0 引言
激光甲烷传感器采用TDLAS(Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱法)探测甲烷气体浓度，具有敏感元件寿命长、灵敏度高、性能稳定等优点，近年已被广泛应用于煤矿井下[1-4]。激光甲烷传感器工作稳定性是指在规定的工作条件和时间内，传感器的零点、标定点和报警点保持在允许变化范围内的性能[5-7]。AQ 6211—2008《煤矿用非色散红外甲烷传感器》[8]等行业标准给出了传感器工作稳定性试验的具体方法，按该方法，传感器需在实验室条件下连续运行和测试180 d。
电子设备可靠性加速试验基于产品故障物理分析结果来确定产品的加速试验条件和加速因子，通过对产品施加高于正常水平的应力，在较短时间内评估产品可靠性水平[9]。矿用激光甲烷传感器在安全标志检验过程中需要经受交变湿热试验、工作温度试验、振动试验、冲击试验等一系列高强度试验，具备进行加速试验的条件。因此，本文通过针对性的长周期摸底试验，找出影响传感器测量误差的因素，结合恒定失效率假设下失效率与平均无故障时间的验证试验方案[10]，将矿用激光甲烷传感器工作稳定性超限作为失效条件进行加速试验方法研究。
1 摸底试验分析
激光甲烷传感器的稳定性决定因素可以归纳为激光器件和光探测器件的稳定度、气室结构的可靠性、温度补偿效率、气压补偿效率[11]、整机结构可靠性。对于传感器的整体稳定性而言，这5个因素相互牵连、互相影响[12]。为了解和掌握激光甲烷传感器及其激光组件与其他类型甲烷传感器的长时间稳定性，笔者所在团队拟定了一套试验方案(周期为445 d)，将不同企业的各类型传感器分别置于交变湿热环境与实验室环境2种条件下，长期通电工作，并对测量误差进行对比，详细方案及数据结果见文献[12]。
以测量2.0%CH4为例，实验室条件下的长周期试验曲线如图1所示。其中“TD红外”“TD催化”“TD激光”“DL激光”“SD激光”表示某厂家生产的某类传感器，每种传感器取2个样机进行试验。
图1 实验室条件下2.0%CH4长周期试验曲线
Fig.1 Long cycle test curve of 2.0% CH4under laboratory conditions
交变湿热条件下2.0%CH4长周期试验曲线如图2所示。其中5种激光甲烷传感器测量值陡降为零，这是因为传感器整机耐潮湿性能失效，导致传感器无法正常工作。测试表明，传感器中的激光组件仍可正常工作。从出现整机失效前的63 d试验数据来看，各厂商提供的样机测量误差均大于同时期实验室条件下相应样机的测量误差。
图2 交变湿热条件下2.0%CH4长周期试验曲线
Fig.2 Long cycle test curve of 2.0% CH4under alternating hot and humid conditions
从图1和图2可看出：① 交变湿热条件下误差大于实验室条件下的误差。② 交变湿热条件下，激光甲烷传感器受湿度影响较小。③ 交变湿热条件下，虽出现外壳耐潮湿能力失效的样本，但其激光组件仍能正常工作。
综上可以判断，温度是影响激光甲烷传感器长期测量误差稳定性的主要因素。
2 加速试验方法设计
2.1 加速应力水平的确定
将工作稳定性加速试验所需的加速应力类型确定为温度，进而展开确定加速应力量值的研究。
影响加速应力水平的因素有应力适用范围、产品应力极限、其他因素。其他因素与保持试验应力精度的能力(如温度试验箱的温控精度)有关，如果采用经过校准的精度较高的试验设备，可以消除该因素的影响。产品的应力极限是本文研究的重点之一。产品的温度应力极限取决于所采用的各器件的极限温度下限。矿用激光甲烷传感器作为电子产品，其核心器件(激光器、光探测器)及电阻、电感、电容等的温度极限均高于100 ℃，但由于存在大量集成电路，工作温度极限通常只能达到85 ℃。
研究TDLAS浓度检测模块的工作原理发现，激光器的工作温度直接影响其发射波长，进而影响传感器整机的检测精度。传感器制造商通常会对激光器进行额外的温度补偿。加速试验可选择恒定温度加速、序进应力加速、循环序进应力减速等方案。考虑到试验成本和目前行业检测能力，本文选择恒定温度加速方案。
为了保证加速试验结果的有效性，需要留出一定估算裕度。因此，选择75 ℃作为加速试验温度。
2.2 加速因子的确定
根据阿列纽斯(Arrhenius)方程[13]，产品的稳定性特征满足如下模型：
ξ=Nexp(E/KT)
(1)
式中：ξ为待研究的稳定性特征；N为大于0的常数；E为激活能，eV，其值与材料有关，取值范围为0～1 eV，本文取0.5 eV；K为玻尔兹曼常数，取8.617×10-5eV/K；T为绝对温度，K。
产品在加速试验温度Tt条件下的加速因子AF为
(2)
式中Tu为产品正常使用温度。
考虑到《煤矿安全规程》规定煤矿井下最高作业温度为34 ℃，取35 ℃参与计算,即Tu=308 K。将各参数值代入式(2)，计算出加速因子AF为8.718 34，取8.7参与后续计算。
2.3 加速试验方法
国内外大量试验和统计数据表明，电子产品的失效率曲线满足浴盆曲线特征[14]。矿用激光甲烷传感器通过型式试验并设计定型，剔除早期失效产品后，其寿命分布进入偶然失效期，失效率为常数，满足恒定失效率假设的条件。
矿用激光甲烷传感器的误差在180 d之内不超出规定范围，即工作稳定性不下降。本文以此作为可靠性加速试验的故障条件，结合温度加速条件和水平，使用GB 5080.7—1986《设备可靠性试验 恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》中的定时(定数)结尾验证试验法设计具体试验方法。
工作稳定性试验时间指标180 d应当视同为平均无故障时间[10]，即m1=180 d。设拒收概率α=10%，接收概率β=10%，鉴别比Dm=m0/m1=5(m0为预期总体试验时间)，根据文献[10]中的表12可知，应选取“5∶4”试验方案。
取10台样机进行试验。结合试验方案和加速因子得出预期总体试验时间为
(3)
10台样机总关联截尾失效数γ=3，即整个试验过程允许出现少于3次测量误差超限。出现误差超限后，应通过维修/重新标校使传感器恢复到正常误差范围，继续进行试验。维修/标校所用时间不应计入试验周期。
将矿用激光甲烷传感器误差稳定性作为故障条件，基于恒定失效率假设下的工作稳定性加速试验方法：取10台样机进行检验，将样机全部置于(75±3) ℃的温度试验箱中，连续运行12 d，每天测试其测量误差，测量误差超限次数不大于2，即可判定传感器工作稳定性达180 d。
另外，可能存在工作极限温度低于75 ℃的产品，开展加速试验时，可将试验温度适当调低。例如，设置加速试验温度为55 ℃，根据式(2)和式(3)可得出试验周期为32 d。
3 实验验证
分别委托2家第三方检测机构在实验室环境中对“SD激光”和“DL激光”传感器进行180 d工作稳定性测试，结果均为“合格”。
选用10台“SD激光”传感器全新样机，使用工作稳定性加速试验方法开展实验验证工作，样机最高极限工作温度为85 ℃，试验温度定为75 ℃。实验前，使用2.01%CH4标准气样，在75 ℃条件下全部标校为2.01%输出。实验过程中，每天测试每台样机的测量误差，保持75 ℃条件连续工作12 d，共测得120个数据，具体见表1。
表1 “SD激光”传感器样机实验数据
Table 1 Experimental data of "SD laser" sensor prototype
从表1可看出，传感器最大误差值为0.10%CH4，小于0.12%CH4(真值的±6%)，未超出误差限，即γ=0。根据工作稳定性加速试验方法结果判定原则可得：该种激光甲烷传感器的误差在180 d之内不会超出规定范围。该结果与第三方检测机构的检测结果一致，证明所提加速试验方法是可行的。
4 结论
(1) 通过交变湿热试验和实验室试验对比分析，得出影响激光甲烷传感器工作稳定性的主要因素是温度。
(2) 根据激光甲烷传感器各部件及整机的温度极限，确定加速试验温度为75 ℃。使用阿列纽斯方程建立工作稳定性加速试验模型，并计算出加速因子为8.718 34。
(3) 结合恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方法，得出工作稳定性加速试验方法：取10台样机进行检验，将样机全部置于(75±3) ℃的温度试验箱中，连续运行12 d，每天测试其测量误差，测量误差超限次数不大于2，即可判定传感器工作稳定性达180 d。
(4) 结合第三方检测机构的检测结果，通过实验验证了加速试验方法的可行性。
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