摘 要：根据光电仪器的光学部件、机械部件、电子部件的三大部分的故障模式，探讨仪器的平均无故障时间，为仪器的预防性维修提供借鉴。
关键词：光电仪器 可靠性 平均无故障时间
光电仪器科技含量高、结构复杂，应用范围广，但是专业的维护与维修人员少，在工作过程中发生故障不容易判断和排除，因此，了解光电仪器的可靠性，进行预防性维修，也就是仪器在故障发生之前，对故障可能发生的时机进行预测，以使主动地对可能产生的故障进行预防。任何仪器都具有一定的可靠性，光电仪器的可靠性，是指光电仪器在规定的时间内和使用条件下，完成相应功能的能力，即满足工作状态要求而无故障地工作。而要定量地了解光电仪器的可靠性，精确的掌握仪器的使用情况，就要有科学的评价参数。常用的可靠性参数通常包括可靠度、效率分布函数、概率密度函数、瞬时失效率函数、平均寿命、维修度、有效度等等。这里选取平均寿命是作为光电仪器可靠性的评价参数。
一、仪器的平均无故障时间
仪器的平均寿命是指仪器寿命的平均值。对于可维修产品，其寿命平均值常用“平均无故障工作时间”（MTBF）表示，即光电仪器或系统发生故障后，经检查修复后再投入工作，这时，在两次故障间的平均工作时间就称为该产品的平均无故障工作时间。要获得光电仪器可靠的平均寿命模型，要经过寿命试验，寿命试验是研究仪器寿命特征的方法，这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。例如为了缩短试验时间可在不改变失效机理的条件下用加大应力的方法来进行试验，这就是加速寿命试验。寿命试验的目的在于了解产品的寿命特征量、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式。通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价，同时也可以通过质量反馈来提高仪器可靠性水平。
二、光电仪器的故障模式
故障模式是仪器发生故障的一种表现形式，光电仪器的主要故障模式可分为光学故障、结构件故障和电子线路故障几方面，其中光学件主要故障模式有：镜面变形、镜面生霉生雾、元件碎裂、胶粘松脱、膜层退化、透过率与反射率下降和可凝挥发物污染等；结构件常见故障模式有：结构主体的力学变形、失重回弹、变形热控失效、活动部件的热变形和力学变形造成机械性卡死和冷焊等；电子元器件及电子线路常见故障模式有：元器件失效，电子线路开路、短路、失电、误指令等。
（一）光学系统的可靠性预计
光学系统实际是光学元件（玻璃）和结构件的组合在使用或保存环境正常情况下，如果没有应力损伤，它的寿命周期可达数年甚至数十年。光学系统有如下几个特点：
1.反射率、透射率和成像质量，随着工作时间的增长，没有很大的变化，呈缓慢衰减。
2.光学组件属于不可修复的产品，长时间工作，由于环境震动会造成组件位置的逐渐改变，或由于环境的灰尘进入仪器内部，因此存在光机组件位置的调整和光学元件的清洗问题，而这两种影响都是渐变的，功能的瞬时变化（或称时故障率）都比较小。
3.存在早期故障和固有故障，只要仪器一投入使用，就处于频率很低的偶然失效期内。因此，把主要功能集中于透光率和像质时，可以把光学系统的可靠性分布按指数分布来处理。
光电仪器一般都是密封的，密封前注入干燥氮气，仪器内部气压和外部气压一般相同，但有些仪器为防止外部灰尘和水汽进入仪器内部，内部气压高于外部的气压。在低气压的大气环境中，周围气压降低，由压力差而产生的力由仪器内部指向仪器外部。在该力的作用下，有可能引起密封件（密封胶、密封蜡、密封条）的变形破裂、密封失效等。
从光学系统的失效模式来看，除了引起的霉菌失效以外，还有生雾、膜层脱落和应力破裂。应力破裂大都属于结构问题，失效概率极小，改进设计以后完全可以消除应力破裂产生的失效。此外，通过采用密封充氮措施，可以有效地预防光学系统生霉、生雾现像的发生。从实践的角度来看，常规的光机电一体化产品的故障，绝大多数往往不是由于光学系统的失效所引起，即使光学系统有轻微的故障，也不至于严重影响产品完成规定的任务(或功能)。
(二)机械结构可靠性预计
机械结构件的可靠性定量预计有其特殊性。机械可靠性由于受负荷大小、工作方式、使用频率等因素的影响较大，故障原因多为疲劳、老化、磨损、腐蚀等，均属耗损型故障，故障率往往不是常数。尽管可以认为机械结构件在其耗损期到来之前，在一定的使用期限内寿命分布同样可按指数分布来处理，但要确定具体零部件的失效率尚无相应的机械零部件通用失效率数据可查。所以机械结构的可靠性如果按故障率来进行定量预计，实施起来就比较困难。
参照国内某些光机电一体化仪器现行的有关技术标准或通用规范，对机械结构件可靠性的定量要求，一般为活动部位的平均无故障工作次数。采用这一指标量值，通过借鉴类似产品的数据，以及本单位进行的相关试验，而且对于光电仪器而言，判断与排除机械故障通常相对容易，一般涉及到拆卸、安装，个别对安装位置要求较为严格的部组件还要进行调试。
(三)电子系统可靠性预计
光电仪器电子系统可靠性的定量估计，需要通过一定的统计数据的积累才能求出。对于电子产品。经过长期的理论和实践的研究，国内外通过有关的试验，积累了大量的统计数据，并作为标准颁布使用。所以，可靠性成为定量的概率统计指标，在仪器的设计过程中它是可预计的，并建立了相应的数学模型。
对于光电仪器电子可靠性的预计，有如下约束条件：
1.组成光电仪器的各元器件（或部件）的故障是互相独立的
2.组成光电仪器的所有元器件（或部件）的可靠性特征量均用失效率表示；
3.组成光电仪器的各元器件（或部件）的寿命均服从指数分布；
4.所有连接导线是完全可靠的；
5.系统软件是完全可靠的；
6.所有电子元器件是在安全的环境中工作。
光电仪器由各单元部件串联而成，各单元电子部件的可靠性由组成该单元的所有元器件（或部件）串联而成。对于指数分布的串联系统，电路系统总失效率为单个元器件的通用失效率、元件通用质量系数、元件数目的乘积求和得到系统的总失效率。相关的数据依据《电子设备可靠性预计手册》、国军标等相关参考资料。系统的平均故障间隔时间MTBF为电路系统总失效率的倒数。
结束语
综上所述，根据光学、机械、电子三种系统在光电仪器中的功能和故障的危害程度因素等因素可得到各个分系统的加权因子，最终可以得到系统失效率，进而得到系统的平均无故障时间，为预防性维修提供借鉴和参考。