聲學應答釋放器電路部分可靠性分析

徐向上，張選明，賈立雙，馮志濤，李家軍

（國家海洋技術中心，天津 300112）

聲學應答釋放器電路部分可靠性分析

徐向上，張選明，賈立雙，馮志濤，李家軍

（國家海洋技術中心，天津 300112）

聲學應答釋放器是一種對可靠性要求很高的海洋環境監測設備，文中對國家海洋技術中心研制的聲學應答釋放器進行了可靠性分析。首先介紹了聲學應答釋放器的電路構成及功能；然后依據可靠性建模相關理論完成電路部分可靠性模型建立，依據可靠性模型，預計了設備的固有可靠度；最后有針對性地提出改進措施，用于指導聲學應答釋放器設計，為釋放器技術研究提供計算模型與可借鑒的經驗。

聲學應答釋放器；可靠性分析；改進措施

深海聲學應答釋放器（以下簡稱釋放器）是一種通過海水作為介質傳播聲學信號進行指令操作、完成預定動作的遙控裝置。釋放器在錨定浮標、潛標、海床基等海洋監測系統上應用廣泛，而且是其中的重要一環，對于監測系統的正常在位工作和回收十分關鍵。

以釋放器在錨定海洋監測系統中應用為例，一般將釋放器串聯在系統的系留索中，完成測量任務后，操作人員使用甲板單元發射聲學指令，釋放器在收到聲學釋放指令后，通過電機驅動釋放機構完成釋放，監測系統在浮力的作用下浮至海面[1-2]。在此過程中釋放器如果不能正常釋放，就會給回收系統帶來很大的困難，甚至造成巨大損失。釋放器作為海洋監測系統的重要一環，在監測系統布放后，位置處于整個系統的最下端，承受著巨大的海水壓力和系統拉力，其工作環境長期處于海水腐蝕、低溫和高濕。因此，釋放器的可靠性就顯得十分重要。為了提高釋放器的可靠性，需要對其進行可靠性分析，然后提出相應的改進措施。

“十二五”期間，國家海洋技術中心在海洋行業公益專項的支持下承擔了“深遠海調查觀測重點基礎裝備產品化應用示范”之子任務“聲學應答釋放器產品化”項目。本文就是基于該項目所研制的釋放器進行電路部分可靠性分析。

1 釋放器電路原理

釋放器電路部分主要包括接收電路、控制電路、發射電路。釋放器接收電路如圖1所示。換能器接收水上機發出的聲學信號，將其轉換為微弱的電信號，由接收電路進行放大和濾波處理后，經濾波器剝離出相應頻率的信號，同步檢波器對剝離出的信號進行檢測，若符合規定的頻率，輸出高電平，否則輸出低電平。接收電路功能框圖如圖2所示。

圖1 接收電路板

圖2 接收電路功能框圖

接收電路將高低電平輸出至控制電路后，先由控制電路中的A/D轉換器轉換為數字信號，經控制電路中的單片機判斷，若為應答指令，控制電路進行數字頻率合成，合成的信號編碼輸出至發射電路；若為釋放指令，則輸出至驅動機構，驅動電機旋轉釋放。控制電路如圖3所示，控制電路功能框圖如圖4所示。

圖3 控制電路板

圖4 控制電路功能框圖

釋放器發射電路將控制電路輸出的電信號電壓放大后，再進行功率放大后輸出至換能器。發射電路如圖5所示，其功能框圖如圖6所示。

圖5 發射電路板

圖6 發射電路功能框圖

2 可靠性建模

2.1 可靠性建模的相關概念

①可靠度是可靠性的一個重要量化指標，是指系統在規定的條件和時間，完成規定功能的概率，記為R。②不可靠度是指在規定的條件和規定的時間內,系統不能完成規定功能的概率,記為F。③可靠性模型分為基本可靠性模型和任務可靠性模型。基本可靠性是指系統在規定的條件下無故障的持續時間或概率，對產品的壽命期進行全方位考慮。任務可靠性模型是指系統在規定的任務剖面內完成規定功能的能力，能夠反映任務成功性。在完成任務的過程中，任務可靠性模型描述了系統各單元的預定用途。在系統不存在替代工作模式或者冗余的情況下，基本可靠性模型和任務可靠性模型都是串聯結構。④可靠性框圖從可靠性角度出發，較為直觀地描述了釋放器電路整體系統與部分各子單元間的失效邏輯。⑤可靠性數學模型是對電路部分進行可靠性分析之后，建立與之對應的數學模型。⑥應力分析法是基于概率統計，對電子元器件在標準應力與環境下，通過大量實驗，并對其實驗結果進行統計得出電子元器件的失效率。目前，應力分析法有非常成熟的標注和預計手冊，比如美國軍用標準手冊MIL-HDBK-217，以及我國信息產業部第五研究所制定的《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z299C-2006）等。

2.2 建立可靠性模型

本文建立的可靠性模型包含可靠性框圖和可靠性數學模型兩項內容。本文僅對釋放器電路的在位運行進行可靠性預計，工作時限為8 760 h（即1 a），因此采用任務可靠性模型。在進行可靠性建模時不考慮冗余或替代工作模式的存在，因此所建可靠性模型為串聯結構。

針對釋放器各部分電路的可靠性指標，采用應力分析法進行預計，首先依據電路的原理和功能，將電路內部劃分為串聯結構。在功能上，這種串聯結構為相對獨立的可靠性預計單元。然后根據電子元器件工作失效率模型計算每個可靠性單元的工作失效率。

根據對釋放器電路部分的原理分析，建立可靠性模型，如圖7～圖9所示。參照可靠性建模的基本理論，R表示釋放器電路部分總可靠度，接收電路、控制電路和發射電路的可靠度分別用R1，R2，R3表示，各電路組成單元分別用 R1i，R2i，R3i表示。

圖7 接收電路可靠性框圖

圖8 控制電路可靠性框圖

圖9 發射電路可靠性框圖

釋放器電路中電子元器件故障遵循電子元器件失效物理學，其故障多為偶然因素導致，因此壽命服從指數分布。對于釋放器的接收電路、控制電路、發射電路而言，各電路中的完成規定功能的組成單元都是串聯系統。因此，釋放器電路的可靠性數學模型為：

式中：λ為工作失效率；t為工作時間（在此取8 760 h，即 1 a）。

3 釋放器電路固有可靠性預計與提高可靠性措施

3.1 釋放器電路固有可靠性預計

通過對釋放器電路可靠性建模，進而對各電路固有可靠性進行預計。在計算過程中，各種電子元器件的數學模型參考《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z299C-2006）。在查詢各元器件故障數據時，需要注意的是，在《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z299C-2006）所列出的各種環境類別中，釋放器電路的工作環境并沒有明確的對應環境分類。釋放器電路的工作環境與潛艇的工作環境很相似，兩者工作環境都是水下耐壓密封環境，因此參照“潛艇內的環境條件（NSB）”進行計算，環境溫度參考深海溫度，設定為2℃左右。

本文不對各電路的元器件的計算過程一一論述，只以電容器為例，其工作狀態失效率預計模型為：

式（2）中：λp為工作失效率（10-6/h）；λb為基本失效率（10-6/h）；πE為環境系數；πQ為質量系數；πCV為電容量系數；πSR為串聯電阻系數；πK為種類系數；πch為表面貼裝系數。

根據釋放器工作的環境參數以及元器件的屬性，查詢《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z299C）得出式（2）中每個系數的值，代入式（2）得到元器件的工作狀態失效率,然后根據串聯模型計算得到各單元的工作狀態失效率。

表1 接收電路工作狀態失效率

表2 控制電路工作狀態失效率

表3 發射電路工作狀態失效率

經過以上計算匯總，釋放器電路部分失效率為表4所示：

表4 釋放器電路部分工作狀態失效率

由表4可以看出，釋放器電路部分總失效率λ=6.972 9×10-6/h。根據第2節所建立的數學模型式（1），10-6/h，t=8 760 h。計算可得釋放器電路部分可靠度R≈94.1%。由計算結果可知，釋放器電路部分可靠度較高，可以滿足在深海密封耐壓環境中長周期使用。

3.2 提高釋放器電路部分可靠性的措施

從各電路計算結果可以看出，控制電路可靠性低于接收電路和發射電路，原因是控制電路使用的元器件數量多于接收電路和發射電路，為了提高控制電路的可靠性：①控制電路在改進設計時，最大限度采用集成芯片取代原有的大量零散元器件，可以有效降低電路失效率約20%,②盡量采用軍工級電子元器件，如果控制電路全部采用軍工級元器件，失效率可以降低約50%。注意控制電路的電子元器件減額使用，減額使用是指電子元器件在使用時承受的應力低于其額定值。

在電子元器件采購、封裝、調試、檢測階段就需要明確分工，對其進行全程質量控制。采購完成后，對所購電子元器件進行檢測，篩選合格產品使用，然后對電子元器件進行封裝；最后對完成的電路板進行長期拷機試驗與“自然老化”試驗，以保證釋放器電路部分的可靠性。其中長期拷機試驗是指開機運行一段時間，檢測系統的可靠性，而所謂“自然老化”是指將批量完成的電路板長期靜置，一段時間后（0.5～1 a），檢測篩選出合格產品。

4 結論

本文對國家海洋技術中心研制的一款聲學應答釋放器進行電路部分可靠性建模，所建立可靠性模型為式（1），并且據此預計其固有可靠度為94.1%。能夠滿足正常在位工作要求。然后根據計算結果，提出改進措施，以進一步提高其可靠性。釋放器作為海洋監測系統中的重要組成部件，從可靠性方面對其進行深入研究，對于今后開展樣機研制和提高產品質量方面都有非常重要的指導意義。

[1]賈立雙，張選明.深海聲學應答釋放器總體設計[J].海洋技術，2013（6）：90-91.

[2]陳雄洲，聶曉敏，陳霞，等.深海釋放器的技術發展展望[C]//2008海洋前沿技術論壇論文集，廣州，2008.

[3]張學坪.QSF3-1型聲學應答釋放器的可靠性分析[J].海洋技術，1993,12(4):1-12.

[4]方芳.投棄式溫度剖面測量儀（XBT）可靠性研究[M].2011:34-35.

[5]中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z299C-2006.電子設備可靠性預計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2007-01-01.

Analysis on the Reliability of the Circuit Part of Acoustic Release Transponder

XU Xiang-shang,ZHANG Xuan-ming,JIA Li-shuang,FENG Zhi-tao,LI Jia-jun
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

The acoustic release transponder is a kind of marine environment monitoring device with high reliability requirement.This paper analyzes the reliability of the acoustic release transponder developed by the National Ocean Technology Center.It firstly introduces the circuit composition and functions of the acoustic release transponder.Then based on the theory of reliability modeling,the reliability model of the circuit is established,and the inherent reliability of the equipment is expected in this paper.Finally,targeted improvement measures are proposed to guide the design of the acoustic release transponder,so as to provide a computational model and a reference experience for the technology research on advanced acoustic release transponders.

acoustic release transponder;reliability analysis;improvement measures

TB56

A

1003-2029（2017）05-0062-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.010

2017-05-31

海洋公益性行業科研專項資助項目（201405006-2）

徐向上（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向為海洋環境監測平臺結構設計。E-mail:18222501712@163.com

賈立雙（1980-），男，工程師，主要研究向為海洋環境監測技術。E-mail:jlsh1980@sina.com