قابلیت اطمینان سنسور

قابلیت اطمینان، توانایی یک سنسور برای انجام یک عملکرد خاص تحت شرایط اعلام‌شده در یک بازه‌ی مشخص است. این امر در شرایط آماری، به‌عنوان احتمالی بیان می‌شود که دستگاه بدون خرابی در یک زمان مشخص و تعداد معقولی استفاده، کاربرد دارد. لازم به ذکر است که قابلیت اطمینان از مشخصه‌های پایداری نویز یا رانش سنسور نیست. این امر، یک نقص موقت یا دائمی را مشخص می‌کند که از محدودیت‌های عملکرد سنسور در شرایط عملیاتی عادی، فراتر می‌رود.

قابلیت اطمینان سنسور یک پارامتر بسیار مهم است. با این‌حال، به‌ندرت توسط سازندگان سنسور مشخص می‌شود. احتمالا دلیل آن عدم وجود معیار پذیرفته‌شده‌ی رایج، برای این اصطلاح است. در ایالات متحده‌ی آمریکا، برای بسیاری از قطعات الکترونیکی، روش پیش‌بینی قابلیت اطمینان حین سرویس، محاسبه‌ی MTBF که مخفف Mean time between failures ( میانگین زمان بین خرابی) است؛ که در استاندارد MIL-HDBK-۲۱۷ توضیح داده شده‌است. رویکرد اصلی آن، دستیابی به نرخ MTBF برای یک المان با محاسبه‌ی نرخ شکست تک تک اجزای مورداستفاده و با درنظر گرفتن نوع عملکرد المان است: دما، تنش، محیط و سطح غربالگری آن (اندازه‌گیری کیفیت).

متاسفانه، MTBF قابلیت اطمینان را فقط به‌طور غیرمستقیم منعکس می‌کند و اغلب به‌سختی برای استفاده روزمره از قطعه، قابل استفاده است. تست‌های صلاحیت سنسورها، روی ترکیبی از بدترین شرایط ممکن انجام می‌شود. یک روش (پیشنهادشده توسط MIL-STD-۸۸۳) ۱۰۰۰ ساعت است؛ که در حداکثر دما، بارگذاری می‌شود. این آزمایش، برای تاثیرات مهمی مانند تغییرات دما، واجد شرایط نیست. مناسب‌ترین روش آزمایش، تسریع کیفیت زندگی است. این روشی است که عملکرد حسگر را شبیه‌سازی می‌کند و تنش‌های دنیای واقعی را ایجاد می‌کند، اما سال‌ها را به هفته‌ها، فشرده می‌کند. سه هدف، پشت این آزمون است:

۱) ایجاد MTBF

  ۲) شناسایی اولین نقاط شکست یا خرابی که می‌توان آن را با تغییرات طراحی، تقویت کرد.

۳) شناسایی عمر عملی کلی سیستم.

یکی از راه‌های ممکن برای فشرده‌سازی زمان، استفاده از پروفایل مشابه با یک چرخه عملیاتی واقعی شامل حداکثر بارگذاری ،روشن‌ و خاموش کردن سیکل‌ها، اما با افزایش رنج‌‌های حداکثر و حداقلی محیطی ( مانند دما، رطوبت و فشار) است. بیشترین و کمترین حد باید بطور قابل ملاحظه‌ای گسترده‌تر از شرایط عملیاتی حالت عادی‌اش باشد. مشخصه‌های عملکردی قطعه، ممکن است خارج از تشخیص باشد، اما زمانی‌که دستگاه به محدوده‌ی عملیاتی مشخص‌شده خودش بازگردانده می‌شود؛ باید به همان مشخصه‌های اولیه بازگرد. برای مثال، اگر یک سنسور تا ماکزیمم دمای ۵۰ درجه سانتی گراد، در بالاترین میزان رطوبت نسبی (RH) ۸۵ درصد با حداکثر ولتاژ تغذیه‌ی ۱۵+ ولت کار می‌کند؛ امکان دارد تا دمای ۱۰۰ درجه در ۹۹ درصد RH و با تغذیه ۱۸+ ولت نیز عمل کند. برای تخمین چرخه‌های آزمایش (n)، فرمول تجربی زیر [ که توسط هوافضای سنداسترند (راکفورد) و شرکت اینترپوینت (ردموند) توسعه یافته‌است] ممکن است مفید باشد:

که در آن N، تعداد تخمین هر چرخه در طول عمر است، Tmax∆، حداکثر نوسان دمای مشخص‌شده است و Ttest∆ حداکثر دمای سیکل‌شده در طول آزمایش است. به‌عنوان مثال، اگر دمای معمولی ۲۵°C باشد؛ حداکثر دمای تعیین‌شده ۵۰°C است. چرخه‌شدن تا ۱۰۰°C است و درطول عمر (مثلا ۱۰ سال)، سنسور در معرض ۲۰۰۰۰ چرخه، تخمین‌زده شده‌است. سپس تعداد چرخه‌های تست، به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

درنتیجه، آزمایش عمر تسریع‌شده به‌جای ۲۰۰۰۰ سیکل، به‌حدود ۱۳۰۰ سیکل، نیاز دارد. با این‌حال، باید توجه داشت؛ که فاکتور ۲.۵ به علت خستگی ناشی از چندین لحیم کاری است، زیرا این عنصر به‌شدت تحت تاثیر چرخش، قرار می‌گیرد. برخی از سنسورها، اصلا اتصالات لحیم‌کاری ندارند و برخی، ممکن است؛ حتی حساسیت بیشتری به مواد چرخش غیر از لحیم‌کاری داشته‌باشند( مثلا اپوکسی رسانای الکتریکی). سپس این فاکتور باید تاحدودی کوچکتر، انتخاب شود. درنتیجه‌ی آزمایش عمر تسریع‌شده، قابلیت اطمینان، می‌تواند به‌صورت احتمال شکست، بیان شود. به‌عنوان مثال:

اگر ۲ مورد از ۱۰۰ سنسور ( با طول عمر تخمینی ۱۰ سال) در تست عمر تسریع‌شده، شکست خورده باشند؛ قابلیت اطمینان به‌‌صورت ۹۸% درطول ۱۰ سال، مشخص می‌شود.

یک سنسور، بسته به کاربردش، می‌تواند در معرض برخی دیگر از اثرات محیطی قرار گیرد؛ که به‌طور بالقوه می‌توانند عملکرد آن را تغییر دهند و یا عیوب پنهان را آشکار سازند. از جمله‌ی این آزمایشات اضافی عبارتند از:

• دمای‌بالا/رطوبت بالا، درحالی‌که، دارای توان کاملا الکتریکی است. برای مثال، یک سنسور می‌تواند؛ در معرض حداکثر دمای مجاز خود در بازه‌ی RH،۸۵-۹۰% قرار گیرد و در این شرایط، به مدت ۵۰۰ ساعت، نگه‌داری شود. این تست برای تشخیص آلودگی‌ها و ارزیابی یکپارچگی پکیجینگ، بسیار مفید است. عمر سنسورهایی که در دمای معمولی اتاق کار می‌کنند؛ اغلب در دمای ۸۵ درجه و RH مساوی %۸۵ افزایش می‌یابد؛ که گاهی به آن ” تست ۸۵-۸۵ می‌گویند.
• شوک‌ها و ارتعاشات مکانیکی ممکن است برای شبیه‌سازی شرایط محیطی نامطلوب، به‌ویژه در ارزیابی پیوندهای سیم، چسبندگی اپوکسی و غیره، استفاده شود. یک سنسور می‌تواند برای ایجاد شتاب‌های سطح بالا ( تا ۳۰۰۰ گرم نیرو) کاهش یابد. کاهش‌ها باید بر روی محورهای مختلف انجام شود. ارتعاشات هارمونیک باید برروی سنسور، در محدوده‌ای اعمال شود؛ که شامل فرکانس طبیعی (fN) آن است. در استاندارد ۷۵۰ نظامی ایالات متحده‌ی آمریکا، روش‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۵۶ اغلب، برای آزمایش‌های مکانیکی، استفاده می‌شود.
• شرایط ذخیره‌سازی مفرط، امکان شبیه‌سازی دارد. برای مثال، یک سنسور حداقل برای ۱۰۰۰ ساعت در دمای ۱۰۰+ و ۴۰- درجه‌ی سانتی‌گراد نگه داشته می‌شود. این آزمایش، شرایط ذخیره‌سازی و حمل‌و‌نقل را شبیه‌سازی می‌کند و معمولا روی دستگاه‌های غیرفعال، انجام می‌شود. محدودیت دمای بالا و پایین باید با ماهیت فیزیکی سنسور سازگار باشد. برای مثال، سنسورهای پیزوالکتریک TGS که درگذشته توسط کمپانی فیلیپس ساخته شده‌بودند؛ با دمای کوری ۶۰+ درجه سانتی‌گراد مشخص می‌شوند. نزدیک‌شدن و فراتر رفتن از این دما، منجر به از بین‌رفتن دائمی حساسیت می‌شود. ازاین‌رو، دمای چنین سنسورهایی هرگز نباید از ° ۵۰ سانتی گراد تجاوز کند؛ که باید به‌وضوح روی متریال پکیجینگ مشخص و علامت‌گذاری شود.
• شوک حرارتی یا چرخه‌ی دما (TC) سنسور را در معرض شرایط شدید متناوب قرار می‌دهد. برای مثال، ممکن است، به‌مدت ۳۰ دقیقه در دمای ۴۰- درجه سانتی گراد بماند؛ سپس به‌سرعت به ۱۰۰ درجه به‌مدت ۳۰ دقیقه منتقل شود و سپس به‌حالت سرد برگردد. این روش، باید تعداد کل چرخش را مشخص کند؛ مانند ۱۰۰ یا ۱۰۰۰. این آزمایش، به کشف پیوند قالب، اتصال سیم، اتصالات اپوکسی و یکپارچگی پکیجینگ، کمک می‌کند.
• برای شبیه‌سازی شرایط دریا، حسگرها، ممکن است؛ برای مدت زمان مشخصی ( مثلا ۲۴ ساعت) در معرض جو اسپری نمک قرار گیرند. این امر، به کشف مقاومت آن در برابر خوردگی و عیوب ساختاری، کمک می‌کند.