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環境應力條件與邊界條件
移動通信系統的可靠性試驗是檢驗產品質量的一個重要手段之一。可靠性試驗一般包含種類較多,而其中的可靠性篩選試驗又有元器件級、單元級和系統級。篩選試驗需關注的因素有試驗應力條件的選取、試驗剖面的制定以及監控和過程控制等,尤為重要的是應力條件的確定。環境應力(EnvironmentalStressor)是指產品受所處環境的影響而使產品受到的環境壓力的因素。電子產品的一般環境應力通常指環境四應力,即溫度應力、濕度應力、振動應力、電應力,加上氣壓應力和電磁應力,也有稱環境六應力。而我們常說的環境適應性是指產品對工作背景下的自然和社會環境的適應能力,若為加快激發產品的缺陷,有時選取高于自然和社會環境應力的條件和剖面,也就是常說的加速應力。
1篩選試驗應力選取的現狀和問題首先,一般篩選試驗的初始條件依據國家和行業標準規定的應力條件選取,因標準規定的應力條件門檻低,對高可靠性產品,不易很快激發產品缺陷,往往費時費力,增加試驗成本;其次,一些篩選試驗的組合應力目的性不明確;第三,多數綜合試驗箱提供的應力不夠全面,往往不能全面激發產品缺陷,如大多無法同時提供電磁條件,但產品實際應用中電磁條件卻客觀存在;第四,試驗過程中的監控方法科學性和全面性重視不夠,如有些同行試驗中只監視局部的軟件功能等。由于上述現狀,多數同行在試驗中往往會遇到一些尷尬的問題。不使用加速應力時,面臨長時間無法找到產品缺陷的窘境;使用加速應力時,加速因子或步進應力一旦控制不好,往往造成不必要、不正確,甚至破壞性的故障觸發,不僅浪費人力物力,而且并不能說明一定是產品的缺陷。因一般篩選試驗應力選取具有上述的不足,為了提高篩選試驗效率,全面覆蓋環境應力,本文結合多年可靠性篩選試驗的經驗,提出了邊界條件的概念。
2邊界條件概念的提出工作條件是指產品使用地區的自然和社會環境對應的應力條件。邊界條件是指產品全部應用環境中的工作條件的上下限值所包含的應力范圍。邊界條件可以對應一個應力或多個組合應力,包含異常環境條件。在電磁兼容性標準中規定的抗擾度條件,定義為標準電磁條件;在設備實際應用環境中可以發生的,無法衡量是否超過標準電磁條件的條件,定義為非標準電磁環境條件。
3邊界條件經驗數據的總結參照國家和行業相關標準,以實際應用環境中能發生的為前提,實際工作中通常選用的試驗應力的邊界條件如下。(1)電磁邊界條件電信中心環境取超過EMC最新行業標準指標一個等級,若沒有明確的更高等級,取超標范圍為標準應力值的10%(一般為標準應力限值的波動最大值);非電信中心和室外應用條件下還可以更嚴酷一些。(2)溫度邊界條件電信中心環境取低溫0℃,高溫+40℃;非電信中心室內溫度邊界環境條件:低溫-10℃,高溫+55℃;室外應用的溫度邊界環境條件:低溫-40℃,高溫+70℃[1]。(3)電壓邊界條件電信中心環境取額定電壓的±20%;非電信中心和室外應用甚至可以設計為額定電壓的±30%。(4)濕度邊界條件電信中心環境取相對低濕10%,相對高濕95%[1];室外和非電信中心的濕度范圍甚至可以選擇5%~98%。(5)振動邊界條件一般選10~1000Hz的正弦或隨機平譜加梯形譜,能級0•001~0•003g2/Hz。振動加速應力條件可選頻率在20~2000Hz(80~350Hz時為0.04g2/Hz),一般6g(均方根值),最大可用10g,每個軸向振5~10min[2]。(6)氣壓邊界條件民用設備一般選取45(例如青藏高原)~106kPa(軍用設備低氣壓一般選18.8kPa(12000m高空))。邊界條件是產品設計和測試時必須重點考慮的重要因素之一,上述邊界條件數值僅供大家參考。在可靠性篩選試驗時,往往用綜合試驗臺模擬產品實際應用環境。因此,可靠性篩選試驗的環境應力條件應作為首選項,記錄在試驗報告或日志上。
4邊界條件提出的意義首先,因有了全面的試驗應力的邊界條件,更容易在不加速應力的前提下,激發產品缺陷;其次,因明確而較準確地總結了實際可發生的邊界條件應力,所激發的產品缺陷更有說服力;第三,因邊界條件的應力門檻較高,因此,依據邊界條件規劃的試驗剖面比依據國家或行業標準規劃的試驗所用時間少,成本低;第四,因邊界條件是非加速的范疇,也不易造成不必要的損壞。
非加速應力篩選試驗的應力條件
1單應力篩選試驗單應力常規篩選試驗是在邊界條件下進行的驗證性試驗。通信系統設備的常規單應力試驗有安全試驗(機械結構、發熱和防火、電氣安全、化學安全等)、電磁兼容性試驗、環境適應性試驗(溫度、濕度、振動、電應力、氣壓、太陽輻射、覆冰、凍雨和霉菌等)。另外,其他單應力試驗還有單應力加速壽命、單應力篩選試驗等。
2組合應力篩選試驗表1是移動通信系統設備常用的環境應力組合方式試驗項目列表,其中的溫度、濕度、振動、電磁應力四綜合試驗是嘗試性的組合應力試驗,因為試驗環境是模擬產品的現實應用環境進行的,所以在大量的試驗中激發出了產品的很多潛在問題。根據用戶需求,應提出環境應力篩選項目和要求。確定篩選范圍,如器件、電路板、模塊、組件/分設備等[3]。非加速篩選試驗在邊界條件下進行,加速應力試驗的應力條件超過了邊界條件。
3邊界條件組合應力篩選試驗案例第一次做類似剖面試驗時,未添加電磁應力[4],結果未激發產品的缺陷;后來分析產品應用的實際環境,到現場采集數據,進行對比分析,結果發現電磁應力的重要性。因此,在改進后,依據邊界條件構建剖面時,合理地增加了電源端口、信號端口耦合的電磁應力。結果在實際組合應力試驗過程中,僅在第一個溫度循環周期內,就發現了一個工藝隱患,第三個周期又發現了設計裕度不足的問題。這樣,不僅節省了時間,而且避免了使用加速應力試驗可能帶來的損失。通過本案例的多次試驗研究,證明組合應力剖面模型要以實際現場為原型,在合理的基礎上構建,才能增加試驗的有效性和科學性。激發潛在故障和薄弱環節的試驗技術,今后將會得到越來越廣泛的應用[5]
加速應力篩選試驗的應力條件
1極限條件定義極限條件包括產品應用環境中可能存在的極限環境條件和用戶需求的條件中更苛刻的條件。極限條件在產品設計和測試時,應該考慮,但對產品的可靠性影響不大;一般地,把極限條件作為可靠性強化和產品壽命檢測的參考條件之一。工作極限和破壞極限的定義見文獻[6]。設計極限是為了讓產品穩定地工作于產品的邊界條件下,滿足期望的工作極限要求,在總體設計和指標分解時,規定的產品設計極限,考慮設計裕度,有時設計極限的部分指標也有低于工作極限的情況。#p#分頁標題#e#
2邊界條件與極限條件的關系邊界條件與工作極限的區別是工作極限的極限值是產品自身屬性,可以超過邊界條件所指的產品正常工作的自然和社會環境應力值。圖2是邊界條件和各種極限條件的應力范圍的關系。激發產品缺陷的常用應力是環境四應力,應力條件選擇常用的原則是參考邊界條件選取。可靠性篩選試驗的應力選取若按照工作極限來構建試驗剖面,有可能形成較大的設備損壞成本。然而,現代通信產品的系統級設備,因為是連續不間斷工作,具有較高的可靠性,僅僅使用邊界條件所做的非加速應力,有時較難很快激發由于設計裕度不足而造成的產品潛在問題。因此,除了邊界條件的相關試驗外,有時還按照略低于極限條件的要求,來做更深入加速應力試驗,從而更快地激發產品的某些缺陷。
可靠性篩選試驗應力條件的選取
可靠性篩選試驗結果的可信度除了與試驗剖面的科學性、試驗方法和過程控制的嚴謹性有關外,很大程度取決于應力選取的合理和科學性。應力選取除了依據相關標準和產品的實際環境外,有時也根據不同的目的,進行有側重的應力強度的適當加強、減弱,或應力數量的添加或剪裁。加速試驗應力,希望最低試驗應力與實際使用或額定應力條件較接近,即邊界條件,最高試驗應力水平應盡可能高,但不得超過所能承受的極限應力,以免引進新的失效機理[7]。
1單應力篩選試驗應力條件的選取單應力的常規篩選試驗,應力條件一般根據產品實際應用(工作地區)的環境邊界條件進行選擇。若是為了一定程度的加速壽命,或加大篩選力度,有時也選擇加嚴邊界條件或者取接近極限條件來進行試驗,但是一個最重要的原則是加速應力激發的“問題”必須在非加速應力的其他組合剖面下可復現或者有很大的復現趨勢(即設計裕度不足),才能確認為有效產品缺陷,構建的加速應力剖面才是有效的,否則就不能稱其為加速應力試驗,而是破壞試驗。以某室外應用的通信終端的溫度循環試驗為例來說明。該終端正常工作的大多數應用環境邊界條件是高溫60℃,低溫-40℃。但是經過若干循環,發現問題不明顯或監控發現部分性能有惡化趨勢。為了激發問題,選擇了異常應用條件(如夏季長時間太陽輻射下的汽車內、高樓夾層中等密閉環境)的高溫條件70℃~80℃進行試驗,就激發了產品的設計和工藝缺陷,后來又針對該問題,在一般邊界條件的組合應力試驗中復現了該缺陷。可見,單應力邊界條件也不是一成不變的,只要應力施加方法科學、目的明確、構建剖面有理有據,尤其是監控方法準確、全面,激發的問題就有說服力和代表性。單應力的高加速壽命試驗(HALT)由于剖面構建、加速方法、監控手段單一等原因,經常造成一些不必要的損失。
2組合應力試驗應力條件的選取對于可靠性鑒定和可靠性篩選試驗,所選應力組合方式和剖面要求,也隨著試驗目的的不同而有較大差異。例如,鑒定試驗多選邊界條件組合,篩選試驗往往突破邊界條件束縛,但是無論哪種試驗,一般有以下原則供大家參考。(1)組合應力選擇的依據必須是現場應用可能發生的,盡量貼近工程實際,并參考相關標準的要求。(2)即使為了篩選出早期失效,適當的高出工程應用現場環境條件時,也必須小心設置應力加強的梯度,最好是有目的地先保持其他應力不變,逐步緩慢改變最有可能激發出問題的應力,但必須清晰計算、測試或預估出最高應力上限,并預估應力增加的每階段可能帶來的破壞程度,盡量做到在不產生破壞的情況下激發早期失效。(3)因器件的非理想性和分布參數的非線性,理論預計可能存在較大偏差,因此在做可靠性篩選試驗時,盡可能地增加對受試產品監測的種類、方式和監測點,并對監測的合理性、科學性,以及各種方式之間的影響等充分評估后,才能規劃出合理的監控方法。例如,圖1的案例的監控方法就不僅包含了通信鏈路軟件性能、指標、軟件告警等,而且包括鏈路波形、關鍵芯片溫升、輸出功率變化、關鍵信號畸變、關鍵芯片電壓和電流、振動強度等。
3HASS試驗應力條件的選取高加速應力篩選(HASS)試驗一般是建立在HALT試驗的基礎上。單應力的HALT試驗還好控制,而HALT組合應力試驗的關鍵是如何構建科學的應力剖面,使得激發的極限點只是工作極限,而不是破壞極限。這方面一般原則是根據單應力HALT的數據,設置一些保護和警告,然后參考HASS的剖面選取合適的HALT應力組合剖面,同時結合經驗,使用最小的代價獲取HALT數據。根據我們工作實際經驗的總結,結合國外和業界同行的做法,通信系統設備的HASS試驗每個單應力參數一般選取原則是設置所選應力的數值為HALT工作極限范圍的80%,或者選取破壞極限的50%[8]。但如果破壞極限的50%超過了工作極限,則取工作極限的80%。HASS試驗的剖面在具體試驗過程中不一定是一成不變的,應在試驗過程中,根據監測數據的惡化程度,適當調整剖面的應力強度,以便將損失減到最低。圖3是一個HASS試驗剖面范例,試驗過程中發現第二次的低溫啟動不成功,并在增加監控點時發現晶振的輸出波形不正常,因此改變低溫邊界或者減低振動強度后,發現可以成功啟動。最后通過制作評估板,單獨對晶振進行篩選試驗,發現了晶振的批次問題。在進行HASS試驗前,須仔細評估HALT的各種數據變化趨勢,做到有重點地監控,改變某一種或幾種應力的數據,結合設計裕度、降額系數、器件DATASHEET等,合理設置監控點和監控方法,以達快速激發和定位問題的目的。
結束語
基于對3G/4G無線通信系統設備較多次可靠性篩選試驗的條件、結果、數據對比和案例分析,提出了可靠性篩選試驗邊界條件的概念,全面總結了移動通信系統設備可靠性篩選試驗中包含電磁應力在內的邊界條件數據,舉例說明了可靠性篩選試驗常用的應力選取方法和原則,在實際工作中取得了較好的效果。由本文分析可知:
關鍵詞:各分項工程;監理預控;要點
中圖分類號:S972.7+4 文獻標識號:A 文章編號:2306-1499(2013)04-(頁碼)-頁數
1.引言
建筑電氣包含了變配電系統、照明系統、火災自動報警系統、通信系統、安全技術防范系統、綜合布線系統、建筑物防雷、接地及安全等。決定電氣安裝工程質量的三大因素為設計、施工及材料和設備制造。弱電系統工程主要在質量控制系統檢測和竣工驗收方面提出要點要求。
2.電氣工程
2.1 設計文件復核及優化
電氣專業監理工程師首先應該熟悉電氣安裝工程設計圖紙及說明書,參加圖紙會審并做好記錄,全面了解設計要求和使用要求。(1)設計文件的組成內容是否符合標準、規范;(2)設計說明、工程數量、設備和主要材料是否與施工圖相符,設計文件是否有錯誤和遺漏;(3)室內外設備的布置和線路路線,是否符合規范規定和現場實際;(4)采用新產品是否指明產品來源,加工非定型產品是否有足夠份數的工廠生產用圖紙和其他必要的資料;(5)文件中是否附有充分而完整的協議,如電源協議、外委配合工程協議,城建部門批準的線路路徑的有關文件等;(6)結合供電方案,熟悉、了解、掌握供配電系統構成及切換系統,重要負荷邏輯關系,了解相關專業的系統功能及負載情況,重要數據應復核。
2.2 電氣安裝施工企業的資格審查
(1)從事建筑電氣工程施工企業,必須持有有效資質,其資格和能力,應與承包工程的規模和技術要求相適應。(2)電氣安裝工程由總承包單位分包的項目,總包單位應對工程質量全面負責。分包單位應按相應質量驗收規范的規定,評定所承擔的分項、分部工程的質量等級。并將評定結果及資料交總包單位和監理單位。(3)從事電氣安裝工程施工的企業,必須有健全的質量保證體系和技術管理體系,并對安裝質量負責,施工現場必須具備下列條件:1)施工現場必須明確電氣工程負責人,對工程質量全面負責,并負責施工現場臨時用電技術安全,制定施工組織、管理措施、安全措施。2)施工現場設電氣技術人員擔任技術負責人,熟悉電氣安裝的施工工藝和技術指標,對電氣安裝施工質量負直接責任。3)施工現場設有專職質量檢查人員,堅持三檢制度,如實填寫記錄,資料齊全有效。4)了解施工企業的業績、信譽、人員素質及構成情況,進場后仍需進一步觀察了解。
2.3 電氣安裝工程設備、器材的認定
(1)采用的設備及器材均應符合國家現行技術標準的規定,審核出廠證明,技術合格證或質量保證書。設備應有銘牌及安全認證。進口設備需經國家商檢部門檢驗合格。(2)落實設備、器材訂貨時間、交貨條件及附加技術條件。了解、掌握對重要設備的質量控:制、檢測手段、安裝工藝,必要時應到生產廠家實地考察。(3)設備、器材的運輸、保管應符合規范要求,當產品有特殊要求時,并應符合產品的要求。其保管期限為1年及以下,應符合設備及器材保管的專門規定。(4)督促承包單位及時做好設備及器材進場后的檢查,內容包括:1)包裝及密封良好,無缺損;2)開箱清點并做記錄,規格應符合設計要求,附件、備件應齊全;3)按規范要求做外觀檢查,需做試驗的,應由有關部門進行試驗;4)產品的技術文件應齊全。5)凡采用新材料、新型制品應有合格的試驗報告及有關部門的技術鑒定文件。引進設備及拆、改建工程中使用經有關部門批準的舊設備、舊器材應首先滿足或符合我國現行標準中的規定。
2.4 技術準備步驟及土建施工條件
(1)落實建設單位、設計單位、承包單位電氣專業人員的情況、聯絡方式、聯絡渠道、明確分工和權限,必要時在建設單位安排下與供電部門建立聯系。(2)參加施工組織設計及施工方案的審查,重點審查電氣安裝工程及施工正現場臨時用電組:織設計;監理工程師除了進行文字審查以外,還應與承包單位的技術人員交談,了解方案的真實性及可信程度。有針對性地制訂監理措施。掌握具體施工方案、質量保證措施。審查相關專業:工序安排及銜接、交叉關系和預留部位、預埋件的保障手段和質量措施,及成品保護手段。(3)參加審核工程項目實施總進度計劃,主要審查電氣安裝工程是否符合總工期控制目標的:需要,是否合理安排了電氣安裝施工期,以及施工方案的協調性及合理性。了解工程進度安排,勞動力及機具情況。(4)施工現場臨時用電組織設計是確保工程施工順利進行的先決條件。施工用電要求確保;安全可靠,準確計算施工用電負荷;合理分配負載;正確選用導線截面及開關整定值,用電器具經檢查合格后準許使用。(5)監理工程師組織土建與電氣專業人員進行中間驗收,電氣設備安裝前土建施工應具備下列條件:1)屋頂樓板施工完畢,不得遺漏;2)室內地面基層施工完畢,并在墻上標出地面標高;3)預埋件及預留孔符合所設計要求,預埋件牢固;4)混凝土基礎及構支架達到允許的強度和剛度,其坐標位置、標高、外形尺寸應符合設計要求和施工規范的有關規定。設備支架焊接質量符合要求;5)模板、施工設備及雜物清除干凈,并有足夠的安裝場地,施工道路暢通;6)基坑已回填夯實;7)土建結構驗收時電氣施工人員應按內墻水平線、墻面線、按圖查對核實預留施工孔洞及預埋管路、箱盒。符合要求后將箱盒穩定好。全部暗裝電氣工程的管路安裝完畢并將管路掃通,查對位置和管路是否符合設計要求。
3.弱電系統工程
主要是:(1) 檢查工程設計文件及施工圖紙的完整性,弱電系統工程必須按已審批的施工圖設計文件實施。參加圖紙會審并做好記錄,出現設計變更時按規范要求填寫設計變更審核表。(2) 檢查施工現場質量管理檢查制度和施工技術措施。(3) 產品質量檢查應包括列入《中華人民共和國實施強制性產品認證的產品目錄》或實施生產許可證和上網許可證管理的產品,未列入強制性認證產品目錄或未實施生產許可證和上網許可證管理的產品應按規定程序通過產品檢測后方可使用。(4) 硬件設備及材料的質量檢點應包括安全性、可靠性及電磁兼容性等項目,可靠性檢測可參考生產廠家出具的可靠性檢測報告。(5)設備及材料的進場驗收具體要求如下:1)保證外觀完好,產品無損傷、無瑕疵,品種、數量、產地符合要求;2)依規定程序獲得批準使用的新材料和新產品除符合本條規定外,尚應提供主管部門規定的相關證明文件;3)進口產品除應符合本規范規定外,尚應提供原產地證明和商檢證明,配套提供的質量合格證明、檢測報告及安裝、使用、維護說明書等文件資料應為中文文本(或附中文譯文)。(6)工程實施前應做好與建筑結構、建筑裝飾裝修、建筑給水排水及采暖、建筑電氣、通風與空調和電梯等分部工程的接口確認,應做好隱蔽工程檢查驗收和過程檢查驗收。(7) 采用現場觀察、核對施工圖、抽查測試等方法對工程設備安裝質量進行檢查和觀感質量驗收。(8)系統檢測時應具備的條件:1)系統安裝調試完成后,已進行了規定時間的試運行;2)已提供了相應的技術文件和工程實施及質量控制記錄。依據合同技術文件和設計文件,以及規范規定的檢測項目、檢測數量和檢測方法,制定系統檢測方案并經檢測機構批準實施。