现代产品可靠性提升的设计手段（二）：失效分析

失效分析是对已失效器件进行的一种事后检查，根据需要，使用电测试以及许多先进的物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告的失效，确定其失效模式，找出失效机理，在生产工艺、器件设计、试验或应用方面采取纠正措施，以便消除失效机理产生的原因，防止重新出现。失效分析工作在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面发挥着很重要的作用。失效分析基本原则如下： 失效分析流程一个完整的失效分析流程包含故障模式信息调查、故障模式确认、故障定位、失效分析（非破坏性和破坏性）、失效机理确认、提出改善建议、提炼设计规则等。每阶段的具体内容如下： 失效分析手段为确认失效品的失效机理，需要定位失效点并对失效点进行分析，找到失效点的形貌和化学元素组成等，作为判定失效原因的依据。按照不同的分类手段，失效分析方法可分为非破坏分析、半破坏分析、破坏分析或者金相分析、物理分析、化学分析。下面列举了几种常见的失效分析手段： 典型失效案例失效分析服务对象涉及PCB、元器件、金属材料、非金属材料等。PCB板常见的失效现象有通孔缺陷、材料分层、走线断裂、对地短路、异物掺杂等。器件类常见的失效现象有本体开裂、烧毁、焊接异常、内部气泡、腐蚀、枝晶等。材料类常见的失效现象有材料断裂、变形、腐蚀、气泡、空洞、磨损、杂质缺陷等。

现代产品可靠性提升的设计手段（一）：可靠性仿真

可靠性仿真简介 可靠性仿真，即计算机辅助工程（CAE）作为一门新兴的学科已经成为了各大企业尤其是智能制造新产品开发过程中不可缺少的一环。传统的CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，验证未来工程/产品的可用性与可靠性。如今，随着企业信息化技术的不断发展，CAE软件与CAD/CAM/ PDM/ERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面都发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。 CAE技术主要包括以下三个方面的内容： （1）有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容； （2）仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容； （3）优化设计的主要对象是结构设计参数。 仿真工作流程 常见的CAE仿真类型有路普仿真、载荷谱仿真、动力学仿真、结构强度仿真、疲劳仿真、振动仿真以及热管理与仿真。经典的仿真工作流程如下图所示： 典型仿真案例 以工业机器人为例，常见的失效模式有机构运动失效、机械臂的刚度失效、腕部零件变形失效、转座部位零件变形失效、底座/腰/肘/肩关节减速机失效、小臂疲劳失效以及末端执行器零件失效等等；以上失效模式可归类为动力学问题、刚度问题、齿轴疲劳问题、结构疲劳问题、振动问题及散热问题六类问题。为了提升机器人产品可靠性，促进机器人产业化进程，下图所示八大核心仿真能力应运而生。 可靠性与绝缘事业部

车载T-BOX的电磁兼容测试技术

车载T-BOX的电磁兼容测试技术技术专家——王怡倩工作单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司职位：电器设备检测所汽车事业部项目工程师工作方向：目前从事项目管理工作，熟悉各项电磁兼容测试项目及测试方法。1、参与国家强制性标准GB14023，推荐性标准GB/T6113.201，GB/T6113.202，GB/T6113.203标准制修订工作2、在汽车智能网联的电磁兼容测试技术方面有深入的理解，并输出了相关论文《车载T-BOX的电磁兼容测试技术》3、CCAA认证人员（自愿性工厂检查员）目前许多车辆上都安装了车联网终端，能够方便高效地连接卫星实现车辆定位，并且能够自动连接通信基站，将解析后的信息发送到第三方。对于车联网终端，需要以电磁波为载体来实现其功能，因此无线终端设备的EMC测试也变得愈发重要，只有通过了EMC测试，才能保证T-BOX（Telematics BOX）使用的稳定性，而车联网终端功能多样、技术复杂，在EMC测试中模拟其正常工况是一个技术难点。本文将详细论述如何在EMC测试中模拟出T-BOX的正常工况。1车载T-BOX的工作原理、功能与应用 TBOX包括：4G 模块、MCU处理器、CAN总线、音频处理、电源管理、外部接口几个部分。图1 TBOX系统框图Connector-接插件；Interface Circuit-接口电路；MCU-微程序控制器；Charger-充电器；Module-模块；Audio CODEC-音频编解码器； T-BOX作为无线网关为整车提供远程通讯接口，可以提供行车数据采集、行驶轨迹记录、车辆故障监控、车辆远程控制（开闭锁、空调控制、车窗控制、发送机扭矩限制、发动机启停）、驾驶行为分析、4G无线热点分享等服务。 T-BOX是安装在车辆上、使用车载电源供电的设备，主要由车载主机、卫星天线、移动天线、电源线束和保险丝盒等部分组成，其中主机内集成有卫星通信模块和移动通信模块，如图2所示。图2 车联网终端结构示意图 当主机通电工作时，车载T-BOX可深度读取汽车Can总线数据和私有协议，卫星信号模块能够实时采集卫星信息，并解析信息，移动通信模块将解析后的位置信息通过移动网络上传到后台服务器。配合其他车载传感器，将车辆信息上传至第三方。通过计算机技术，将大量的车辆信息进行分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况、安排信号灯周期，甚至远程断油断电，实现防盗干预。图3 T-BOX功能方案图2EMC测试中的技术难点T-BOX在进行EMC测试时，无线信号覆盖是必须解决的技术问题。辐射发射、辐射抗扰度等EMC测试需要在电波暗室中进行，而电磁兼容试验的一个基本原则就是让受试设备工作在典型工况下。在电波暗室中，空中的卫星信号和手机信号均被屏蔽，这与设备的测试工况要求存在矛盾。这一技术难题可以通过无线信号覆盖装置解决（见图4）。图4 无线信号覆盖装置的结构示意图该装置由以下几个部分组成 :（1）接收天线：用于接收卫星信号和移动通信信号；（2）信号转发器：安装于室内，具有输入和输出两个端口，能够放大接收天线收到的信号，以补偿电缆损耗；（3）发射天线：安装于电波暗室或电磁屏蔽室内 ,其输入端与信号转发器的输出端连接，将放大后的无线信号输送至电波暗室或电磁屏蔽室内，进行覆盖；（4）同轴电缆：用于上述设备的相互连接，接口类型为N型或SMA，特征阻抗为50Ω；（5）同轴转接器：安装于电波暗室或电磁屏蔽室内的墙壁上，用于室内外同轴电缆的接入和滤波，电压驻波低于1.2。以上方案解决了无线信号覆盖问题，确保T-BOX能够在实际工况下进行EMC测试。信号覆盖系统简单高效。3车载T-BOX的电磁兼容测试 3.1 用于测试的T-BOX的基本信息 本文用于测试的T-BOX是一款车载前装T-BOX产品，无WiFi/BT/传感器，使用自带的GPS。主要提供CAN总线数据采集、数据上报、网络服务功能。工作频段为：TDD-LTE: Band 38/39/40/41（2555--2655MHz）；TDS：B34/39；GSM：Band Quadband 。该T-BOX在车身上属于一款连续型工作且含有源电子元件的电子模块，其外壳是属于非金属的的绝缘体，在车身的安装位置是在乘员舱，并且是在人体不可接触的部位，电源回线采用远端接地的方式。产品功能分类为辅助提高车辆的操作或控制性能，但不是车辆操作和控制所必须的功能，且失效后不会影响到车辆的行驶安全。 3.2 试验系统布置 首先需要在电波暗室中建立如下图所示的测试系统，并通过计算机软件在远端对车联网终端的功能状态信息进行设置和监控。使得车联网终端进入典型的工作状态。图5 测试系统示意图 Bench测试板连接外设MIC和Speaker播放器，通过40pin排线连接T-BOX，完成can和按键相关测试辅助功能，供电只需给Bench板供电12V，T-BOX不用再单独供电，T-BOX的USB线缆连接到笔记本的USB口，T-BOX外接GPS和ANT天线。连接示意图如下图所示。图6 Bench测试板示意图 3.3 EMI测试 在进行发射测量时，应确保信号覆盖装置不会将不必要的电磁干扰信号引入电波暗室，影响试验结果的准确性。安装合适的带通滤波器，可以隔离外界电磁波对实验结果的影响，解决上述问题。辐射发射和传导发射测试在综测仪模式下进行测试，测试标准参照CISPR 25:2008，其中FM波段（76-108MHz）需满足CISPR 25-2008等级5；其它频段需满足Class3。综测仪的参数设置依据TBOX的参数来进行设置（TDD-LTE模式，B38/B39/B40/B41，工作频段：B41/40740/2605MHZ），同时用GPS信号源给TBOX一个GPS信号，通过上位机确认TBOX同时连接到综测仪以及GPS信号源发出的信号。图7 EMI测试示意图图8 综测仪参数设置界面 3.4 EMS测试 在进行T-BOX辐射抗扰度试验时，需要考虑信号覆盖装置的抗干扰问题。装置不能受到试验电磁干扰的影响而发生性能降低或损坏问题，可通过采用频段较窄（工作频段以外隔离度高）、前后比（即天线前向最大波瓣电平与后向的副瓣电平之比）较大的发射天线解决。在实际使用中，将发射天线的工作端面背离辐射干扰发射天线，能够有效避免干扰场强耦合进入卫星导航信号覆盖系统。抗扰度测试在4G公网模式下进行测试，使用GPS信号源给TBOX GPS信号得同时，还需要连接一个4G信号放大器，使TBOX连接到4G公网信号。图9 EMS测试示意图（1）辐射抗扰度测试 测试标准参照ISO 11452-2:2004，试验中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。天线垂直极化和水平极化两种状态均需要进行测试。1GHz以上频段，应对T-BOX三个正交平面方向分别进行测试。（2）大电流注入测试 测试标准参照ISO 11452-4:2005，试验中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。T-BOX距离负载箱、人工电源网络的距离为1700mm。1MHz～30MHz，采用 DBCI 布置，电流注入探头应置于距T-BOX接插件 150mm 和 450mm 位置分别进行测试。T-BOX电源回线应置于大电流注入探头的外部，T-BOX其它线束应置于探头内部。30MHz～400MHz，采用CBCI 布置，电流注入探头应置于距DUT接插件450mm和750mm位置分别进行测试。T-BOX所有线束应置于大电流注入探头的内部。（3）手持发射机抗扰度测试 测试标准参照ISO 11452-9：2012，试验中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。测试X+/X-/Y+/Z+/Z-共5个面+线束3点（10cm间隔）,由于Y-安装位置朝向发动机舱，远离仪表台，无需进行测试。（4）瞬态传导抗扰度测试 测试标准参照ISO 7637-2:2004，测试过程中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。测试前后对WAN指标、GPS测量的CN值、MIC和Speaker进行验证。（5）瞬态耦合抗扰度测试 测试标准参照ISO 7637-3:2007，测试过程中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。T-BOX的电源线不进行测试，其余线束一起置于电容耦合箝（CCC）和电流探头（ICC）中测试。（6）静电放电测试 测试标准参照ISO 10605:2008，测试过程中需要对T-BOX的WAN通讯、CAN通讯、AVN USB通讯、GPS测试、KEY检测、Speaker检测、MIC检测等功能进行监控。断电测试后需上电检查各项功能，确保T-BOX的各项功能运行正常。 3.5 受试设备状态监控 执行测试时，需要对T-BOX的各项功能进行监控，监控设备主要有Bench板，4G综测仪，GPS信号发生器，IHU主机，PC监控软件等组成，在进行不同测试时，需要对不同监控设备进行监控，监控内容与方式如下表。其中最主要的是通过上位机相应的软件监控上位机上的CAN通信和GPS信号的连接状态。为了避免上位机在电波暗室内对测试的干扰以及保证CAN总线信号的正常传输，可以使用CAN信号光电隔离把上位机转接到暗室外对软件进行监控，以避免传输线受到电磁干扰而影响监控数据的有效性。表一 4结语 电磁兼容试验室在建立高能级共性试验能力的同时，还应根据T-BOX的技术特点，配备相应的信号覆盖系统、实时监控设备以及起到屏蔽、隔离等作用的辅助装置。这样才能适应T-BOX的技术发展要求，对其电磁兼容性能进行全面完整的测试和评估。5参考文献[1] 赵士桢,周蓓,马欣.车联网终端 EMC 测试实施中的关键点[J].安全与电磁兼容，2015（5）：25-27[2] CISPR 25:2008 Radio disturbance characteristics for the protection of receivers used on board vehicles, boats and on devices-limits and methods of measurements[S]. 2008.[3] Q/JLY J7110779B-2014《乘用车电气/电子零部件电磁兼容规范》

高分子材料温度指数的评定——常规法和快速法

高分子材料温度指数的评定常规法和快速法技术专家李园园上海电器设备检测所 有限公司可靠性与绝缘事业部绝缘实验室经理工作方向从事绝缘材料和绝缘系统的检测技术研究以及相关标准的制修订工作1、温度指数的定义从耐热性关系推出的时间为20000h（或其他规定时间）时的摄氏温度的数值。（耐热图：一种表示耐热性试验中达到规定终点时间的对数与热力学（绝对）试验温度倒数关系曲线图）2、温度指数评定的重要性 长期运行的电气设备发生故障一般为绝缘性故障。通常情况下温度是作用于电气绝缘材料（EIM）的主要老化因子，因此绝缘材料的使用可靠性一般用其温度指数或热寿命进行评定。研究表明长期高温使用会严重损坏绝缘材料的绝缘性能，发生绝缘故障。为防止电气设备因绝缘材料高温老化发生故障，电气设备制造过程中需根据绝缘材料的温度指数或耐热等级选择合适的绝缘材料，因此，绝缘材料的温度指数评定至关重要。3、温度指数评定原理 阿仑尼乌斯方程是用以评定关于化学反应速率与温度之间的关系，热氧化分解过程可以用阿仑尼乌斯方程进行表述：对于绝缘材料，不同种类的分解试验决定了材料机械性能、电性能等与时间的依赖性，因此在绝缘材料温度指数评定中假设温度引起预设性能变化所需的时间的对数与相对应的绝对温度的倒数之间存在这线性关系，及Arrhenius关系，即关系式如下：此方程反映了温度和寿命之间的关系，通常被称为绝缘材料的寿命方程 4、常规温度指数评定 绝缘材料常规温度指数评定的依据标准主要有：GB/T 11026.1 -2016 电气绝缘 耐热性 第1部分：老化程序和试验结果的评定GB/T 11026.2-2012 电气绝缘材料 耐热性 第2部分：试验判断标准的选择GB/T 11026.3-2006 电气绝缘材料 耐热性 第3部分：计算耐热特征参数的规程……常规热寿命评定法主要是将绝缘材料暴露于多个温度点下，评定每个温度点下的寿命，根据绝缘材料暴露温度以及相对应寿命，推断绝缘材料的寿命方程，从而对其温度指数进行评定。 5、快速温度指数评定法原理绝缘材料快速温度指数评定的依据标准如下：IEC/TS 60216-7-1 Electrical insulation materials – Thermal endurance properties–Part 7-1: Accelerated determination of thermal endurance index (TI) and relative thermal endurance (RTE) using analytical test methods-Calculating procedures for TI and RTE based on activation energy快速温度指数评定法主要是根据热重分析（TGA）或差示扫描量热法（DSC）分析绝缘材料的活化能，然后结合单点老化试验结果推断其寿命方程，进行温度指数评定。5.1热重分析（TGA）计算活化能热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术。根据标准ISO 11358-2，测量绝缘材料不同升温速率下的热失重曲线，如图1所示。α-转化率，β-升温速率，T-试验温度图1 不同升温速率下的热失重曲线根据标准ISO 11358-2可知，同一转化率下升温速率和对应温度下的关系式，如下式所示：因此，可以得到同一转化率下logβ和1/T的关系图，如图2所示。α-转化率，β-升温速率，T-温度图2 logβ和1/T的关系图根据同一转化率下logβ和1/T的线性关系，可以得到不同转化率下的活化能，如图3所示。图3 活化能与转化率的关系曲线5.2差示扫描量热法（DSC）计算活化能 氧化诱导时间反应的是一定温度下材料开始与氧气或空气接触直到发生氧化反应的时间。氧化诱导时间（OIT）通常用来评估聚合物材料的热氧化稳定性能，差示扫描量热法（DSC）可用于OIT的测量。 氧化诱导时间是一定温度下材料开始与氧气或空气接触直到发生氧化反应的时间，间接代表材料的转化率，根据Arrhenius方程可知：对绝缘材料进行不同温度下的氧化诱导时间测定，可以得到氧化诱导时间和试验温度的关系曲线，如图4所示。ln(t(OIT))和1/T成线性关系，其斜率为Ead/R。A，B，C-样品种类图4 氧化诱导时间和温度的关系图6、评定周期比较常规温度指数评定周期：1年左右快速温度指数评定周期：1个月左右

电机效率测试系统整体校准方案应用分析

电机效率测试系统整体校准方案应用分析 技术专家——陈勤 1983年出生，毕业于中国计量学院测控专业。上海电器科学研究所（集团）有限公司计量事业部负责人，从事仪器设备计量校准工作10年。在低压电器大电流、转矩传感器、电机整机系统、高压、非标大型测试系统计量校准方法方面有较深入的研究和实践，研发建立国内首个0.03%级10kNm扭矩标准机，编制计量行业规范7项，是该领域较有影响的青年专家。 电机效率测试系统的准确度主要依靠定期的计量来验证，各种电机效率测试系统一般都采用分部式的方法进行校准。即对系统中的电流传感器、功率分析仪、转矩转速传感器及转矩转速测量仪等设备仪器进行拆除后，再送到计量机构进行校准。这种方法不仅费时费力，影响测试系统的正常使用，而且不易评估各部件的校准误差对整个电机效率测试系统综合误差的影响。 为了解决这一行业难题，上海电器设备检测所计量事业部经过几年的技术研究和实践，提出了一套全新的电机效率测试系统整体校准方法，并于2012年编制了电机效率测试系统校准规范、2014年获得了CNAS的认可。该方法已经在大的电机生产厂家及科研机构得到了推广和应用，已经为安徽皖南、、ABB电机、福建质检等很多企业和检测机构的电机测试系统提供了整体校准的服务，得到了很好的认可。适用范围 此校准方法适用于新购置的,使用中的和维修后的电机效率测试系统测量性能的整体校准，校准的参量包括电流、电压、功率、功率因数、电压频率、转矩、转速，并能进行能效评估。校准在用户现场进行，具有测量便捷，测量准确度高、工作效率高的特点。方法简述 此校准方法原理图见图1。将电流传感器串接在电机效率测试系统的电流回路，电流传感器输出信号接入功率分析仪。被测电压信号经过高压分压器（低电压无需使用）、隔离放大器（测试现场无影响仪器正常工作的电磁干扰时，可不使用隔离放大器）传输到功率分析仪。通过采集被测的电流、电压信号可以对电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波电压、谐波电流等参量的示值误差进行校准。机械量的校准，则由标准转矩转速传感器组合功率分析仪，并使用自制的万用联轴器与被校机械量传感器串接在一起，比较两者所显示出来的扭矩值与转速值，最终计算出其相应的误差。 简言之，此校准方法通过将校准装置测得的实际值与被测电机效率测试系统的显示值比较，从而得到电机效率测试系统的综合误差。 根据国家标准GB/T1029-2005《三相同步电机试验方法》、GB/T1032-2012《三相异步电动机试验方法》、GB/T14481-2008《单相同步电机试验方法》、GB/T9651-2008《单相异步电动机试验方法》，单相、三相电动机试验用电量测量仪器的准确度应不低于0.5级（满量程）；测量用仪用互感器的准确度应不低于0.2级（满量程）；电量变送器的准确度应不低于0.5级。要对这样的电动机试验装置的电参量进行校准，整个测量标准装置的综合误差应小于被校电机效率测试系统误差的1/3。也就是说整个测量标准装置电量测量的综合误差应小于0.2级。图1 电机效率测试系统校准原理框图图2 电机效率测试系统现场校准安装范例联系人：上海电器设备检测所 计量事业部 陈勤15800368310