宗 雨, 張建平

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

真空熒光顯示器(Vacuum Fluorescent Display,VFD)是從真空電子管發(fā)展而來的顯示器件[1],以發(fā)光亮度高、顯示多色容易、可靠性高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于汽車、辦公自動(dòng)化設(shè)備及家用電器等各種領(lǐng)域[2]。壽命是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的最主要指標(biāo)之一,因此如何在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確得到VFD壽命信息是目前研究的熱點(diǎn)。

近年來,許多研究學(xué)者通過開展加速退化試驗(yàn)[3],獲取產(chǎn)品在加速退化過程中性能隨時(shí)間的變化量,進(jìn)而在產(chǎn)品未完全加速至失效的情形下來預(yù)測壽命。相比于加速壽命試驗(yàn)和常規(guī)壽命試驗(yàn),加速退化試驗(yàn)彌補(bǔ)了加速壽命試驗(yàn)在無失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的缺陷,改善了常規(guī)壽命試驗(yàn)耗時(shí)長的問題,并能給出滿意的評(píng)估結(jié)果。目前,通過建立加速退化模型進(jìn)行試驗(yàn)分析已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的失效分析中。OH W等人[4]基于加速退化試驗(yàn)建立了光伏組件的潛在退化模型;錢敏華等人[5]找到了輸出光通量與壽命之間的關(guān)系式,建立了基于LED光-電-熱-壽命理論的壽命預(yù)測模型;ZHANG J P等人[6]利用對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述了VFD的壽命分布,并引入阿侖尼烏斯模型估算參數(shù)。

綜上所述,現(xiàn)有的壽命預(yù)測模型大都借助于常規(guī)壽命試驗(yàn)或多組加速壽命試驗(yàn),數(shù)據(jù)處理過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,預(yù)測效率有待提高。因此,本文基于一組加速退化試驗(yàn)采集的亮度衰減數(shù)據(jù),建立了壽命快速預(yù)測模型,從而使得高效、精確地估算VFD常規(guī)壽命成為可能。

1 壽命預(yù)測模型

1.1 三參數(shù)威布爾亮度衰減函數(shù)

假設(shè)在加速應(yīng)力Ta下,第k(k=1,2,3,…,n)個(gè)試驗(yàn)樣品在j(j=0,1,2,3,…,N)時(shí)刻tj的亮度記為Dk(tj),則該時(shí)刻n個(gè)試驗(yàn)樣品的平均亮度D(tj)為

(1)

由式(1)可得每組應(yīng)力下試驗(yàn)樣品的平均亮度衰減數(shù)據(jù)(tj,D(tj))。

由于威布爾函數(shù)對(duì)光電產(chǎn)品的亮度特性具有很好的描述性能,本文采用三參數(shù)威布爾函數(shù)擬合一組加速溫度應(yīng)力下VFD的亮度衰減數(shù)據(jù),其函數(shù)式為[7]

(2)

式中:m,η——形狀參數(shù)和尺度參數(shù);

t0——位置參數(shù)。

令F(t)=1-D(t)/D0,則式(2)可變?yōu)?/p>

(3)

式中:D0——產(chǎn)品初始時(shí)刻所測得的亮度;

D(t)——產(chǎn)品在t時(shí)刻的亮度。

1.2 右逼近參數(shù)估計(jì)法

由于右逼近法在估算函數(shù)參數(shù)時(shí)具有較高的擬合精度,因此本文選取右逼近方法估計(jì)三參數(shù)威布爾亮度衰減函數(shù)式(3)中的3個(gè)參數(shù)。

1.3 壽命計(jì)算公式

真空熒光顯示器在加速應(yīng)力Ta下的加速壽命μa與常規(guī)壽命μ0之間存在一個(gè)數(shù)值關(guān)系,即

μ0=τμa

(4)

式中:τ——加速應(yīng)力Ta相對(duì)于正常溫度應(yīng)力T0的壽命加速系數(shù)。

壽命加速系數(shù)的公式可寫為[8]

(5)

式中:β——待估加速參數(shù),估計(jì)值為30 940.94[6]。

因此,根據(jù)式(4)和式(5),利用產(chǎn)品在加速應(yīng)力下的壽命直接推出常規(guī)應(yīng)力下的壽命,即為

(6)

1.4 壽命預(yù)測流程

(1) 利用三參數(shù)威布爾函數(shù)描述由一組加速退化試驗(yàn)采集的VFD亮度衰減數(shù)據(jù),并結(jié)合右逼近法估算函數(shù)的參數(shù),得到加速亮度衰減公式;

(2) 利用加速亮度衰減公式計(jì)算出加速應(yīng)力下的失效時(shí)間,即該應(yīng)力下的加速壽命;

(3) 利用加速壽命與常規(guī)壽命間的函數(shù)關(guān)系式,得到產(chǎn)品的常規(guī)壽命。

2 VFD加速退化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品及數(shù)量

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB2689.1—1981,本文選取型號(hào)為25-1217FN(B)的VFD產(chǎn)品作為試驗(yàn)樣品,樣品數(shù)為20個(gè),即n=20。

2.2 加速應(yīng)力及失效標(biāo)準(zhǔn)

陰極燈絲溫度作為影響VFD壽命的主要因素,被選為加速退化試驗(yàn)的加速應(yīng)力。VFD 正常工作時(shí)的燈絲溫度為923.15 K,保持失效機(jī)理不變的最高燈絲溫度不超過1 123.15 K。因此,本文選取加速應(yīng)力為Ta=1 055.56 K的溫度水平,開展加速退化試驗(yàn),該型號(hào)VFD燈絲正常工作溫度為T0=923.95 K。

VFD的亮度從初始值降到50%的時(shí)間稱為VFD的壽命。目前VFD行業(yè)認(rèn)同亮度作為其壽命特征,當(dāng)測試位亮度低于最低亮度標(biāo)準(zhǔn)(350 cd/m2)的60%,即210 cd/m2時(shí)產(chǎn)品失效。搭建的VFD加速退化試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 VFD加速退化試驗(yàn)臺(tái)照片

2.3 亮度衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)式(1)計(jì)算得出該加速應(yīng)力下VFD試驗(yàn)樣品的平均亮度隨時(shí)間的衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)(tj,D(tj)),如表1所示。

表1 加速應(yīng)力下VFD試驗(yàn)樣品隨時(shí)間的衰減數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 加速壽命的外推

利用三參數(shù)威布爾亮度衰減函數(shù)式(3),對(duì)表1中加速應(yīng)力下VFD試驗(yàn)樣品的平均亮度隨時(shí)間的衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。其擬合曲線如圖2所示。

圖2 加速應(yīng)力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的擬合曲線

結(jié)合右逼近法求得三參數(shù)威布爾函數(shù)中的形狀參數(shù)m=0.647 7,尺度參數(shù)η=222.335 2,位置參數(shù)t0=0.002 3,則加速應(yīng)力Ta=1 055.56 K下的亮度衰減公式可寫為

D(t)=

(7)

由圖2可以看出,VFD平均亮度試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的增加呈非線性衰減的趨勢(shì),符合光電產(chǎn)品亮度衰減特征。擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)大致落在三參數(shù)威布爾函數(shù)的曲線上,表明依據(jù)本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案所測試的亮度數(shù)據(jù)能充分反映VFD亮度衰減特性規(guī)律。該方案切實(shí)可行。

將VFD的失效亮度Df=210 cd/m2代入式(7),可得Ta應(yīng)力下的失效時(shí)間t=620.5 h。該失效時(shí)間即為Ta的加速壽命μa=620.5 h。

3.2 常規(guī)壽命的預(yù)估

基于上述結(jié)果,將常規(guī)應(yīng)力T0=923.95 K,加速應(yīng)力Ta=1 055.56 K代入VFD加速壽命與常規(guī)壽命之間的關(guān)系式(6),便可完成VFD壽命的快速預(yù)測,得到的常規(guī)壽命為μ0=40 370.6 h。

3.3 壽命的對(duì)比

VFD用戶反饋的實(shí)際使用壽命約為40 000 h,與本文建立的壽命預(yù)測模型預(yù)測出的VFD壽命相符。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本模型的精度,將參考值μ1=41 686.5 h[9]與本文的預(yù)測結(jié)果μ0=40 370.6 h進(jìn)行對(duì)比,誤差僅為3.2%。由此證明了該模型具有很高的預(yù)測精度。

4 結(jié) 論

基于一組加速應(yīng)力下的VFD亮度衰減數(shù)據(jù),提出了一種壽命快速預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地預(yù)測VFD的常規(guī)壽命,得到結(jié)論如下。

(1) 三參數(shù)威布爾亮度衰減函數(shù)很好地描述了亮度隨時(shí)間變化的規(guī)律,得到的加速亮度衰減公式可精準(zhǔn)地計(jì)算出加速壽命。

(2) 將估算出的壽命分別與實(shí)際使用壽命和參考值進(jìn)行對(duì)比,得到的相對(duì)誤差均較小,表明該模型的預(yù)測精度高。

(3) 僅借助于一組加速應(yīng)力的亮度衰減數(shù)據(jù)便可直接計(jì)算出常規(guī)應(yīng)力下的VFD壽命,預(yù)測周期短、效率高,為現(xiàn)代光電產(chǎn)品壽命快速預(yù)測提供了一種新方法。