环境试验的重要性及环境试验设备的有关问题

环境试验的重要性及环境试验设备的有关问题
1　环境试验的目的及其重要性
　　随着我国工业生产的快速发展和军用装备的改进，对产品的质量和可靠性要求越来越高，因而对可靠性研究必不可少的设备─环境试验设备的品种、质量的要求也更多更高。特别是海湾战争显示了武器装备在战争中的重要作用，也促使了我国军事科技和武器装备的研究、试验和发展。
　　国内外的部分统计资料表明，武器装备发生故障或损坏的原因一半以上是由于使用该产品时的环境因素引起的，如表1：
表1　 中、美军用航空产品故障情况
国　家      中      　      美      　
产　品      机载产品      沿海基地使用的产品      同一种175架飞机中31种产品两年故障分析      F/A-18大黄蜂飞机
因环境因素引起的故障      52.7%      52%      52%      51%
其中：温度(高低温)　　　振动　　　潮湿　　　砂尘　　　盐雾　　　低气压　　　冲击      42      40      55      40
     21.6      27      20      27
     19      19      19      19
     7.8      14      6      6
     3.9      /      /      4
     3.6      /      /      2
     2.1      /      /      2

　　可见，环境因素对军用装备非常重要，有不可忽视的影响，为了使军用产品有很好的环境适应性，从而提高其使用可靠性，不仅在开发研制阶段，就是在使用阶段都必须进行环境试验。
　　对一般电工、电子产品，由各种环境因素引起的失效比例统计如图1示：


图1
　　可见一般电工、电子产品由环境因素引起的失效与上表的统计是差不多的。
　　环境试验是将产品暴露在天然或人工模拟环境中，从而对其实际上可能遇到的贮存、运输和使用条件下的性能作出评价的试验，简单说是对产品进行环境适应性的试验。
　　环境试验的目的：
1.1　探索和确定单一或多个环境因素对产品的影响，考核产品的环境适应性；
1.2　作为产品的型式试验项目之一，或产品的验收试验， 看其是否符合规定的环境要求，产品是否合格，作为产品接收或拒收的决策依据。
1.3　作产品环境应力筛选（ESS）试验，筛选出不合格的或有潜在缺陷的产品，从而提高产品的可靠性。
　　环境试验可分外场试验及实验室试验：
　　(1) 实验室试验：一般在实验室内进行，又叫人工模拟试验， 是用人工的方法创造出某种气候环境或机械环境，将试品在此环境中试验。人工模拟试验具有与大气暴露试验相似的模拟性，并有加速性，可大大缩短试验时间，且其环境应力、负载条件的施加都可严格控制在容差范围内，保证全部试验在受控条件下进行，故重现性好，有可比性，其缺点是受到设备的限制，一般是试验一些体积较小，重量较轻的产品，且有时对非常真实的综合环境的模拟性较差。
　　(2) 外场试验，可分为天然暴露试验和现场试验：
　　① 天然暴露试验：将产品或材料在自然气候条件下暴露，考核其环境适应性，试验样品一般不工作，试验的时间很长，往往需要多年后才能评估其结果，这种试验准确、严格、真实、其结论比较权威，此种试验多为国家或大的工业集团采用。
　　② 现场试验：由于实验室设备受到各种限制，许多军用装备不可能在实验室中进行各种环境试验，即使能够试验，实验室试验也不可能完全真实的模拟现场的使用环境，因此无法进行真实的考核，所以不仅大设备，就是能在实验室进行环境试验的小设备也需要进行现场环境试验，以补充实验室的不足，充分验证军用装备在现场使用环境中是否会损坏或能否正常工作。在海湾战争开始前，美军装备在沙特作战前线曾进行过为时不短的现场试验，发现了不少装备不适应现场环境的问题，经研究处理后，大大提高了装备的可靠性，美军标MIL－STD－0810E中明确规定要安排工作环境验证试验，将实验室与现场结合起来，交替使用实验室试验和现场试验有助于加快研制进度和降低研制成本，并使环境因素对装备的影响减到最小，使装备的可靠性大大提高。
　　现场试验的优点是真实、可靠，能起到实验室起不到的作用。缺点是试验环境条件不能保证在受控条件下进行，故其试验条件和试验结果的重现性较差。
2　用于环境应力筛选（ESS）的环境试验设备　　
　　[ HT〗 环境试验主要是考核产品的环境适应性，用于确认设计，ESS是一个筛选程序，用于考核产品的零部件、材料和制造工艺，需要暴露产品的潜在缺陷以及可能发生在现场的其它性质的失效，ESS要求100％的产品作暴露试验，而不能随机抽样，因为产品的潜在缺陷是随机的，只有100％的试验才能保证筛选的有效性。
　　对产品进行环境应力筛选的关键：
　　(1) 环境应力的最佳水平，必须适合于强制产品的缺陷变为失效。
　　(2) 应力必须不超过产品电气和机械性能的极限，不应使无缺陷的产品失效或减少产品的有效寿命。
　　作为用于ESS的环境试验设备，其环境应力的大小应能满足以上要求，显然比常规的环境试验设备要求高。
　　ESS的型式有温度循环、随机振动、高温、热冲击、 低温、湿热、 低气压、综合环境等。根据美国环境科学学会（IES）等单位的研究资料，说明温度循环是筛选最有效的形式，其次是随机振动，所以我国电子产品的ESS试验按GJB 1032《电子产品环境应力筛选》推荐采用温度循环和随机振动两种试验方法。
　　温度循环不仅筛选最有效，且对试品加载应力均匀，在执行程序和修改程序方面有较大的灵活性：筛选时间较大多数其它形式短。
　　ESS温度循环试验有三个要求：
　　(1) 温度极限的温差尽可能大：高低温之间的温差≥100℃，而不管产品预定的使用极限，只要产品不引起不必要的危险，且不使无缺陷的产品破坏。
　　(2) 温度极限之间的温度速率必须尽可能快，通常≥5℃/min，以产生最佳应力水平，且多次循环，而不危害无缺陷的产品。
　　(3) 试品上的风速最好≥3m/s，以使试品表面温度尽量接近箱温。
　　能满足以上要求的试验设备才能作为ESS温度循环试验设备，显然，一般作环境试验的高低温试验箱都不能满足，重庆四达实验仪器厂生产有满足ESS温度循环试验的设备，可在＋100℃至－55℃之间进行交变， 其温度变化速率可达5℃ /min，8℃/min,10℃/min。
　　用随机振动作ESS试验需时较短，对暴露产品的机械缺陷特别有效，如脱焊、虚焊等，随机振动费用太贵，仅管如此，仍被认为比其它振动型式好，并经常采用，如果费用允许，可与温度循环组成综合试验进行筛选。
3　环境试验的有关标准简介
3．1　主要国际标准
　　《基本环境试验规程》是国际电工委员会（IEC)第50技术委员会（TC 50）制定的一整套环境试验系列标准，（即IEC 68号出版物）。
　　因为大量的电工、电子产品在国内和国际上流通，使得用户和生产者双方都关心产品的贮存、运输和使用中的性能、可靠性和安全性，要求制定共同的标准，以保证产品能满意的工作。《基本环境试验规程》就是为了满足需要，从六十年代到八十年代陆续完成的。
　　这套环境试验系列标准吸收了各国标准化的经验，集中了各国有关专家的智慧，因此具有体系完整、结构严谨、便于利用、内容完善等优点，并具有科学性和先进性，已在世界各国十分广泛的采用。不仅电工、电子产品，其它行业产品也在采用。
3．2　美国军用标准（MIL）
　　其基本标准为MIL－STD－810C《空间和陆用环境试验方法》和MIC－STD－202F《电子、电气零件试验方法》
　　美军标和IEC标准一样已广泛被国际采用。
　　我国八十年代由有关部门组织制定了GB 2421－2424《电工、电子产品基本环境试验规程》，GJB 150《军用设备环境试验方法》，GJB 360《电子元器件试验方法》，分别等效于IEC 68号出版物，MIL－STD－810C和MIL－STD－202F。到九十年代，为了提高产品在国际市场上竞争能力，国家有关部门明确规定：民用产品和军用产品的试验方法标准应分别等同采用IEC和MIL标准。
3．3　环境试验设备产品技术条件
　　以上介绍的是环境试验的试验方法标准，还有一类是环境试验设备的产品标准或技术条件。
　　国外知名的产品技术条件有：
　　BS 3898－1965《试验室湿热箱技术条件》为英国标准，并为其它国家广泛采用。
　　ASTME－145－1968《重力对流和强制通风老化箱技术条件》美国材料试验学会标准。
　　ASTMD 2436－68《电气绝缘用强制对流实验室烘箱标准技术条件》美国材料试验学会标准。
　　IEC 216号出版物《测定电气绝缘材料耐热性试验导则》第四部分，老化烘箱。
　　我国有关部门也先后制订了各种环境试验设备技术条件，如： GB 10586《湿热试验箱技术条件》GB 10589《低温试验箱技术条件》、GB 10592《高低温试验箱技术条件》等。
3．4　环境试验设备检定方法
　　我国有关部门制订了GB 5170《电工、电子产品环境试验设备基本参数检定方法》、HB 6783《军用机载设备气候环境试验箱（室）检定方法》，HB 7122《民用飞机机载设备气候试验箱（室）检定方法》，从而使环境试验设备检定和认证有章可循，使设备质量得到保证。
4　在试验方法及技术条件中的温度性能指标
4．1　在试验方法中主要指标是容差（允许误差），有些标准同时也对温度变化（温度波动度）提出要求。
　　“容差”在IEC68－2－3，2．1的注中陈述：“温度±2℃的容差是由于考虑到测量的绝对误差，缓慢的温度变化和工作空间的温度波动度等”。
　　在IEC 216号出版物第四篇老化烘箱中，定义“温度偏差”是“由于温度波动度和温度梯度组合而成的温度误差”。
　　在MIL－STD－810的4．4．1试验条件允差中规定“试样应完全被空气包围（必要的支承点除外），试验区测量系统的温度和包围试件各处温度梯度(靠近试样处测得）应分别在试验温度±2℃以内和不超过每米1℃或总的最大值为2．2℃（试件不工作)”。
　　在MIL－STD－202F，2．2．1及MIL－STD－883C，4．5．8中，对环境试验箱允许的温度变化：
　　（1） 工作区内的温度变化：工作区内任一参考点和的温度变化保持在±2℃ 以内（即任一点的温度波动度）。
　　（2） 工作区内的空间温度变化：工作区内任一点的温度，在给定时间内偏离基准点不超过±3℃（即为容差）
　　在IEC 68号出版物及GB 2423中，性能指标规定为“容差”，对容差大小，规定为高温试验箱±2℃，低温试验箱±3℃。
4．2　在产品技术条件中的温度性能指标
　　（1）国外产品技术条件
　　ASTM，D2436规定有温差和温度波动度，温差的测试方法是：布置9只热电偶在箱内温度稳定后开始测试，每5分钟测一次，共测5次得到45个数据，计算45个数据的平均值作为箱温，从45个数中选取两个最大值和两个最小值各自减去箱温，然后从4个差值中选出两个最大值并求其平均值，此值就是温差。
　　IEC 216号出版物第四部分老化烘箱中，同样规定有温差和波动度指标，温差的测试方法与ASTM．D2436同，而在数据处理上则是从45个数据中找出最大和最小温度值，其差值就是温差。
　　BS 3898中，规定温度指标为温度均匀度与温度波动度，其温度均匀度的测试方法为：当箱内温度稳定后，用布置在箱内的热电偶连续测试两小时，分别计算每一测试点与中心点的温差平均值，其中最大者即为温度均匀度，并加上正负号表示。
　　在国外公司的产品样本中， 温度指标都只有两个， 即温度波动度（Tem. Constancy）和温度均匀度（Tem. Unifortmty），或者是温度波动度和温度误差(Tem . Variation）没有哪个国外厂家的产品样本上同时出现温度波动度、温度均匀度和温度误差三个指标的。
　　（2）国内环境试验设备产品技术条件
　　在我国的产品技术条件——低温试验箱、高低温试验箱、湿热试验箱等产品技 术条件中都规定有温度波动度、温度均匀度和温度误差三个指标。温度波动度为箱内任一点温度的时间误差，温度误差为箱内各点温度与标称温度的误差值，即为空间误差。各国标准对温度波动度与温度误差意义上的理解和测试方法基本相同，但我国技术条件中对温度均匀度的测试和数据处理与国外有所区别，我国规定利用30分钟内测得每个测试点15次数据，分别求出每次数据中最高与最低温度之差，然后算出15次差值的平均值即为均匀度，显然由于未与标称温度或中心点温度进行比较，因此温度均匀度指标没有正负号。
　　由于有以上技术条件的规定，所以国内生产厂在产品样本和说明书中用了三个温度性能指标。
　　笔者曾在《环境条件与试验》1991年1期上发表过《温度测试及数据处理方法的讨论》提出过温度均匀度与温度误差只需其中一个指标的见解。
　　现在国家环境试验设备质量监督中心，在按照GB 5170《电工、电子产品环境试验设备基本参数检定方法》对环境试验设备认证验收时也只测温度误差而不测温度均匀度。
　　重庆四达实验仪器厂，万达仪器有限公司的产品以及广州Espec 的产品样本上已开始不标温度均匀度，而只标出温度波动度和温度误差两指标了。
5　国内外环境试验设备温度性能指标测试的一些情况
5．1　工作空间：IEC总则中是这样定义的：“工作空间是可以维持规定条件在所规定的公差范围内的试验箱的那部分”国外厂家如日本Espec公司、 KATO公司以及合资公司广州Espec、上海Espec都明确规定工作空间在距箱壁1/ 6边长以外的区域除外，也就是说满足技术指标的空间只有箱子空间的30％。我国产品标准规定距箱壁1/10边长的区域除外，工作空间为箱子空间的51％。 如示意图2：可见我国设备工作空间要大得多，可试验更多的产品，但要达到规定的技术指标显然难度较大。

图2
　　国外产品按我国工作空间检测也可能是合格的，但如果不合格，我国用户也不能拒收，对我国的产品如果检测不合格，用户则可以拒收。
5．2　设备所处环境的温度及冷却水温
　　美国热测公司，规定测试设备的温度性能指标时，室温23℃，水温23．9℃。
　　意大利ACS公司，规定测试设备的温度性能指标时，室温为20℃－22℃。
　　日本Espec公司及KATO公司则规定室温度20℃，水温25℃。
　　广州Espec也规定测试设备的温度性能指标时，室温为20℃， 水温为25℃。
　　台湾泰琪公司对室温和水温的规定也是20℃，25℃。