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加速寿命测试
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加速寿命测试(Accelerated life testing)是指为了在短时间内发现潜在失效模式或是故障,在非正常的条件(例如应力、应变、温度、电压、振动率、压强等)进行的测试[1][2]。工程师分析产品在这些测试下的结果,可以预测产品的寿命以及多久需要进行一次保养[3][4]
针对聚合物的测试,可以提升温度来缩短测试需要的时间。聚合物的许多机械特性(例如潜变、应力关系以及拉伸特性)和时间和温度之间的关系满足阿瑞尼斯方程式。在高温下以较短的时间进行测试后,将以此资料外推,预测聚合物在室温下的特性,避免在室温下进行长时间(也较昂贵)的测试。
目的
加速寿命测试主要目的是缩短寿命测试的时间,常用在以下的情形:
- 低失效率:在正常条件下,就算用大量的样品,以很长的时间进行测试,可能只有少数样品失效,甚至没有失效。
- 高寿命:产品的寿命比正常条件下可以进行的测试时间会长很多。.
- 产品的失效主要是在较长时间之后才出现[5]。
例如,一般条件下要测试几年的电路可靠度测试,会需要在相当短的时间内完成。若测试是要评估电路多久要进行更换,那也适用于低失效的情形。若电路的失效是因为在正常使用下渐进的出现,而不是极端条件使用下出现(例如条件的突然变化),那也符合高寿命的条件。若产品失效的主因是因为突然的变化,比较适合用高加速寿命测试(HALT)来测试。
规划测试
测试的规划包括考虑哪些因素会影响测试目标,测试目标的哪些行为是已知的,希望从测试中获得什么资讯。
所有影响测试目标的因素都需考虑进来,而且需要在各因素的不同层次上进行测试。应力水准越高,越会加速测试,但不能高到会改变失效原因或是改变其他可以量测到的反应。例如,让电路加热到元件材料的熔点会改变电路失效的方式。增加测试次数或是每次测试时的测试目标数量,可以增加在运作条件下预估测试目标行为的准确度。
模型是可以准确叙述测试目标的性能以及应力程度关系的方程式。这模型可以称为是加速模型(acceleration model),其中的常数称为加速因子(acceleration factors)[6]。加速模型会和测试的材料种类或是元件种类有关。在高温失效常用的加速模型是阿伦尼乌斯方程,温度和湿度的失效是使用艾林方程,温度循环则会用Blattau模型。
有时事先已知道要使用什么模型,只需识别模型中的参数,此情形下,仍要确保使用的模型有经过良好的验证。在一定范围的应力因子下,要让加速模型的外插法结果,和观察到的结果之间一致[7]。
若无法事先知道适合的模型,或是有数个可用的模型可以选择,测试时也需要依测试的内容及结果来评估哪一个模型最适合。有时二个模型在高应力的情形下结果相近,但在低应力时却有数个量级的差异[8]。此问题可以用更大范围的应力来处理,不过不能造成失效原因的变化。有一种可以在实验前进行,用来让这种差异最小化的作法是从测试估计期望获得的资料,找到一个符合资料的模型,并且判断若一切都如同预期,是否可以得到可靠的结果[9]。
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加速因子
加速因子对加速寿命测试结果的影响,需要找到测试物响应(如寿命、腐蚀、效率)以及加速因子随时间变化程度之间的关系。
因子对时间的影响和量测的物理量相当有关。例如,量测寿命的试验,只会看测试物的平均无故障时间(mean time to failure),也有可能会设法将资料拟合到某个概率分布。这一般会称为寿命分布,是产品某段时间内失效的几率密度函数[10]。有许多这类的分布,例如指数分布、韦伯分布、对数正态分布及伽玛分布[11]。其中的参数和待测物以及其测试的应力因子有关。
考虑一个简化的例子,一个待测物的寿命分布符合正态分布。在不同应力水准下测试,会得到不同的正态分布参数,也就是平均值和标准差。接着可以用已知的模型来找出应力因子和分布参数(平均值和标准差)之间的关系。接着可以用这个关系来估算在一般运作条件下的寿命。
相闗条目
参考资料
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