一种QCL加速寿命的评估方法与流程

一种qcl加速寿命的评估方法
技术领域
1.本发明涉及qcl激光器性能参数与可靠性测试、评价技术的领域，具体涉及一种qcl加速寿命的评估方法。


背景技术：

2.qcl(量子级联激光器)是基于半导体耦合量子阱子带间的电子跃迁所产生的一种单极性光源，波长范围可覆中红外至远红外，输出功率从mw至w量级。具有高单色性、高相干性、高方向性、高亮度、长寿命的特点，主要应用于气体检测、医学、红外对抗、毒品检测等领域。是中红外气体分子检测的理想发光器件。随着技术水平的发展和工艺水平的提高，qcl 呈现出长工作寿命的特点。
3.qcl装配系统使用，具有长时间工作的特点，随着应用领域的扩展，对qcl工作寿命提出了更高的要求，目前还鲜有对qcl工作寿命的研究，由于qcl成本高，价值大，采用常规的方法和数量对其工作寿命进行评估和验证，不仅需要消耗大量的人力、物力和时间，而且短期内无法实现，产品寿命评估严重滞后于技术和产品的发展，严重影响用户的使用和维护。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述技术背景中提出的问题，公开一种qcl加速寿命的评估方法，结合加速寿命试验的理论与qcl的工作寿命，在qcl失效机理不变的前提下，采用加速寿命试验的方法，加大应力缩短试验时间，并在一定的评估精度下，获得qcl特征参数的变化规律，通过统计分析的方法，可在短期内实现对qcl工作寿命的评估。
5.本发明通过如下技术方案实现：
6.一种qcl加速寿命的评估方法，其特征在于，该方法基于温度应力的加速寿命评估，包括如下步骤：
7.s1：对qcl进行摸底试验或强化试验，确定所述温度应力的破坏极限值以及所述述温度应力的安全加速范围；
8.s2：以qcl的温度应力破坏极限值、规范规定的最高温度应力值对qcl和温度应力的安全加速范围进行加速寿命试验，并构建加速实验模型；
9.s3：在加速实验的基础上构建似然函数，通过数据迭代等方式，计算出不同应力水平下的加速因子，评估qcl的可靠工作寿命。
10.具体的，以温度应力作为加速寿命的加速变量，利用阿伦尼斯模型表达qcl内部物理化学变化过程与温度间关系，建如下加速实验模型：
[0011][0012]
其中，ξ为特征寿命；a为待定系数，由加速试验确定；ea为激活能，单位为ev；k为玻尔兹曼常数；t为绝对温度k。
[0013]
具体的，通过加速寿命试验，确定公式(1)中的待定系数a，找出特征寿命与温度之
间的关系，即可得到某温度t1下的加速系数af，以此构建如下加速寿命模型：
[0014][0015]
工作温度升高后，qcl的失效过程被加速，其特征寿命ξ就会减少，通过加速寿命试验，确定公式中的待定系数a，从而推断出常温t0下的贮存寿命。
[0016]
具体的，在保证qcl失效机理不变的前提下，在至少两个应力水平下进行加速寿命试验，所述的温度应力大于qcl规范规定的最高应力水平，小于qcl的破坏极限应力水平。
[0017]
具体的，加速寿命试验的应力施加方式采用恒定应力、序进应力或步进应力中的其中一种。
[0018]
具体的，加速寿命试验的时间采用定时截尾和定数截尾相结合的方式控制，且在每个应力下加速寿命试验的时间不小于1000h或出现1只样品失效，再转入下一阶段的试验；试验样品不少于2只。
[0019]
具体的，建立的极大似然方程如下：
[0020][0021]
其中：λi为ti应力下的失效率；e为与参数无关的常数；ri为ti应力下失效数；τi为ti应力下的截止时间；r
i,l
为应力ti下第l个测试区间的失效数；t'
i,l
为应力ti下第l个测试区间的开始时间；t
i,l
为应力ti下第l个测试区间的截止时间；zk为总失效数；
[0022]
由于极大似然法无法直接得到显式解，需借助数值计算求得未知参数,将加速模型代入极大似然方程(3)并变换成如下数学式：
[0023]
ln(θ)＝a b/t
ꢀꢀ
(4)
[0024]
λ＝1/θ
ꢀꢀ
(5)
[0025]
其中：θ为平均寿命；a,b为待估系数；t为温度应力，热力学温度；λ为失效率；
[0026]
基于nelson累积失效假定，在应力ti工作ti时间，相当于在应力tj下工作tj时间：
[0027]
λiti＝λjtjꢀꢀ
(6)
[0028]
在每个应力水平ti下测试qi次，试验时间区间为[0,t
i,1
]，[t'
i,2
,t
i,2
]，
……
，[t'
i,l
,t
i,l
]，截尾时间τi，其中i＝1,2,
…
,k,l＝1,2,
…
,qi；
[0029]
在t1下的失效数据是寿命数据，在ti(i＝2,...,k)下实际试验时间与前面i-1个应力下的试验时间有关，失效数据不作为寿命数据，将前面i-1个应力下的试验时间折算到第i个应力下,折算后，应力ti下的实际的试验区间为截尾时间为生成如下公式：
[0030][0031]
[0032][0033]
生成如下似然函数式：
[0034][0035]
将公式(4)和公式(5)带入公式(10)，采用牛顿法和模拟退火法对似然函数进行综合最优化数值计算，估计出加速模型中的待定系数a，b。
[0036]
具体的，由公式(1)带入公式(4)可得激活能ea＝bk；根据待定系数a，b的计算结果，得到激活能ea的值。
[0037]
具体的，根据待定系数a，b的值外推出正常应力水平下的平均寿命θ；
[0038]
qcl的寿命分布服从指数分布，有以下指标求解公式：
[0039]
r(t)＝e-λt
ꢀꢀ
(11)
[0040]
tr＝-θlnr
ꢀꢀ
(12)
[0041]
其中：r(t)为可靠度；tr为可靠寿命。
[0042]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0043]
1、本发明将加速寿命试验的理论与qcl的工作寿命结合起来，在不改变qcl失效机理的前提下，采用加速寿命试验的方法，加大应力缩短试验时间，并基于一定的评估精度下，获得qcl特征参数的变化规律，通过统计分析等科学的方法，在短期内实现qcl工作寿命的评估。
[0044]
2、本发明将qcl产品工作寿命和加速寿命试验的理论结合起来，选用阿伦尼斯模型，采用步进应力步加施加的方式，创造性地设计了qcl产品加速寿命试验方案，采用极大似然法，建立了似然方程，通过迭代计算分析，确定加速模型中的待定参数，并计算出产品的激活能和各应力水平下的加速因子，为qcl工作贮存寿命方案设计与数据评估奠定了基础。
[0045]
3、本发明专利解决了长寿命、高可靠qcl的工作寿命评估的科学技术难题，既能缩短寿命试验时间、减少试验样本量，还能保证一定的评估精度，不仅为同类产品的工作寿命评估提供了方法，也为同类产品的工作寿命提供借鉴。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定，相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0047]
一种qcl加速寿命的评估方法，该方法基于温度应力的加速寿命评估，包括如下步骤：
[0048]
s1：对qcl进行摸底试验或强化试验，确定所述温度应力的破坏极限值以及所述述
温度应力的安全加速范围；
[0049]
s2：以qcl的温度应力破坏极限值、规范规定的最高温度应力值对qcl和温度应力的安全加速范围进行加速寿命试验，并构建加速实验模型；
[0050]
s3：在加速实验的基础上构建似然函数，通过数据迭代等方式，计算出不同应力水平下的加速因子，评估qcl的可靠工作寿命；
[0051]
具体的，以温度应力作为加速寿命的加速变量，利用阿伦尼斯模型表达qcl内部物理化学变化过程与温度间关系，建如下加速实验模型：
[0052][0053]
其中，ξ为特征寿命；a为待定系数，由加速试验确定；ea为激活能，单位为ev；k为玻尔兹曼常数；t为绝对温度k；
[0054]
具体的，qcl的工作温度升高后，qcl的失效过程被加速，其特征寿命ξ就会减少，通过加速寿命试验，确定公式(1)中的待定系数a，找出特征寿命与温度之间的关系，即可得到某温度t1下的加速系数af，推断出常温t0下的贮存寿命，以此构建如下加速寿命模型：
[0055][0056]
具体的，在保证qcl失效机理不变的前提下，在至少两个应力水平下进行加速寿命试验，所述的温度应力大于qcl规范规定的最高应力水平，小于qcl的破坏极限应力水平，
[0057]
具体的，加速寿命试验的应力施加方式采用恒定应力、序进应力或步进应力中的其中一种。
[0058]
具体的，加速寿命试验的时间采用定时截尾和定数截尾相结合的方式控制，且在每个应力下加速寿命试验的时间不小于1000h或出现1只样品失效，再转入下一阶段的试验；试验样品不少于2只。
[0059]
具体的，建立的极大似然方程如下：
[0060][0061]
其中：λi为ti应力下的失效率；e为与参数无关的常数；ri为ti应力下失效数；τi为ti应力下的截止时间；r
i,l
为应力ti下第l个测试区间的失效数；t'
i,l
为应力ti下第l个测试区间的开始时间；t
i,l
为应力ti下第l个测试区间的截止时间；zk为总失效数；
[0062]
由于极大似然法无法直接得到显式解，需借助数值计算求得未知参数,将加速模型代入极大似然方程(3)并变换成如下数学式：
[0063]
ln(θ)＝a b/t
ꢀꢀ
(4)
[0064]
λ＝1/θ
ꢀꢀ
(5)
[0065]
其中：θ为平均寿命；a,b为待估系数；t为温度应力，热力学温度；λ为失效率；
[0066]
基于nelson累积失效假定，在应力ti工作ti时间，相当于在应力tj下工作tj时间：
[0067]
λiti＝λjtjꢀꢀ
(6)
[0068]
在每个应力水平ti下测试qi次，试验时间区间为[0,t
i,1
]，[t'
i,2
,t
i,2
]，
……
，[t'
i,l
,t
i,l
]，截尾时间τi，其中i＝1,2,
…
,k,l＝1,2,
…
,qi；
[0069]
在t1下的失效数据是寿命数据，在ti(i＝2,...,k)下实际试验时间与前面i-1个应
力下的试验时间有关，失效数据不作为寿命数据，将前面i-1个应力下的试验时间折算到第i个应力下,折算后，应力ti下的实际的试验区间为截尾时间为生成如下公式：
[0070][0071][0072][0073]
生成如下似然函数式：
[0074][0075]
将公式(4)和公式(5)带入公式(10)，采用牛顿法和模拟退火法对似然函数进行综合最优化数值计算，估计出加速模型中的待定系数a，b。
[0076]
加速因子的确定
[0077]
由公式(1)和公式(4)可得激活能ea＝bk；根据待定系数a，b的计算结果，得到激活能ea的值。
[0078]
寿命评估
[0079]
根据待定系数a，b的值外推出正常应力水平下的平均寿命θ；
[0080]
qcl的寿命分布服从指数分布，有以下指标求解公式：
[0081]
r(t)＝e-λt
ꢀꢀ
(11)
[0082]
tr＝-θlnr
ꢀꢀ
(12)
[0083]
其中：r(t)为可靠度；tr为可靠寿命。
[0084]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。