論延長貴重電子設備的使用壽命

作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、林淑華，福建工程學院信息科學與工程學院(福建福州350118)

論延長貴重電子設備的使用壽命

作者/林明勇、林德耀、葉輕舟、林淑華，福建工程學院信息科學與工程學院(福建福州350118)

電子設備的使用壽命雖說與電子設備本身的質量密切相關，但即使設備本身質量一流，如果使用與維護不當，設備很快就會損壞。作者闡述了電子設備在電路設計、所選元器件及其裝配焊接工藝均完好的情況下，針對如何提高電子設備尤其是貴重電子設備的使用壽命進行多方位的剖析。從建立設備可靠性的數學模型入手，闡述如何運用正確的方法對設備進行實時與定期維護相結合,才能避免電子設備易損元器件在工作中所發生的瓶頸效應。以彩色電視集中信號源為例，進行設備的可靠性分析，給出了提高設備使用壽命的操作規程。實際證明，作者提出的維護方法有效地延長了該套設備的使用年限。

貴重電子設備；延長壽命；維護；瓶頸效應

提高電子設備的使用壽命是人們所關心的問題。無論購進何種設備，只要使用、維護得當，就會延長設備的使用壽命；反之，無論怎樣先進、質量怎樣好的電子設備，在日常使用與維護中如果方法不當，就會加速設備的老化與損壞；上述正反兩方面的例子在現實生活中不甚枚舉。本文以理論做向導，引領人們對設備進行科學的維護，結合實例闡述如何讓設備為人們發揮最大的效益。

1.電子設備的使用壽命

■1.1 電子設備可靠性與壽命的關系

電子設備使用壽命一般指設備經過眾專家認定設備確已損壞且無法修復待報廢的日期減去設備購進日期的值，稱之為設備的使用壽命，單位為“年”。設備的使用壽命可采用可靠性指標來衡量，可靠性MTBF，一般是指平均無故障時間，英文全稱是“Mean Time Between Failure”，是衡量一個產品（尤其是電子產品）的可靠性指標，單位為“小時”，它定義為利用數學統計方法計算出設備發生兩次故障之間的運行時間，一般采用發生10次數兩次故障時間的平均值。MTBF值越大，設備質量就越好壽命也越長，反之則越低；也可用λ值表示，λ值是表示年平均故障率，λ=1/MTBF，顯然λ值越低質量越好壽命越長，反之則相反。

■1.2 電子設備故障率的估算

（1）以國家標準GB9813–2000中對電腦的MTBF要求為4000小時，那么λ=1/4000=0.00025，若電腦每天24小時不停工作，單臺電腦年平均發生的故障次數：0.00025×24×365=2.19次，即單臺發生故障的平均時間：365/2.19=167(天)，相當于近半年發生一次故障；同理，如果是MTBF值為8000小時，就相當于1年維修一次。

（2）若電子設備一天工作8小時，MTBF要求為6000小時，那么λ=1/6000=0.00016667，單臺年平均發生的故障次數為：0.00016667×8×365 ≈ 0.5（次），即單臺發生故障的平均時間為：365/0.5=730(天) = 2年。

2.故障樹構成與結構函數的描述

■2.1 建立故障樹的動機

故障樹的建立是為了便于更好地分析系統設備發生故障的概率，首先建立系統故障樹分析模型[3]，找出系統可能發生故障的環節，進一步確定影響系統可靠性的薄弱點，以便于對系統進行更好的維護，從而延長系統設備的使用壽命。

■2.2 模型的框圖符號建立

（1）圖形符號：“□”表示頂事件，頂事件表示邏輯門的輸出，指系統設備不該發生的事件，即故障。

■2.3 故障樹的結構框圖

本故障樹的結構為串聯模型[3]，由底事件、頂事件、邏輯“或”門系統構成，其框圖如圖1所示。

圖1 故障樹的串聯結構模型

■2.4 故障樹結構函數的描述

（1）設n個底事件，即構成子設備的元器件,且事件間的故障是彼此獨立的，φ (X)為故障樹的數學結構函數，變量 Xi表示故障樹底事件元器件工作狀態的狀態變量，φ (X )取值 0，1。

(2)故障樹“或門”輸出的結構函數

從式（1）可看出，當結構樹函數的底事件Xi（Xi只能為0或1），即構成子設備的元器件一個或多個失效（ Xi=1），造成底事件故障；由式（3）獲悉，經過“或門”處理后，輸出的系統頂事件（系統設備）就發生故障，這是串聯型可靠性系統結構的特點?？傊灰釉O備中一個或一個以上的元器件失效，就會構成子設備的故障，導致頂事件系統設備發生故障。

■2.5 故障樹數學模型的建立與分析

故障樹數學模型的建立[1]滿足二項分布規則。

二項分布參數假設：

（1）試驗次數n是一定的；

（2）試驗的結果只有成功概率p與失敗概率q兩種，且p、q為常數，p+q=1。

在n次試驗中，r次成功和（n–r）次不成功的概率Pr為：

若隨機變量X服從二項分布，那么期望E(X)及方差Var(x)分別為：

在一個系統若含有n個相同的元件，至少有r個元件完好，則系統完好的概率為：

如果n=r，那么上述（8）式可改為：

例：如果一個設備其中一個元件或器件的完好率均為99.99%，若該設備有100個類似的元件或器件構成，那么設備的總完好率P大約是多少？由上式簡化公式(9)得：

P（完好率）=pr=(99.99%)100=99.005%

綜上所述，當設備所含的元器件越多，設備的完好率就越低、故障率就越高。

3.探尋延長貴重電子設備的使用年限

■3.1 貴重電子設備主要特征

貴重電子設備顧名思義也是由不同的元器件組合而成其明顯特征有三點：其一是電子設備價值高，一般在10萬元以上；其二電子設備結構較為復雜、精致。其三電子設備操作難度大，操作人員一般均需要培訓，培訓合格后方可上崗操作。

貴重電子設備構成特征：一般是由一個或若干個子設備或子部件組合而成。這些子設備或子部件都是由不同的電子元器件焊接裝配而成。電子元件一般指電阻、電容、電感、晶振、濾波器等；器件一般指二極管、穩壓管、三極管、集成電路等。

■3.2 貴重電子設備“長壽”秘訣

俗話說：“知己知彼，才能百戰不殆”，要讓它“長壽”，就得知道其長壽的秘訣，一般情況下可以這樣認為，只要有一個元件或器件損壞，就認為設備已損壞，元器件的損壞有內部和外部的原因。內部原因即元器件的自身質量問題，外部原因就是設備的使用問題。在撇開設備自身質量的情況下，探尋設備損壞是由外部何原因引起；也就是要探尋設備元器件的損壞，尤其是易損元器件損壞的原因。

易損件指二、三極管，集成電路，電阻、電容等；非易損件如電感、濾波器，晶振等。對于貴重電子設備，若日常使用與維護方法得當，就會延長電子設備的使用壽命；反之，則容易造成電子設備的故障，從而縮短電子設備的使用壽命。

3.2.1 易損元器件特征及其損壞原因

所謂設備的易損件，換言之就是容易損壞的元器件；前述設備中只要一個元件或器件損壞，就可視為設備已損壞，可見易損元器件是造成設備使用壽命瓶頸效應的禍端。因此欲延長設備的使用壽命，就必須要先了解易損元器件的特征。

（1）電解電容器，在檢測電解電容器時，要先對電容器進行放電，特別是對于大容量的電解電容器，直接短路兩個引腳進行放電，然后用機械式萬用表，一般情況下，1000μF以下的電解電容器可采用R×1kΩ檔，大于1000μF以上的電解電容器采用R×100Ω檔，紅表筆接電容負極，黑表筆接電容正極，在剛接觸的瞬間，電容器被充電，電容量越大萬用表指針即向右偏轉幅度也就越大；接著逐漸向左回轉，直到指針停在某一位置，此時的阻值即是電解電容的正向漏電阻，正向漏電阻略大于反向漏電阻。電解電容的漏電阻一般應在幾百kΩ以上，電容量越大漏電阻越小，反之則越大。在測試中，若正向、反向均無充電的跡象即萬用表表針正負極同時分別碰觸電容器兩個引腳的瞬間，表指針始終停留原位均不偏移，則說明此電容容量消失或內部斷路；如果所測阻值很小或為零，說明此電容漏電大或已擊穿損壞，不能使用。電解電容在設備中使用量大損壞率高。主要有以下幾種表現：一是完全失去容量或容量變??；二是輕微或嚴重漏電；三是失去容量或容量變小兼有漏電；損壞原因一般是過壓引起或設備長期斷電不用電解液干枯造成的。

（2）電阻：開路（∞）或阻值變大；損壞原因大多是過壓或過流造成。

（3）二、三極管，若是硅材料制作的，如二極管1N4007、1N4148,三極管如2SC9013、2SC9018等，正常時PN結的正向電阻3～7k，反向電阻為∞。損壞時表現為PN結擊穿（電阻為零）或開路（電阻為∞）；損壞原因大多為過壓或過流造成。

（4）集成電路，內部電路或擊穿燒毀或開路，檢測時在脫機狀態下，疑是損壞的集成塊與好的同型號集成塊逐腳對接地腳測其電阻進行比較后，即可確認該集成塊是否已損壞；損壞原因大多也是過壓或過流造成。

3.2.2 避開易損元器件的瓶頸效應，提高設備使用“壽命”

避開易損元器件的瓶頸效應，就應從易損件損壞的原因入手，易損件是在特定的條件下，才會發生元器件的損壞；如果我們在使用中避開這些特定條件，“易損”元器件就可以轉化為“非易損”元器件，這樣就避開了易損件對設備使用壽命所產生的瓶頸效應，也就能延長系統設備的使用壽命。具體做法如下：

（1）嚴格按設備操作規程開、關機；避免了非正常開、關機，電路中的易損元器件受瞬間異常電壓的沖擊而損壞。

（2）電子設備不宜在高溫下長時間工作，以免易損件因表面溫度過高而燒毀；設備應在溫濕度適宜的環境中工作。

（3）電子設備不應在空氣濕度大或潮濕的狀態下開機；因為空氣是流動的，潮濕空氣會彌漫到設備內部以及各個元器件的表面，至于會不會造成電路故障，這就要視各個設備電路屬性；大多數的局部電路工作均正常，但有的局部電路對濕度很敏感或許就會造成電路工作異常而使設備損壞。對于長期不用的電子設備，每隔一段時間，在晴天濕度低的情況下，開機約半小時，其一可去除濕氣；其二可激活設備中各個電子元器件的活力，起到抗衰老的作用，如電解電容器，開機后有利于電解電容器內部電荷的流動，這樣電解液就不易干枯而損壞。

（4）市電電壓要穩定，否則設備中的易損件易受市電瞬間電壓波動的沖擊而損壞。

（5）電子設備要注意防塵，以免設備內部易損件在靜電效應中而損壞。

4. “彩色電視集中信號源”貴重電子設備的“長壽”實例剖析

作者以本單位2000年從福建某大型（破產）工廠廉價購進曾用于生產線上的“彩色電視集中信號源”設備，作為實例進行剖析，該設備是上世紀80年代初期由福建某工廠從日本購進，當年購進的原值為140多萬元人民幣，屬閉路電視播放設備。電子設備的壽命一般在5～15年左右，依據《中華人民共和國公共安全行業標準GA185–1998》附件3（常見設備經濟壽命參考年限）的有關規定，獲悉閉路電視播放設備使用壽命參考年限為10 年。

該設備采用下述的維護方法，延長了使用壽命，至今已使用33年，遠遠大于使用年限為10年的參考年限。該設備曾與衛星電視構成電類專業學生“衛星與有線電視安裝調試”為期一周的工程實踐必修課；如今該設備仍然煥發著生機，還能與電話網、互聯網設備構成三網融合的實驗如圖2所示。

圖2 三網的融合實驗

■4.1 彩色電視集中信號源構成

該設備由各個頻道的有線電視通路混合后形成，每一頻道通路均有①視頻信號發生器，②音頻信號發生器，③特定頻道電視調制器，④特定頻道放大器，⑤各自頻道供電電路構成，⑥各自頻道無源濾波器，⑦無源混合器組成，其結構框圖如圖3所示。上述①～⑦各個子設備如視頻信號發生器、音頻信號發生器的子設備等構成故障樹的n=7個底事件或基本事件，只要一個或一個以上子設備出現故障，彩色電視集中信號源的設備就可視為發生故障。

■4.2 分析影響設備可靠性的因素

電子設備的維護從技術角度來說，不應分貴重與非貴重。但若設備貴重，意味著設備價值高，更會引起人們的關注。

原則上來講，系統設備上所有元器件的損壞都會造成系統設備的故障，只是對于易損件來說更易造成設備的故障。

影響本系統設備可靠性指標的主要因素是上述4.1所指的①～⑤子設備，要通電后子設備才能工作，稱為有源子設備，屬易損子設備；而⑥、⑦子設備，無需通電就能工作，稱無源子設備，屬非易損子設備，其故障率極低，一般情況下，在影響系統設備的可靠性方面可忽略不計。本系統設備的各個子設備均屬電子產品，這些子設備同時工作、通力協作，才能實現系統設備的功能。

圖3 彩色電視集中信號源的構成框圖

■4.3 彩色電視集中信號源的可靠性分析

依據式（9），P（完好率）= R = Pn= Pr所計算出的彩色電視集中信號源各個子設備的完好率如表1 所示，視頻信號發生器的可靠性為99.27%，音頻信號發生器的可靠性為99.39%，電視頻道調制器的可靠性為99.19%，電視頻道調制器的可靠性為99.98%，頻道供電電路系統的可靠性為99.27%，電視頻道的可靠性為99.27%，設備總完好率即總可靠性為96.87%。在這可靠性僅為96.87%的情況下，如何克服設備中易損元器件給設備的使用壽命構成瓶頸效應,充分發揮構成設備基本單元各個元器件的潛能，延長設備發生故障的時間，這是下節所要闡述的內容。

表1 彩色電視集中信號源可靠性

■4.4 制定彩色電視集中信號源的操作規程

制定嚴格的操作規程，激活電子設備各元器件的活力，避開易損元器件的瓶頸效應，提高設備的使用壽命。

4.4.1 開機去潮、去濕

（1）本系統設備屬于不常用的設備，約1至2周內必須開機半小時,去潮除濕。

先開視、音頻發生器小電流的電源，后依次打開電視調制器、頻道放大器，中、大電流的電源，相應的指示燈被點亮；開機半小時后關機，關機時本著先開后關、后開先關的原則依次使設備處于關機狀態。

（2） 信號源各設備的調校規程

按上述（1）的步驟開機后，預熱時夏天隔2分鐘、冬天5分鐘后，對各儀器設備要進行調校。

4.4.2 監視器調校步驟

按下監視器面板PAL開關，使監視器處于接收彩色電視廣播測試圖的PAL信號如圖4所示，彩色電視廣播測試圖的信號即刻顯示在屏幕上，調亮度、對比度、色度等旋鈕使圖像色彩、亮度與灰度都處于最佳狀態,各指標如下：

（1）制式：PAL或PAL/N、M處于PAL/D制。數字視頻信號編碼，數字信號的格式為RGB4;工作頻率13.5MHZ主要技術規定符合相關國標的要求。

（2）圖形：標準的彩色電視廣播測試圖（飛利蒲標準）該測試圖包括黑白矩形護邊框，護邊框內是灰度白方格和六種色差信號。

圖4 飛利蒲彩色電視廣播測試圖

①圖形的正中央是大圓，圓內信號包括臺標、頻道數、彩條、黑白方格、灰度、清晰度線、中心十字、黑針（還可包括臺徽）。邊框（非顯區）：水平的左右分別為1.777μs垂直的上下（非顯區）分別為14行和13行；顯示區水平為48.446μs、垂直為548行。

②底白線：水平線14條，線寬1行/場，共2行，垂直線18條，線寬222ns（標準為230ns±10ns）。

③圓的尺寸：垂直高度504行（占全圖垂直方向的87.7%），水平寬度34.2μs。圓中心在垂直方向288行，水平方向26μs，處于（屏幕）顯示區正中心位置。

④灰底：從黑到白的50%等級。

⑤圓內多波群：分別為（從右到左）4.8（450線）、3.8（380線）、2.8（300線）、1.8（220線）0.8MHz（140線）。

⑥彩色塊：100/0/75/0彩條。75%幅度的黃、青、綠、紫、紅、藍。

⑦圓外色差信號：左上長條為：—（R—Y）270度，短條為G－Y=0 ， 326度（右上短條同）左下長條為＋（RY）90度，左下短條為（G－Y）=0，146度（右下同），右上長條為－（B－Y）=0，180度，右下長條為＋（B－Y），0度。

⑧圓內白色十字線：水平線寬2行，垂直線寬222ns。

（3）視頻輸出：正極性幅度 1Vp–p，75Ω。

（4）同步信號：水平同步15625HZ；垂直同步50Hz。

（5）色度信號：副載波頻率：4.433619MHz。矢量誤差：小于3度（PAL）。

（6）伴音：內調制6.5MC/1000Hz（特殊要求可定做），外調制可音頻輸入，音量大小可調節。

（7）頻道：1–56頻道（L頻段1–5，H頻段6–12，U頻段 13–56）。

（8）總功耗≤100W。

4.4.3 PAL制矢量示波器操作規程

521A VECTORSCOPE PAL制矢量示波器操作規程：分別按下儀器左側“CHA”、“FULL FIELD”、“AΦ/BΦ ALT”健，再按下右側“VECTOR”按鍵，其余按鍵彈出，VECTORS撥動開關至中間位置，調PHASE旋鈕，使代表色幅度和相位的各綠色亮點與基準信號的綠色亮點重合。

4.4.4 逐行示波器操作規程

1485R WAVEFORM逐行示波器操作規程：將面板左側的檔位開關至相應位置：INPUT →A ,VOLTS→PULL,SCALE→1.0,RESPONSE→TLAT，VERTICAL→ 適中，左側下方FAST，SYNC、OPER逐個按下；右側MAGNIFIER，DISPAL 至中間位置。

調亮度、對比度電位器至適當位置，直至屏幕顯示波形清晰為止。

4.4.5 檢修

要定期地對各個子設備進行電性能檢測，遇到異常等問題應立即進行檢修。

5.結論

電子設備實際上就是若干數量的電子流（正電荷或負電荷） 按各個設備電路原理所規定的路徑、運動速度有規則地運動著，形成了功能各異的電子產品，為各行各業的人們服務。

上述這些電子在運動的過程中，若電荷運動的通路受阻或運動速度突然加快等原因均會造成電荷瞬間在某處堆積、擠壓與碰撞，導致局部元器件發熱、發燙而燒毀。如何避免這種現象的發生，激發構成電子設備基本單元的元器件活力，延長設備的使用壽命,也正是作者的經驗之談。

（1）加強對貴重設備管理人員的素質教育，制度化管理與人性化管理相結合，本著對人民財產負責任的態度，積極開展對貴重設備的維護工作。

（2）加強對貴重設備的管理，訂立貴重設備操作規程，操作人員應培訓合格后方可持證上崗；同時建議訂立貴重設備管理問責制。

（3）保持貴重設備的的良好工作環境，一般情況下，室內溫度保持在攝氏25±1℃，濕度45±5%較為合適，特殊設備以產品說明書為準。

（4） 防塵與除塵：對長期不用的設備要進行斷電處理，斷電后要用防塵布遮蓋，以免灰塵通過空氣的流動而進入設備；同時還要定期對設備表面進行清潔的除塵處理，以免粉塵聚集發生靜電感應而損壞設備。

（5）防潮、防濕、防水與防高溫：不宜將電子設備放置在陰暗、潮濕，高溫與太陽光直射等地方，應放置在干燥、陰涼、通風的地方，以免設備受損。

（6）開關機順序：對于大型設備，一般都有若干個子設備組成，開機時應先開小電流的子設備，如前置小信號放大器或小信號發生器，再開中電流的如功率激勵級電源，后開大電流的子設備，如末級功率放大器；關機時則相反，先關大電流的子設備、再關中電流的子設備，后關小電流的子設備。以免末級電路的輸入端在異常開、關機狀態時，受瞬間脈沖電壓的沖擊造成過載而損壞設備。

（7）設備在工作時，要善于聽、聞、觀、測，發現異常立即關機，請專業人員進行維護，以免故障擴大化造成更大的損失，如發生下列異?，F象：

①聽；若突然聽到機器內發出“劈劈啪啪”等異常聲，應立即關機，這說明機器內部局部存在放電現象，應立即送修。

②聞：突然感覺空氣中彌漫著“燒焦”等異味，應立即關機，這說明機器內部局部存在過流、過壓或某元器件已燒毀等異常現象，應立即送修。

③觀：設備在運行中，若發現平常視覺可看到的部分出現異常，如平常監視設備信號波形或圖形發生異常，應立即關機，這說明機器內部工作異常，應立即送修。

④測：對于貴重儀器，在盡量不打開外殼的情況下，對儀器的各檢測點按出廠規定進行定期檢測保養，發現異常狀況要及時地與專業人員反饋、及時排除隱患。

（8）貴重設備的除塵保養，每隔一段時間（一般2年）視具體情況而定，請專業人員在斷電的情況下，打開外殼小心翼翼地進行除塵處理，切莫外力擠壓相鄰元器件以免造成短路，如是高頻通信設備，也切莫碰觸LC元件以免諧振條件遭破壞而失諧；同時要觀察各元器件的外觀是否正常，如發現電解電容外殼鼓起，說明此電解電容已有漏電跡象，應立即予以更換，所有的隱患都排除后，才能重新投入使用。

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