电仪器在规定的时间内和使用条件下，完成相应功能的能力，即满足工作状态要求而无故障地工作。而要定量地了解光电仪器的可靠

2、性，精确的掌握仪器的使用情况，就要有科学的评价参数。常用的可靠性参数通常包括可靠度、效率分布函数、概率密度函数、瞬时失效率函数、平均寿命、维修度、有效度等等。这里选取平均寿命是作为光电仪器可靠性的评价参数。一、仪器的平均无故障时间仪器的平均寿命是指仪器寿命的平均值。对于可维修产品，其寿命平均值常用“平均无故障工作时间”（mtbf）表示，即光电仪器或系统发生故障后，经检查修复后再投入工作，这时，在两次故障间的平均工作时间就称为该产品的平均无故障工作时间。要获得光电仪器可靠的平均寿命模型，要经过寿命试验，寿命试验是研究仪器寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。例如为了缩短试验时

3、间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法来进行试验，这就是加速寿命试验。寿命试验的目的在于了解产品的寿命特征量、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，同时也可以通过质量反馈来提高仪器可靠性水平。二、光电仪器的故障模式故障模式是仪器发生故障的一种表现形式，光电仪器的主要故障模式可分为光学故障、结构件故障和电子线路故障几方面，其中光学件主要故障模式有：镜面变形、镜面生霉生雾、元件碎裂、胶粘松脱、膜层退化、透过率与反射率下降和可凝挥发物污染等；结构件常见故障模式有：结构主体的力学变形、失重回弹、变形热控失效、活动部件的热

4、变形和力学变形造成机械性卡死和冷焊等；电子元器件及电子线路常见故障模式有：元器件失效，电子线路开路、短路、失电、误指令等。（一）光学系统的可靠性预计光学系统实际是光学元件（玻璃）和结构件的组合在使用或保存环境正常情况下，如果没有应力损伤，它的寿命周期可达数年甚至数十年。光学系统有如下几个特点：1.反射率、透射率和成像质量，随着工作时间的增长，没有很大的变化，呈缓慢衰减。2.光学组件属于不可修复的产品，长时间工作，由于环境震动会造成组件位置的逐渐改变，或由于环境的灰尘进入仪器内部，因此存在光机组件位置的调整和光学元件的清洗问题，而这两种影响都是渐变的，功能的瞬时变化（或称时故障率）都比较小。3.

5、存在早期故障和固有故障，只要仪器一投入使用，就处于频率很低的偶然失效期内。因此，把主要功能集中于透光率和像质时，可以把光学系统的可靠性分布按指数分布来处理。光电仪器一般都是密封的，密封前注入干燥氮气，仪器内部气压和外部气压一般相同，但有些仪器为防止外部灰尘和水汽进入仪器内部，内部气压高于外部的气压。在低气压的大气环境中，周围气压降低，由压力差而产生的力由仪器内部指向仪器外部。在该力的作用下，有可能引起密封件（密封胶、密封蜡、密封条）的变形破裂、密封失效等。从光学系统的失效模式来看，除了引起的霉菌失效以外，还有生雾、膜层脱落和应力破裂。应力破裂大都属于结构问题，失效概率极小，改进设计以后完全可以

6、消除应力破裂产生的失效。此外，通过采用密封充氮措施，可以有效地预防光学系统生霉、生雾现像的发生。从实践的角度来看，常规的光机电一体化产品的故障，绝大多数往往不是由于光学系统的失效所引起，即使光学系统有轻微的故障，也不至于严重影响产品完成规定的任务(或功能)。(二)机械结构可靠性预计机械结构件的可靠性定量预计有其特殊性。机械可靠性由于受负荷大小、工作方式、使用频率等因素的影响较大，故障原因多为疲劳、老化、磨损、腐蚀等，均属耗损型故障，故障率往往不是常数。尽管可以认为机械结构件在其耗损期到来之前，在一定的使用期限内寿命分布同样可按指数分布来处理，但要确定具体零部件的失效率尚无相应的机械零部件通用失

7、效率数据可查。所以机械结构的可靠性如果按故障率来进行定量预计，实施起来就比较困难。参照国内某些光机电一体化仪器现行的有关技术标准或通用规范，对机械结构件可靠性的定量要求，一般为活动部位的平均无故障工作次数。采用这一指标量值，通过借鉴类似产品的数据，以及本单位进行的相关试验，而且对于光电仪器而言，判断与排除机械故障通常相对容易，一般涉及到拆卸、安装，个别对安装位置要求较为严格的部组件还要进行调试。(三)电子系统可靠性预计光电仪器电子系统可靠性的定量估计，需要通过一定的统计数据的积累才能求出。对于电子产品。经过长期的理论和实践的研究，国内外通过有关的试验，积累了大量的统计数据，并作为标准颁布使用。

8、所以，可靠性成为定量的概率统计指标，在仪器的设计过程中它是可预计的，并建立了相应的数学模型。对于光电仪器电子可靠性的预计，有如下约束条件：1.组成光电仪器的各元器件（或部件）的故障是互相独立的2.组成光电仪器的所有元器件（或部件）的可靠性特征量均用失效率表示；3.组成光电仪器的各元器件（或部件）的寿命均服从指数分布；4.所有连接导线是完全可靠的；5.系统软件是完全可靠的；6.所有电子元器件是在安全的环境中工作。光电仪器由各单元部件串联而成，各单元电子部件的可靠性由组成该单元的所有元器件（或部件）串联而成。对于指数分布的串联系统，电路系统总失效率为单个元器件的通用失效率、元件通用质量系数、元件数目的乘积求和得到系统的总失效率。相关的数据依据电子设备可靠性预计手册、国军标等相关参考资料。系统的平