一般来说,如果没有针对能够表征产品退化的重要参数进行监控,那么PHM系统是无法准确预测产品的健康状态的。
因此,PHM实施的第一步是确定将要进行监测的参数,其主要包括测量并记录环境参数及工作或非工作状态下的产品参数,这可为模型和算法的选择与开发提供必要的信息,以供检测和预测产品的健康状态。
一、总体思路
PHM实施中需要监控的产品生命周期参数,可依据其与产品功能或性能的关系来进行选择。对于现成产品,首先可根据产品的历史信息来选择敏感参数,比如可根据过去对重要参数的了解、类似产品的现场故障数据及质量测试结果来选择参数。对于新研产品,由于缺少相关的历史信息,因此可基于以下因素确定敏感参数:对产品安全性至关重要的参数、可能导致灾难性故障的参数、对完成任务极为关键的参数或者会造成长时间停机的参数等。
此外,还可以采用 FMEA/FMECA 等其他系统方法来确定需要监控的参数。开展 FMEA/FMECA 有助于确定在预期生命周期载荷的条件下对产品可靠性、可能的失效位置、潜在失效机理及其对产品的影响等方面至关重要的部件或结构。根据这一信息,就能确定造成损伤且导致重要失效机理的关键参数,从而可以进行监控。
二、常用参数
Pecht 等人推荐了几个可用于电子产品 PHM 技术实施的可测量参数,其对象包括开关电源、线缆和连接器、CMOS集成电路及压控振荡器等,如下表1所示。
表1
三、获取方法
电子产品监控敏感参数的获取方法如图1所示。首先,利用产品尺寸和材料属性等信息确定下一步要分析的元器件或功能;其次,通过对电子产品生命周期负载的估计,确定被分析元器件的潜在失效模式,然后再确定潜在的失效根源及潜在的失效机理;随后,确定失效模型,并利用维护记录等信息对失效机理的优先级进行排序;最后,选择出需要监控的参数及其所处的位置。
图1
四、获取途径
敏感监控参数的获取途径主要包括:①商业化传感器;②BIT;③专用传感器。
1.商业化传感器的选择
PHM技术中常用商用传感器及其被测物理量如表2所示。
表2
PHM传感器系统的要求取决于特定应用,但一些实用的因素也应纳入考虑的范围之内,如表3。用户需要对这些考虑因素进行优先级划分,并进行必要的权衡和取舍,从而为特定应用选择最佳的传感器系统。
表3
PHM技术中的传感器技术研究主要集中在新型传感器的开发和应用研究、传感器优化布置等方面。传感器的研究重要的发展趋势是智能化、微型化,方便实施,便于集成,便于实现大面积、多点、多参数的监测传感网络。比较典型的方向有光纤技术、微机电技术和纳米技术等。
2.BIT
机内测试(Build In Test,BIT)是提高电路系统可靠性和降低系统维护费用的关键技术。它通过附加在电路系统内的软件和硬件对电路系统进行在线故障自检测。
在 BIT 技术设计中,测试点是故障检测和隔离的基础,测试点位置、测试点数量等的选取对系统测试性具有重要的意义。根据设置位置和用途的不同,测试点可分为外部测试点和内部测试点、有源测试点和无源测试点等。(测试点是测试被测单元的电气连接点,包括信号测量、输入测试激励和控制信号的各种连接点。)
测试点的选取和设计是BIT设计的一项重要工作,测试点设置的适当与否直接关系到BIT的测试水平、诊断时间和费用。因此,在测试点选取时,应进行充分的分析研究,做好以下工作:
(1)对被测试电路加以说明,并进行详细的分析;
(2)进行功能层次划分;
(3)确定生产和维修中的测试策略;
(4)了解测试对象所要求的特性;
(5)分析测试对象的结构,保证便于测试;
(6)分析测试点对被测系统电路固有特性的影响;
(7)依据故障率、测试时间和测试费用来优选测试点。
3.专用传感器
在某些情况下,对电子产品的PHM技术实现所需监测的参数无法采用现有的传感器进行数据采集,这种时候就需要自行设计开发专用的传感器。这些传感器根据元器件的失效机理或特殊功能需求而制。这里我们不做详述,待后续结合实例展开。
本文根据孔学东,恩云飞等老师编著的电子产品故障预测与健康管理改编。