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环境应力条件与边界条件
移动通信系统的可靠性试验是检验产品质量的一个重要手段之一。可靠性试验一般包含种类较多,而其中的可靠性筛选试验又有元器件级、单元级和系统级。筛选试验需关注的因素有试验应力条件的选取、试验剖面的制定以及监控和过程控制等,尤为重要的是应力条件的确定。环境应力(EnvironmentalStressor)是指产品受所处环境的影响而使产品受到的环境压力的因素。电子产品的一般环境应力通常指环境四应力,即温度应力、湿度应力、振动应力、电应力,加上气压应力和电磁应力,也有称环境六应力。而我们常说的环境适应性是指产品对工作背景下的自然和社会环境的适应能力,若为加快激发产品的缺陷,有时选取高于自然和社会环境应力的条件和剖面,也就是常说的加速应力。
1筛选试验应力选取的现状和问题首先,一般筛选试验的初始条件依据国家和行业标准规定的应力条件选取,因标准规定的应力条件门槛低,对高可靠性产品,不易很快激发产品缺陷,往往费时费力,增加试验成本;其次,一些筛选试验的组合应力目的性不明确;第三,多数综合试验箱提供的应力不够全面,往往不能全面激发产品缺陷,如大多无法同时提供电磁条件,但产品实际应用中电磁条件却客观存在;第四,试验过程中的监控方法科学性和全面性重视不够,如有些同行试验中只监视局部的软件功能等。由于上述现状,多数同行在试验中往往会遇到一些尴尬的问题。不使用加速应力时,面临长时间无法找到产品缺陷的窘境;使用加速应力时,加速因子或步进应力一旦控制不好,往往造成不必要、不正确,甚至破坏性的故障触发,不仅浪费人力物力,而且并不能说明一定是产品的缺陷。因一般筛选试验应力选取具有上述的不足,为了提高筛选试验效率,全面覆盖环境应力,本文结合多年可靠性筛选试验的经验,提出了边界条件的概念。
2边界条件概念的提出工作条件是指产品使用地区的自然和社会环境对应的应力条件。边界条件是指产品全部应用环境中的工作条件的上下限值所包含的应力范围。边界条件可以对应一个应力或多个组合应力,包含异常环境条件。在电磁兼容性标准中规定的抗扰度条件,定义为标准电磁条件;在设备实际应用环境中可以发生的,无法衡量是否超过标准电磁条件的条件,定义为非标准电磁环境条件。
3边界条件经验数据的总结参照国家和行业相关标准,以实际应用环境中能发生的为前提,实际工作中通常选用的试验应力的边界条件如下。(1)电磁边界条件电信中心环境取超过EMC最新行业标准指标一个等级,若没有明确的更高等级,取超标范围为标准应力值的10%(一般为标准应力限值的波动最大值);非电信中心和室外应用条件下还可以更严酷一些。(2)温度边界条件电信中心环境取低温0℃,高温+40℃;非电信中心室内温度边界环境条件:低温-10℃,高温+55℃;室外应用的温度边界环境条件:低温-40℃,高温+70℃[1]。(3)电压边界条件电信中心环境取额定电压的±20%;非电信中心和室外应用甚至可以设计为额定电压的±30%。(4)湿度边界条件电信中心环境取相对低湿10%,相对高湿95%[1];室外和非电信中心的湿度范围甚至可以选择5%~98%。(5)振动边界条件一般选10~1000Hz的正弦或随机平谱加梯形谱,能级0•001~0•003g2/Hz。振动加速应力条件可选频率在20~2000Hz(80~350Hz时为0.04g2/Hz),一般6g(均方根值),最大可用10g,每个轴向振5~10min[2]。(6)气压边界条件民用设备一般选取45(例如青藏高原)~106kPa(军用设备低气压一般选18.8kPa(12000m高空))。边界条件是产品设计和测试时必须重点考虑的重要因素之一,上述边界条件数值仅供大家参考。在可靠性筛选试验时,往往用综合试验台模拟产品实际应用环境。因此,可靠性筛选试验的环境应力条件应作为首选项,记录在试验报告或日志上。
4边界条件提出的意义首先,因有了全面的试验应力的边界条件,更容易在不加速应力的前提下,激发产品缺陷;其次,因明确而较准确地总结了实际可发生的边界条件应力,所激发的产品缺陷更有说服力;第三,因边界条件的应力门槛较高,因此,依据边界条件规划的试验剖面比依据国家或行业标准规划的试验所用时间少,成本低;第四,因边界条件是非加速的范畴,也不易造成不必要的损坏。
非加速应力筛选试验的应力条件
1单应力筛选试验单应力常规筛选试验是在边界条件下进行的验证性试验。通信系统设备的常规单应力试验有安全试验(机械结构、发热和防火、电气安全、化学安全等)、电磁兼容性试验、环境适应性试验(温度、湿度、振动、电应力、气压、太阳辐射、覆冰、冻雨和霉菌等)。另外,其他单应力试验还有单应力加速寿命、单应力筛选试验等。
2组合应力筛选试验表1是移动通信系统设备常用的环境应力组合方式试验项目列表,其中的温度、湿度、振动、电磁应力四综合试验是尝试性的组合应力试验,因为试验环境是模拟产品的现实应用环境进行的,所以在大量的试验中激发出了产品的很多潜在问题。根据用户需求,应提出环境应力筛选项目和要求。确定筛选范围,如器件、电路板、模块、组件/分设备等[3]。非加速筛选试验在边界条件下进行,加速应力试验的应力条件超过了边界条件。
3边界条件组合应力筛选试验案例第一次做类似剖面试验时,未添加电磁应力[4],结果未激发产品的缺陷;后来分析产品应用的实际环境,到现场采集数据,进行对比分析,结果发现电磁应力的重要性。因此,在改进后,依据边界条件构建剖面时,合理地增加了电源端口、信号端口耦合的电磁应力。结果在实际组合应力试验过程中,仅在第一个温度循环周期内,就发现了一个工艺隐患,第三个周期又发现了设计裕度不足的问题。这样,不仅节省了时间,而且避免了使用加速应力试验可能带来的损失。通过本案例的多次试验研究,证明组合应力剖面模型要以实际现场为原型,在合理的基础上构建,才能增加试验的有效性和科学性。激发潜在故障和薄弱环节的试验技术,今后将会得到越来越广泛的应用[5]
加速应力筛选试验的应力条件
1极限条件定义极限条件包括产品应用环境中可能存在的极限环境条件和用户需求的条件中更苛刻的条件。极限条件在产品设计和测试时,应该考虑,但对产品的可靠性影响不大;一般地,把极限条件作为可靠性强化和产品寿命检测的参考条件之一。工作极限和破坏极限的定义见文献[6]。设计极限是为了让产品稳定地工作于产品的边界条件下,满足期望的工作极限要求,在总体设计和指标分解时,规定的产品设计极限,考虑设计裕度,有时设计极限的部分指标也有低于工作极限的情况。#p#分页标题#e#
2边界条件与极限条件的关系边界条件与工作极限的区别是工作极限的极限值是产品自身属性,可以超过边界条件所指的产品正常工作的自然和社会环境应力值。图2是边界条件和各种极限条件的应力范围的关系。激发产品缺陷的常用应力是环境四应力,应力条件选择常用的原则是参考边界条件选取。可靠性筛选试验的应力选取若按照工作极限来构建试验剖面,有可能形成较大的设备损坏成本。然而,现代通信产品的系统级设备,因为是连续不间断工作,具有较高的可靠性,仅仅使用边界条件所做的非加速应力,有时较难很快激发由于设计裕度不足而造成的产品潜在问题。因此,除了边界条件的相关试验外,有时还按照略低于极限条件的要求,来做更深入加速应力试验,从而更快地激发产品的某些缺陷。
可靠性筛选试验应力条件的选取
可靠性筛选试验结果的可信度除了与试验剖面的科学性、试验方法和过程控制的严谨性有关外,很大程度取决于应力选取的合理和科学性。应力选取除了依据相关标准和产品的实际环境外,有时也根据不同的目的,进行有侧重的应力强度的适当加强、减弱,或应力数量的添加或剪裁。加速试验应力,希望最低试验应力与实际使用或额定应力条件较接近,即边界条件,最高试验应力水平应尽可能高,但不得超过所能承受的极限应力,以免引进新的失效机理[7]。
1单应力筛选试验应力条件的选取单应力的常规筛选试验,应力条件一般根据产品实际应用(工作地区)的环境边界条件进行选择。若是为了一定程度的加速寿命,或加大筛选力度,有时也选择加严边界条件或者取接近极限条件来进行试验,但是一个最重要的原则是加速应力激发的“问题”必须在非加速应力的其他组合剖面下可复现或者有很大的复现趋势(即设计裕度不足),才能确认为有效产品缺陷,构建的加速应力剖面才是有效的,否则就不能称其为加速应力试验,而是破坏试验。以某室外应用的通信终端的温度循环试验为例来说明。该终端正常工作的大多数应用环境边界条件是高温60℃,低温-40℃。但是经过若干循环,发现问题不明显或监控发现部分性能有恶化趋势。为了激发问题,选择了异常应用条件(如夏季长时间太阳辐射下的汽车内、高楼夹层中等密闭环境)的高温条件70℃~80℃进行试验,就激发了产品的设计和工艺缺陷,后来又针对该问题,在一般边界条件的组合应力试验中复现了该缺陷。可见,单应力边界条件也不是一成不变的,只要应力施加方法科学、目的明确、构建剖面有理有据,尤其是监控方法准确、全面,激发的问题就有说服力和代表性。单应力的高加速寿命试验(HALT)由于剖面构建、加速方法、监控手段单一等原因,经常造成一些不必要的损失。
2组合应力试验应力条件的选取对于可靠性鉴定和可靠性筛选试验,所选应力组合方式和剖面要求,也随着试验目的的不同而有较大差异。例如,鉴定试验多选边界条件组合,筛选试验往往突破边界条件束缚,但是无论哪种试验,一般有以下原则供大家参考。(1)组合应力选择的依据必须是现场应用可能发生的,尽量贴近工程实际,并参考相关标准的要求。(2)即使为了筛选出早期失效,适当的高出工程应用现场环境条件时,也必须小心设置应力加强的梯度,最好是有目的地先保持其他应力不变,逐步缓慢改变最有可能激发出问题的应力,但必须清晰计算、测试或预估出最高应力上限,并预估应力增加的每阶段可能带来的破坏程度,尽量做到在不产生破坏的情况下激发早期失效。(3)因器件的非理想性和分布参数的非线性,理论预计可能存在较大偏差,因此在做可靠性筛选试验时,尽可能地增加对受试产品监测的种类、方式和监测点,并对监测的合理性、科学性,以及各种方式之间的影响等充分评估后,才能规划出合理的监控方法。例如,图1的案例的监控方法就不仅包含了通信链路软件性能、指标、软件告警等,而且包括链路波形、关键芯片温升、输出功率变化、关键信号畸变、关键芯片电压和电流、振动强度等。
3HASS试验应力条件的选取高加速应力筛选(HASS)试验一般是建立在HALT试验的基础上。单应力的HALT试验还好控制,而HALT组合应力试验的关键是如何构建科学的应力剖面,使得激发的极限点只是工作极限,而不是破坏极限。这方面一般原则是根据单应力HALT的数据,设置一些保护和警告,然后参考HASS的剖面选取合适的HALT应力组合剖面,同时结合经验,使用最小的代价获取HALT数据。根据我们工作实际经验的总结,结合国外和业界同行的做法,通信系统设备的HASS试验每个单应力参数一般选取原则是设置所选应力的数值为HALT工作极限范围的80%,或者选取破坏极限的50%[8]。但如果破坏极限的50%超过了工作极限,则取工作极限的80%。HASS试验的剖面在具体试验过程中不一定是一成不变的,应在试验过程中,根据监测数据的恶化程度,适当调整剖面的应力强度,以便将损失减到最低。图3是一个HASS试验剖面范例,试验过程中发现第二次的低温启动不成功,并在增加监控点时发现晶振的输出波形不正常,因此改变低温边界或者减低振动强度后,发现可以成功启动。最后通过制作评估板,单独对晶振进行筛选试验,发现了晶振的批次问题。在进行HASS试验前,须仔细评估HALT的各种数据变化趋势,做到有重点地监控,改变某一种或几种应力的数据,结合设计裕度、降额系数、器件DATASHEET等,合理设置监控点和监控方法,以达快速激发和定位问题的目的。
结束语
基于对3G/4G无线通信系统设备较多次可靠性筛选试验的条件、结果、数据对比和案例分析,提出了可靠性筛选试验边界条件的概念,全面总结了移动通信系统设备可靠性筛选试验中包含电磁应力在内的边界条件数据,举例说明了可靠性筛选试验常用的应力选取方法和原则,在实际工作中取得了较好的效果。由本文分析可知:
关键词:各分项工程;监理预控;要点
中图分类号:S972.7+4 文献标识号:A 文章编号:2306-1499(2013)04-(页码)-页数
1.引言
建筑电气包含了变配电系统、照明系统、火灾自动报警系统、通信系统、安全技术防范系统、综合布线系统、建筑物防雷、接地及安全等。决定电气安装工程质量的三大因素为设计、施工及材料和设备制造。弱电系统工程主要在质量控制系统检测和竣工验收方面提出要点要求。
2.电气工程
2.1 设计文件复核及优化
电气专业监理工程师首先应该熟悉电气安装工程设计图纸及说明书,参加图纸会审并做好记录,全面了解设计要求和使用要求。(1)设计文件的组成内容是否符合标准、规范;(2)设计说明、工程数量、设备和主要材料是否与施工图相符,设计文件是否有错误和遗漏;(3)室内外设备的布置和线路路线,是否符合规范规定和现场实际;(4)采用新产品是否指明产品来源,加工非定型产品是否有足够份数的工厂生产用图纸和其他必要的资料;(5)文件中是否附有充分而完整的协议,如电源协议、外委配合工程协议,城建部门批准的线路路径的有关文件等;(6)结合供电方案,熟悉、了解、掌握供配电系统构成及切换系统,重要负荷逻辑关系,了解相关专业的系统功能及负载情况,重要数据应复核。
2.2 电气安装施工企业的资格审查
(1)从事建筑电气工程施工企业,必须持有有效资质,其资格和能力,应与承包工程的规模和技术要求相适应。(2)电气安装工程由总承包单位分包的项目,总包单位应对工程质量全面负责。分包单位应按相应质量验收规范的规定,评定所承担的分项、分部工程的质量等级。并将评定结果及资料交总包单位和监理单位。(3)从事电气安装工程施工的企业,必须有健全的质量保证体系和技术管理体系,并对安装质量负责,施工现场必须具备下列条件:1)施工现场必须明确电气工程负责人,对工程质量全面负责,并负责施工现场临时用电技术安全,制定施工组织、管理措施、安全措施。2)施工现场设电气技术人员担任技术负责人,熟悉电气安装的施工工艺和技术指标,对电气安装施工质量负直接责任。3)施工现场设有专职质量检查人员,坚持三检制度,如实填写记录,资料齐全有效。4)了解施工企业的业绩、信誉、人员素质及构成情况,进场后仍需进一步观察了解。
2.3 电气安装工程设备、器材的认定
(1)采用的设备及器材均应符合国家现行技术标准的规定,审核出厂证明,技术合格证或质量保证书。设备应有铭牌及安全认证。进口设备需经国家商检部门检验合格。(2)落实设备、器材订货时间、交货条件及附加技术条件。了解、掌握对重要设备的质量控:制、检测手段、安装工艺,必要时应到生产厂家实地考察。(3)设备、器材的运输、保管应符合规范要求,当产品有特殊要求时,并应符合产品的要求。其保管期限为1年及以下,应符合设备及器材保管的专门规定。(4)督促承包单位及时做好设备及器材进场后的检查,内容包括:1)包装及密封良好,无缺损;2)开箱清点并做记录,规格应符合设计要求,附件、备件应齐全;3)按规范要求做外观检查,需做试验的,应由有关部门进行试验;4)产品的技术文件应齐全。5)凡采用新材料、新型制品应有合格的试验报告及有关部门的技术鉴定文件。引进设备及拆、改建工程中使用经有关部门批准的旧设备、旧器材应首先满足或符合我国现行标准中的规定。
2.4 技术准备步骤及土建施工条件
(1)落实建设单位、设计单位、承包单位电气专业人员的情况、联络方式、联络渠道、明确分工和权限,必要时在建设单位安排下与供电部门建立联系。(2)参加施工组织设计及施工方案的审查,重点审查电气安装工程及施工正现场临时用电组:织设计;监理工程师除了进行文字审查以外,还应与承包单位的技术人员交谈,了解方案的真实性及可信程度。有针对性地制订监理措施。掌握具体施工方案、质量保证措施。审查相关专业:工序安排及衔接、交叉关系和预留部位、预埋件的保障手段和质量措施,及成品保护手段。(3)参加审核工程项目实施总进度计划,主要审查电气安装工程是否符合总工期控制目标的:需要,是否合理安排了电气安装施工期,以及施工方案的协调性及合理性。了解工程进度安排,劳动力及机具情况。(4)施工现场临时用电组织设计是确保工程施工顺利进行的先决条件。施工用电要求确保;安全可靠,准确计算施工用电负荷;合理分配负载;正确选用导线截面及开关整定值,用电器具经检查合格后准许使用。(5)监理工程师组织土建与电气专业人员进行中间验收,电气设备安装前土建施工应具备下列条件:1)屋顶楼板施工完毕,不得遗漏;2)室内地面基层施工完毕,并在墙上标出地面标高;3)预埋件及预留孔符合所设计要求,预埋件牢固;4)混凝土基础及构支架达到允许的强度和刚度,其坐标位置、标高、外形尺寸应符合设计要求和施工规范的有关规定。设备支架焊接质量符合要求;5)模板、施工设备及杂物清除干净,并有足够的安装场地,施工道路畅通;6)基坑已回填夯实;7)土建结构验收时电气施工人员应按内墙水平线、墙面线、按图查对核实预留施工孔洞及预埋管路、箱盒。符合要求后将箱盒稳定好。全部暗装电气工程的管路安装完毕并将管路扫通,查对位置和管路是否符合设计要求。
3.弱电系统工程
主要是:(1) 检查工程设计文件及施工图纸的完整性,弱电系统工程必须按已审批的施工图设计文件实施。参加图纸会审并做好记录,出现设计变更时按规范要求填写设计变更审核表。(2) 检查施工现场质量管理检查制度和施工技术措施。(3) 产品质量检查应包括列入《中华人民共和国实施强制性产品认证的产品目录》或实施生产许可证和上网许可证管理的产品,未列入强制性认证产品目录或未实施生产许可证和上网许可证管理的产品应按规定程序通过产品检测后方可使用。(4) 硬件设备及材料的质量检点应包括安全性、可靠性及电磁兼容性等项目,可靠性检测可参考生产厂家出具的可靠性检测报告。(5)设备及材料的进场验收具体要求如下:1)保证外观完好,产品无损伤、无瑕疵,品种、数量、产地符合要求;2)依规定程序获得批准使用的新材料和新产品除符合本条规定外,尚应提供主管部门规定的相关证明文件;3)进口产品除应符合本规范规定外,尚应提供原产地证明和商检证明,配套提供的质量合格证明、检测报告及安装、使用、维护说明书等文件资料应为中文文本(或附中文译文)。(6)工程实施前应做好与建筑结构、建筑装饰装修、建筑给水排水及采暖、建筑电气、通风与空调和电梯等分部工程的接口确认,应做好隐蔽工程检查验收和过程检查验收。(7) 采用现场观察、核对施工图、抽查测试等方法对工程设备安装质量进行检查和观感质量验收。(8)系统检测时应具备的条件:1)系统安装调试完成后,已进行了规定时间的试运行;2)已提供了相应的技术文件和工程实施及质量控制记录。依据合同技术文件和设计文件,以及规范规定的检测项目、检测数量和检测方法,制定系统检测方案并经检测机构批准实施。