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輝格科技SST300傳感器產(chǎn)品環(huán)境指標(biāo)說明
發(fā)布時(shí)間：2012-02-13
產(chǎn)品信息
1.概述
影響SST300傳感器測量精度的一個(gè)特別重要因素就是該傳感器在使用期間所處的環(huán)境。一般來說，傳感器在工作、存儲(chǔ)和運(yùn)輸環(huán)境都不一樣，會(huì)有不同的要求。SST300傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不同，環(huán)境條件和影響也不一樣，比如SST300傳感器可以用于太陽能采集系統(tǒng)，也可以用在大型艦船上，顯然他們的使用環(huán)境是不一樣，所以需要對傳感器的應(yīng)用環(huán)境做一個(gè)分析。
本文的目的是定義一些對SST300傳感器設(shè)計(jì)中所要注意的重要環(huán)境參數(shù)，并討論與機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件（PCB）相關(guān)的問題。應(yīng)當(dāng)盡可能完整地確定實(shí)際應(yīng)用的情況，評估在使用環(huán)境中暴露的耐久性，確定失效的可能性，評估在測試期間發(fā)現(xiàn)可能隱藏的設(shè)計(jì)缺陷，提前注意這些問題，并在整個(gè)設(shè)計(jì)中不段的審查和優(yōu)化，提高傳感器的穩(wěn)定性。
2.影響SST300產(chǎn)品性能的環(huán)境因素
根據(jù)SST300的應(yīng)用場合，我們從以下幾個(gè)方面來預(yù)測和評估環(huán)境對SST300使用過程中的影響。
l 溫度
2 壓力
3 振動(dòng)
4 沖擊
5 濕度
6 侵蝕
7 輻射
2.1溫度
熱傳遞的模式是傳導(dǎo)、對流以及輻射和吸收。傳導(dǎo)，即一種物質(zhì)中的分子擾動(dòng)的直接交流，或者是分子或者原子碰撞越過不同物質(zhì)間的界面；對流，即溫度較高的材料通過運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱傳遞；在輻射和吸收過程中，在某給定溫度下材料散熱（即一個(gè)“熱源”），通過相鄰的介質(zhì)或者空間傳送，被另外一種材料吸收（即“冷源”）所有熱傳遞模式的作用就是改變熱源和冷源兩者的溫度，直至達(dá)到熱平衡。
以上三種熱傳感模式在傳感器設(shè)計(jì)中都很重要，因?yàn)槿魏握鎸?shí)物體與其周圍環(huán)境完全實(shí)現(xiàn)熱平衡是不可能的，存在溫度梯度是正常的，并會(huì)造成整個(gè)零件或者被連接起來的零件有不均的膨脹或者收縮。熱力學(xué)定律可以確定在不同溫度時(shí)零件內(nèi)部，或者相同溫度下由不同材料制成的零件內(nèi)部如何形成差分膨脹。
2.2壓力
這個(gè)參數(shù)是作用在單位面積上力的度量。公制中的標(biāo)準(zhǔn)單位是帕斯卡（ ），地球上的大氣壓是隨高度的變化而變化的，圖6是地球上大氣壓力隨高度變化的曲線。
壓力隨高度變化會(huì)造成一個(gè)重要的結(jié)果就是，高度變化時(shí)，一個(gè)沒有密封好的傳感器將出現(xiàn)“泵浦”效應(yīng)。這些變化能夠使空氣、水蒸氣、灰塵或者大氣層的其它成分通過漏洞進(jìn)入傳感器，會(huì)使傳感器受到污染，并導(dǎo)致結(jié)霧、腐蝕等問題。如果是一個(gè)密封良好的傳感器在不同的高度下會(huì)存在一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力差會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的微量的變形。這個(gè)變形量可能會(huì)對傳感器的測量的精度有一定影響。
圖6 壓力隨高度變化的曲線
2.3振動(dòng)
自然界中的振動(dòng)對傳感器的干擾可以是周期性的也可以是非周期性的。如果一個(gè)力只是引起物體或者零件的位移，在一個(gè)周期性力的作用下，使一個(gè)彈性體產(chǎn)生擺動(dòng)就可以稱為固有振動(dòng)。如果一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)連續(xù)的受到外部力量的驅(qū)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)就稱為受迫振動(dòng)。圖9給出了一些周期性作用力的類型。圖10則列出了有代表性的非周期性作用力的例子。
圖9 周期性作用力的例子。F代表力，t代表時(shí)間，T是一個(gè)循環(huán)的在周期。
圖10 非周期性作用力的例子。F代表力，t代表時(shí)間，T是一個(gè)循環(huán)的在周期。
當(dāng)周期作用力的頻率近似或者完全對應(yīng)于被驅(qū)動(dòng)物體的固有頻率或者基頻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)諧振，除非有效的加以阻尼，否則由此產(chǎn)生的諧振所形成的振幅將會(huì)超過同樣大小的力所形成的振幅。固有頻率 僅僅取決于振動(dòng)體的質(zhì)量m和振動(dòng)系統(tǒng)的剛性k.由下式給出：
成功的進(jìn)行傳感器的工程化設(shè)計(jì)，在很大程度上依賴于工程師預(yù)測和補(bǔ)償諧振問題的能力。該問題可以通過提高零件的剛性，從而使其固有頻率比驅(qū)動(dòng)力的頻率更高。設(shè)計(jì)和安裝阻尼輔助機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償力，使用這種阻尼力以減輕諧振。
2.4沖擊
突然將一個(gè)力快速的施加于SST300傳感器上，會(huì)將一系列動(dòng)態(tài)條件引入到結(jié)構(gòu)零件中。一般來說會(huì)出現(xiàn)彈性（也許是塑性）形變，未被正確支撐的零件會(huì)相對于其周圍零部件發(fā)生錯(cuò)位。
運(yùn)輸?shù)倪^程常常會(huì)給傳感器帶來最嚴(yán)重的沖擊。在使用卡車運(yùn)輸時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)的載荷都比較高。一般地，一輛卡車會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)力，例如偶然碰上坑洼、突然變速或者公路路面的突然變化，也許卡車必須行駛在較差的公路上，如年代久遠(yuǎn)、維護(hù)較差的公路。一臺(tái)裝有氣浮彈簧的卡車會(huì)減輕擾動(dòng)的嚴(yán)重程度。技術(shù)規(guī)范應(yīng)當(dāng)對有無集裝箱和抗沖擊裝置區(qū)別對待，如果沒有集裝箱，或者沖擊力直接從卡車傳到傳感器，那么沖擊的等級(jí)可能會(huì)超過，有正確設(shè)計(jì)的包裝則可以將運(yùn)輸沖擊衰減到不超。因?yàn)榇嬖谟酗L(fēng)力和著陸的沖力，空中運(yùn)輸也會(huì)遇到瞬時(shí)的力，而空氣的擾動(dòng)則是一種持續(xù)施加的力（振動(dòng)）。
在為一臺(tái)傳感器準(zhǔn)備沖擊技術(shù)指標(biāo)時(shí)，確定 的值是必要的，但還不是充分。通常技術(shù)規(guī)范定義了沖擊的持續(xù)時(shí)間和脈沖的形狀。圖15顯示了一條加速度（以g為單位）與時(shí)間的關(guān)系曲線，“脈沖”持續(xù)的時(shí)間非常短，頻率范圍大約從20-10000Hz，這種技術(shù)規(guī)范的目的是根據(jù)沖擊效果或者沖擊的損害潛力來確定要求。
圖15一個(gè)沖擊脈沖的加速度—時(shí)間的曲線示意圖
SST300傳感器實(shí)際使用或者運(yùn)輸過程中都可能受到一定的沖擊的影響，我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)是100g,11mms,三個(gè)軸向。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們使用Solidworks2010 Simulation模塊做一個(gè)沖擊仿真分析，模擬SST300傳感器在這種沖擊狀況下對傳感器或者傳感器的部分產(chǎn)生的影響，評價(jià)在這種極端沖擊條件下傳感器的穩(wěn)定性。
2.5濕度
SST300傳感器內(nèi)部存有液態(tài)水或者蒸汽狀的水會(huì)導(dǎo)致傳感器測量精度下降或者失效。一般來說設(shè)計(jì)們的傳感器，采用密封膠、墊圈、O型圈等可以達(dá)到比較好的防水效果。SST300傳感器采用O型圈結(jié)構(gòu)來保持密封性。
SST300傳感器的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，SST300采用密封圈密封的方式，其工作介質(zhì)可能為水，工作環(huán)境溫度為-40度到80度，天然橡膠、氯丁橡膠及硅橡膠都可以滿足這個(gè)使用溫度，其中天然橡膠和氯丁橡膠可以用于密封介質(zhì)為水的場合，所以我們選用氯丁橡膠。
圖24 表示SST300傳感器的O-ring的密封結(jié)構(gòu)形式。按照IP67防護(hù)等級(jí)要求做測試，測試結(jié)果是SST300的O型圈密封結(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求。
圖24 O-ring密封結(jié)構(gòu)
2.6腐蝕
腐蝕是材料及其環(huán)境間發(fā)生的一種化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)不同的材料放置在一種液體例如水中就會(huì)出現(xiàn)最常見的反應(yīng)形式，這些形式包括氧化反應(yīng)（形成金屬離子，釋放電子）和還原反應(yīng)（消耗自由電子），電子通過液體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。
為了避免SST300傳感器受到腐蝕，最有效的方法就是保持零件遠(yuǎn)離腐蝕源，雖然這種情況很難實(shí)現(xiàn)，但仍然是一個(gè)有效的方法。當(dāng)然，在某些情況下可以對殼體鍍保護(hù)膜或者噴漆，然而隨著時(shí)間的變長，或者在機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下，這些膜層會(huì)失效或者失去保護(hù)功能。最常見的腐蝕形式有：接觸腐蝕（或者摩擦腐蝕），是由于振動(dòng)使表面之間碰撞和擠壓造成保護(hù)膜例如氧化層被磨穿；電流腐蝕，即電子從一種金屬流向一種相對是非貴重金屬（即不太活躍的金屬）；氫脆化腐蝕，即氫氣擴(kuò)散到一種金屬中，使其易于變脆斷裂；應(yīng)力腐蝕，由于存在濕氣，材料表面的缺陷例如凹坑在持續(xù)張力的作用下會(huì)變大，并導(dǎo)致脆性斷裂。
鋁合金材料最常用的表面處理方式是陽級(jí)氧化處理和硬質(zhì)陽級(jí)氧化處理，兩種處理的差別是氧化后表面的硬度和厚度不同， SST300殼體選擇硬質(zhì)黑色陽級(jí)氧化處理。鋁合金硬質(zhì)陽極氧化屬于功能性陽極性氧化，硬質(zhì)氧化膜硬度高，耐磨性好，耐高溫，并且具有優(yōu)良的電絕緣性和抗蝕性。對于我們所使用的6061-T6鋁合金，一般氧化膜厚度在10-20μm即可。 SST300殼體經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理后表面比較耐磨，耐蝕而且比較穩(wěn)定。
2.7輻射（EMC）
SST300傳感器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了電磁兼容性。一般結(jié)構(gòu)件的屏蔽設(shè)計(jì)的原則如下：
1）屏蔽體結(jié)構(gòu)簡潔，盡可能減少不必要的孔洞，盡可能不要增加額外的縫隙；
2）避免開細(xì)長孔，通風(fēng)孔盡量采用圓孔并陣列排放。屏蔽和散熱有矛盾時(shí)盡可能開小孔，多開孔，避免開大孔；
3）足夠重視電纜的處理措施，電纜的處理往往比屏蔽本身還重要；
4）屏蔽體的電連續(xù)性是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能最主要的因素，相對而言，材料本身屏蔽性能的影響是微不足道的；
從以上的注意點(diǎn)可以得出我們的殼體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上符合屏蔽設(shè)計(jì)的原則。通過EMC的測試,SST300達(dá)到的防輻射的要求。
商家