光电系统环境与可靠性工程技术（光学工程高等学校电子信息类专业系列教材）

作者简介

内容简介

第3章 CHAPTER 3 环境对系统可靠性的影响 与抗恶劣环境设计 针对环境对系统可靠性的重要影响，本章首先从总体上阐述环境因素对系统可靠性的影响，接着分析环境因素对光学系统的影响。然后以海上环境为示例，分析海上自然环境及对系统的影响，研究海洋船舶光电装备抗恶劣环境要求。最后以此探讨抗海洋恶劣环境设计。从而形成环境影响分析及其防护技术思路与方法，对举一反三开展抗其他恶劣环境设计和环境防护起到启发、示范作用。重点应掌握以下要点： (1) 掌握多种单一环境因素和复合环境因素对系统可靠性的影响，关注三个环境因素非线性叠加影响。 (2) 掌握温度、湿度等几种常见环境因素对光学系统的影响及失效模式，了解光学系统生雾的原因和防止方法。 (3) 掌握光学系统无热化方法。 (4) 了解海上自然环境及其影响、光电装备抗恶劣环境要求、抗海洋恶劣环境设计基本方法。 3.1环境因素对系统可靠性的影响 任何系统都是在一定的环境条件下工作的，要使系统在执行任务中能够具有满意的性能，可靠性工程师及设计师们必须熟悉环境对系统可靠性的影响，必须熟悉防止或减小环境条件对系统可靠性影响的各种方法。那么，首先就要对系统使用的环境条件进行预测，清楚地了解系统将在怎样的环境条件下工作，在这种环境中，哪些环境因素是影响系统可靠性的主要因素； 这些因素的强度、频率、持续时间以及各因素之间的相互作用； 系统执行任务时，这些因素中的哪些因素最有可能发生和影响最大等，作为确定对环境设计项目与要求的出发点。 系统由于环境影响而发生失效，按其对系统的影响可分为两类： ①机械影响； ②功能影响。 尽管两类影响都使系统不能满意地完成任务，但是在一般情况下，只有机械影响表现为一个或多个部件的实际损坏或失效； 而功能多数情况下表现为系统的功能在环境条件影响下的发生有害变化或使系统不能完成任务。环境条件对系统可靠性的影响往往有表现为单一环境因素的影响和复合环境因素的影响两大类。 3.1.1单一环境因素对系统的影响 表31列出了环境因素对系统的影响及其提高可靠性的一般方法。 表31环境因素对光电系统的影响和提高可靠性的方法 环境应力 主要影响及典型故障模式 提高可靠性的方法 高温 热老化、金属氧化、结构变化、设备过热； 绝缘失效； 电阻、电容、电感、介质常数、谐振腔等参数改变； 润滑剂的黏性降低，失效率增大； 由于物理膨胀产生结构过载，活动部件由于膨胀而卡住，元件焊点脱开 加散热装置(如对大功率器件或集成电路)、冷却系统、热绝缘和采用耐热材料 低温 塑料和橡胶失去柔性，变脆； 电介常数改变； 有潮气时会出现结冰； 润滑剂变成胶质并且变黏； 涂覆表面龟裂； 由于物理收缩而使其结构降低，丧失润滑性； 改变电和机械功能，丧失机械强度，易碎、损和折断； 结构失效，增加活动部件的耗损 采用加热装置、隔热、耐寒材料 潮湿 吸收湿气、锈蚀等； 绝缘电阻降低、电介常数增大，造成导体之间的漏泄通路，电气性能下降； 渗入多孔性材料内，造成导电体之间漏电通路，产生氧化，从而导致腐蚀； 潮湿引起垫片之类材料膨胀； 过度的干燥会使材料变脆和表面粗糙； 膨胀、容器破裂、物理损坏，丧失机构强度，结构崩溃影响功能、丧失电性能，增加绝缘电导 采用气密(如传感器)、防潮材料、干燥剂、去湿器和防护涂层(如电子线路板喷涂三防漆) 温度冲击 材料可瞬间超应力，造成龟裂和机械失效； 电性能永久性改变； 裂纹、密封破坏、弱化、结构损坏 使用防高温和低温综合技术 盐雾 盐和水结合能使材料导电，因而使绝缘电阻降低、电气性能下降； 加速金属的电化学腐蚀、绝缘材料腐蚀，侵蚀光学膜层； 磨损加剧，机械强度降低； 功能受影响； 表面变质，结构强度降低，导电性提高 传感器设备，伺服随动设备等用气密和去湿器，非密封其他设备用非金属保护层，接触中减少使用不同金属(如电子线路板喷涂三防漆) 振动与冲击 机构结构强度可能降低，造成松动或散架； 组件可从支架上脱落； 机械性能受到破坏，增加磨损，机械结构损坏； 机械应力疲劳，电路中信号调制产生噪声； 磨损增加、捕获、跟踪性能下降，半导体器件、组件的管脚、导线折断，继电器、开关的瞬间断开，电子插件性能下降，黏层、键合点脱开，电路瞬间断路； 激光测中概率降低，识别能力下降、虚警率增加； 电信号可能机械地或错误地调制 提高强度，控制谐振，加固结构件，减小惯性和力矩，以及采用抗振技术(如减振器) 电磁辐射 在设备和元件中产生假的错误信号； 能使得通信系统和测量系统等设备的正常工作完成中断或受到严重影响； 感生磁化等； 破坏正常工作性能，识别、捕获、跟踪能力降低，光电(红外、电视)图像干扰； 功能受影响； 电气性能变化； 感应加热 加强屏蔽，注意材料选择和元器件类型选择，合理接地，光耦隔离 高压 压缩； 结构破坏； 密封破坏； 功能受影响 低压 (高空) 容器、油箱等结构超应力，可能爆炸和破碎； 密封漏气，材料中的气泡会爆炸，造成损坏； 由于没采取冷却措施，内部热量会增加； 空气介电强度降低，绝缘体会飞弧或击穿； 可能生产臭氧； 很可能产生排气作用； 包装器材破裂，产生爆炸性膨胀； 电气性能变化； 机械强度降低 增加容器的机械强度； 密封增压，采用其他低挥发性液体； 改进绝缘； 改进热传导方法 核辐射和宇宙辐射 引起热老化，改变材料的化学、物理和电性能； 产生气体和二次辐射； 能使表面氧化和褪色； 对电器和光电子元件，特别是半导体器件、光学元件、光电子器件产生损坏 屏蔽； 选择元器件； 进行核加固续表 环境应力 主要影响及典型故障模式 提高可靠性的方法 沙尘 擦伤、磨坏精加工表面； 增加表面之间的摩擦； 润滑剂被玷污； 气孔阻塞等； 材料磨损、龟裂或碎裂； 刮伤、绝缘体玷污、产生电晕通路； 磨损加剧； 功能受影响； 电气性能变化 空气过滤； 密封 太阳辐射 光化作用和物理化学反应； 脆化； 表面变质； 电气性能变化； 材料褪色； 出现臭氧 选择涂覆材料； 加强稳定性设计 霉菌 霉菌吞噬和繁殖、吸附水分、分泌腐蚀液体； 有机材料强度降低、损坏，活动部分受阻塞导致其他形式的腐蚀，如电化腐蚀、光学透镜表面薄膜侵蚀，金属腐蚀和氧化 选择防霉材料； 加强了相应的变化。 曲率半径： r→r+dr=r(1+Xg·dt) 元件厚度： D→D+dD=D(1+Xg·dt) 空气间隔： S→S+dS=S(1+Xm·dt) 折射率： n→n+dn=n+Bg·dt 空气折射率： Nair→Nair+dNair=Nair+Bair·dt Xm为空气的线性热膨胀系数，Bair为空气折射率的温度系数。从曲率半径r的变化看，只是曲率的增加或减少，球面经过温度变化后仍为球面，抛物面变化后仍为抛物面。至于D、S、n、Nair变化后是和空间位置无关的量，只是dt的函数。空间间隔的变化是因为装配材料的热胀冷缩引起的。 所谓径向温度梯度分布，是指从一个环境突然变化到另一个环境，或是在一个稳定的外界热平衡条件下，热量以对流的方式从光学元件表面流入，由于光学玻璃的导热性低，在光学元件的内部，形成了从中心到边缘的径向温度梯度分布。对于大口径的光学元件(一般是在空间光学系统中使用)或是薄透镜，轴向线度相对于径向是很小的，因此，可以忽略轴向的温度梯度分布。 在径向温度梯度分布的情况下，光学元件结构参数的变化要比上述均匀温度变化情况下结构参数的变化复杂得多。从光学玻璃的热膨胀系数Xg的影响而言，由于温度变化的非均匀性曲率半径和元件厚度的变化也就不再是均匀的了。对单透镜而言，若透镜的两个表面半径为r1和r2，则径向高度为R的透镜上P点的厚度D(R)由下式给出： D(R)=D0+r21-R2+r22-R2-(|r1|+|r2|) D(R)+dD(R)=D(R)+D(R)·Xg·dt(R)=D(R)(1+Xg·dt(R)) 对曲率半径r，有 r+dr=r(1+Xg·dt(R) 可见，r，D的变化都是径向高度R的函数，也就是说是不均匀的变化。光学元件的表面面形也将发生不均匀的变化。 对于光学设计人员来说，光线追迹是必不可少的工作，对于温度变化后的光学系统，光线追迹也将分两种情况处理： 在均匀温度变化下的光学材料仍然是均匀介质，因此光线追迹将遵循直线传播规律，只是光学结构参数将使用变化后的新参数； 而在径向温度梯度分布的介质中，光线追迹将是复杂的，只是在折射率分布已知的几种特殊情况下才可能进行。 3. 解决措施 通过一定的补偿技术，使光学系统在一个较大的温度范围内保持焦距不变或变化很小。因为温度变化对光学系统的直接影响就是使系统产生像面位移，从而使成像质量变差。采用无热技术可分为三个大类： 1) 机械被动式无热技术 这种技术的核心是通过使一个或一组透镜产生轴向位移，从而补偿由于温度变化所引起的像面位移。这种轴向位移可以通过使用对温度敏感的材料，通过其热胀冷缩来获得。也可以利用有形状记忆特性的合金来获得。 2) 机械(电子)主动式无热技术 这种技术的实质同上一种一样，也是通过一个或一组透镜产生轴向位移达到补偿效果，但是实现的方法不同。首先利用传感器探测出温度，传感器将信息传给处理器，处理器利用存储在存储器里的温度—位移对照表查出对应的位移，或利用关于温度的位移多项式计算出对应的位移，接着驱动马达，带动透镜产生轴向位移。电子技术的飞速发展，使得在存储器中能贮存更为复杂的多项式，而传感器不但种类更多，体积更小，灵敏度也不断提高，使得主动式无热技术越来越成熟。 3) 光学被动式无热技术 这种技术利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料之间的合理组合来消除温度的影响，从而获得无热效果。例如，折射率温度系数对某些光学材料来说是正值，而对另一些光学材料来说是负值，通过这些不同材料透镜的适当组合，就可消除像面位移。表36对这几种方法进行了比较分析。 表36光学系统无热化方法比较 项目 类别 实 现 方 法 性 能 可靠性 重量 成本 是否 需供电 环境稳定性 可维 护性 机械被动式系统 (1) 利用高膨胀率的固体材料。 (2) 利用高膨胀率的塑性材料或液体补偿。 (3) 利用形状记忆材料补偿 好 一般 笨重 相当低 否 好 好 机械(电子)主动式系统 利用热传感器、反馈电路、电机和预先存储的温度—位移对照表进行精确控制 好 依赖于电子元件 重 高 是 不能承受严酷的环境条件 一般 光学被动式系统 利用具有不同热参数的材料之间的互相补偿来减小面位移 好 极好 很轻 低 否 取决于所选的光学材料，通常非常好 极好 由表36的对比可见，在三种无热技术中，光学被动式技术的综合效率最高，而且由于具有重量轻、不需供电、可靠性好等特点，尤其适用于空间探测系统。但早期的光学设计多用手工计算进行，计算量本已十分庞大，而寻找匹配的光学材料，更是使计算量成倍增加。而且如果涉及像面位移和色散之间的平衡问题，使得靠手工计算几乎已难以完成设计。因此采用较多的是机械主动和被动式系统，这就不可避免地使系统体积变大，重量增加，可靠性降低。 计算机和光学的结合，产生了一门崭新的技术——光学系统计算机辅助设计。它使得光学设计人员从繁重的手工计算中解脱出来。过去需要几天、几个月才能完成的工作，现在只需几分钟、几秒钟就能完成； 过去由于受计算量限制而无法进行的设计工作，如今就有可能进行了。设计人员的主要精力已由过去的计算像差变为搜索资料和分析像差。光学自动设计技术还使得计算机代替人做分析像差和修改结构参数的工作。 随着光学的辅助设计软件的进一步完善，无热设计会逐步被包含进去，设计人员只需给出环境温度的变化范围，并选择相应的材料，软件就能给出光学系统的像质变化参数。更进一步地发展，将建立完善的光学材料系统，可以进行无热优化。 3.3海上自然环境及其影响分析 3.3.1高温和高湿 海洋环境的一大特点是高温、高湿持续时间长，出现频率高，虽然陆上湿热环境的相对湿度高达95%，同时出现的温度为25℃或更高，但一般都限于最热最潮湿季节出现，而海洋大气的高温高湿季节则更长，其中南海海面出现的高温高湿频率又较渤海、黄海海面更高、持续时间更长。 潮湿是影响光电系统稳定性、可靠性最严重的因素。无论金属材料或非金属材料，吸潮后均会在表面形成一层“水膜”，大气中的CO2、SO2、NO2、H2S等气体会溶解在“水膜”中形成电解液，使绝缘介质的绝缘性能下降，使金属材料产生化学腐蚀或电化学腐蚀。人们归纳许多经验结果得出一条近似规律，对一般的化学反应来说，如果反应物的浓度恒定，温度每升高10℃，反应速度会增加1~2倍。可见，高温潮湿腐蚀更为严重。非金属材料吸潮后，由于毛细管凝结，与金属接触时，会使金属的临界湿度下降，如钢铁与吸潮的非金属接触，临界湿度可由70%降为40%~50%，从而促进金属的腐蚀。潮湿还有利于霉菌等微生物的生长而侵蚀金属和非金属材料。所以，潮湿是造成腐蚀的最大根源。 一般说来，高温影响产品使用可靠性，但海面环境中(空气)最高温度记录为51℃(世界可航水域)，1％风险率的高温极值为48℃，而南海海面环境最高温度一般均不超过40℃； 世界可航水域海面环境高温高相对湿度的最高记录为36℃、相对湿度为100％，1％风险率的高温高相对湿度极值为25~29℃、相对湿度为93％~100％，光电装备露天部分的设备应能在此环境中正常工作，舱内设备应能在38℃和相对湿度95％的高温高相对湿度中正常工作； 世界可航水域的1％风险率高温低相对湿度极值为45~26℃时，相对湿度为12％~51％，5％风险率的高温低相对湿度极值为45~26℃时，相对湿度为15％，光电装备露天部分的设备应能在1％风险率的高温低相对湿度极值环境中正常工作； 世界可航水域的海面环境低温高相对湿度的最记录为-38℃时，相对湿度为100%。1%风险率的低温高相对湿度极值为-34℃时，相对湿度为100%。所以高温并非关键所在，突出的是高温高湿对光电装备同时作用时间长，主要表现在系统绝缘受潮速度、金属外观变化、性能降低等方面。也就是说从受潮机理和受潮速度分析，温度、湿度同时作用的结果起主导地位，且在很大程度上取决于空气的相对湿度和同时作用的持续时间。在相同的相对湿度下温度越高，受潮加速； 在一定的绝对湿度下，温度越低，相对湿度越大，绝缘受潮速度和程度即取决于空气的相对湿度。由于海洋大气中水汽含量充沛，而温度却不如陆上高，因此相对湿度普遍都大，且持续时间又长。由此可见，南海大气中的高温、高湿对系统的影响是首当其冲的。 3.3.2盐雾 盐雾是悬浮的氯化物和微小液滴组成的分散系统。空气中的含盐量、盐雾沉降量与距离海岸的远近有密切的关系。据测定，距海岸20km，空气中的含盐量只相当于海边的1/50~1/100。溶解在水中的盐分是光电系统加速腐蚀的一个重要因素，特别是沿海地区和海洋环境，海洋含有3.5%~3.9%的盐，其严酷度达到了最大值。 盐雾中的氯化物是一种强电解质，大大增强金属表面液膜的导电性，促进电化学腐蚀。雾滴中的氯离子(Cl-)有较小的离子半径(1.82)，穿透力很强，能使许多金属表面钝化膜遭到破坏，而失去保护作用。盐雾的沉降量越大，对金属腐蚀越严重。 我国各海区的盐雾沉降量如表37所示，不难看出南海大于东海，而东海大于北海。 表37我国各海区盐雾沉降量 \"本书作者基于高校光电信息科学与工程专业培养高层次、综合性人才的需求，以及“新工科”课程建设的实际需要，从工程实际和教学出发，编著适合于光电类专业高年级本科生、研究生的教材，同时也适合光电行业的技术、管理人员学习参考，提高分析、解决光电系统环境与可靠性工程问题的能力。 本书是作者结合自己20多年从事光电系统环境与可靠性工程技术工作的经验，将基础理论与工程实际相结合，融合科研成果经验与心得体会的一部教材。 本书内容丰富，深入浅出；取材科研，源于工程；突出重点，应用性强；技术前沿，兼顾发展；系统全面，概念清晰；“脉络”纵横，层次分明，易教易学。 \"