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輝格科技SST300傳感器產品環境指標說明
發布時間：2012-02-13
產品信息
1.概述
影響SST300傳感器測量精度的一個特別重要因素就是該傳感器在使用期間所處的環境。一般來說，傳感器在工作、存儲和運輸環境都不一樣，會有不同的要求。SST300傳感器的應用領域不同，環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，也可以用在大型艦船上，顯然他們的使用環境是不一樣，所以需要對傳感器的應用環境做一個分析。
本文的目的是定義一些對SST300傳感器設計中所要注意的重要環境參數，并討論與機械結構和硬件（PCB）相關的問題。應當盡可能完整地確定實際應用的情況，評估在使用環境中暴露的耐久性，確定失效的可能性，評估在測試期間發現可能隱藏的設計缺陷，提前注意這些問題，并在整個設計中不段的審查和優化，提高傳感器的穩定性。
2.影響SST300產品性能的環境因素
根據SST300的應用場合，我們從以下幾個方面來預測和評估環境對SST300使用過程中的影響。
l 溫度
2 壓力
3 振動
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、對流以及輻射和吸收。傳導，即一種物質中的分子擾動的直接交流，或者是分子或者原子碰撞越過不同物質間的界面；對流，即溫度較高的材料通過運動而進行熱傳遞；在輻射和吸收過程中，在某給定溫度下材料散熱（即一個“熱源”），通過相鄰的介質或者空間傳送，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，直至達到熱平衡。
以上三種熱傳感模式在傳感器設計中都很重要，因為任何真實物體與其周圍環境完全實現熱平衡是不可能的，存在溫度梯度是正常的，并會造成整個零件或者被連接起來的零件有不均的膨脹或者收縮。熱力學定律可以確定在不同溫度時零件內部，或者相同溫度下由不同材料制成的零件內部如何形成差分膨脹。
2.2壓力
這個參數是作用在單位面積上力的度量。公制中的標準單位是帕斯卡（ ），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。
壓力隨高度變化會造成一個重要的結果就是，高度變化時，一個沒有密封好的傳感器將出現“泵浦”效應。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入傳感器，會使傳感器受到污染，并導致結霧、腐蝕等問題。如果是一個密封良好的傳感器在不同的高度下會存在一個壓力差，這個壓力差會導致結構的微量的變形。這個變形量可能會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
自然界中的振動對傳感器的干擾可以是周期性的也可以是非周期性的。如果一個力只是引起物體或者零件的位移，在一個周期性力的作用下，使一個彈性體產生擺動就可以稱為固有振動。如果一個物體的運動連續的受到外部力量的驅動，這種運動就稱為受迫振動。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代表時間，T是一個循環的在周期。
圖10 非周期性作用力的例子。F代表力，t代表時間，T是一個循環的在周期。
當周期作用力的頻率近似或者完全對應于被驅動物體的固有頻率或者基頻時，就會出現諧振，除非有效的加以阻尼，否則由此產生的諧振所形成的振幅將會超過同樣大小的力所形成的振幅。固有頻率 僅僅取決于振動體的質量m和振動系統的剛性k.由下式給出：
成功的進行傳感器的工程化設計，在很大程度上依賴于工程師預測和補償諧振問題的能力。該問題可以通過提高零件的剛性，從而使其固有頻率比驅動力的頻率更高。設計和安裝阻尼輔助機構會產生補償力，使用這種阻尼力以減輕諧振。
2.4沖擊
突然將一個力快速的施加于SST300傳感器上，會將一系列動態條件引入到結構零件中。一般來說會出現彈性（也許是塑性）形變，未被正確支撐的零件會相對于其周圍零部件發生錯位。
運輸的過程常常會給傳感器帶來最嚴重的沖擊。在使用卡車運輸時，傳感器結構的載荷都比較高。一般地，一輛卡車會產生瞬時力，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、維護較差的公路。一臺裝有氣浮彈簧的卡車會減輕擾動的嚴重程度。技術規范應當對有無集裝箱和抗沖擊裝置區別對待，如果沒有集裝箱，或者沖擊力直接從卡車傳到傳感器，那么沖擊的等級可能會超過，有正確設計的包裝則可以將運輸沖擊衰減到不超。因為存在有風力和著陸的沖力，空中運輸也會遇到瞬時的力，而空氣的擾動則是一種持續施加的力（振動）。
在為一臺傳感器準備沖擊技術指標時，確定 的值是必要的，但還不是充分。通常技術規范定義了沖擊的持續時間和脈沖的形狀。圖15顯示了一條加速度（以g為單位）與時間的關系曲線，“脈沖”持續的時間非常短，頻率范圍大約從20-10000Hz，這種技術規范的目的是根據沖擊效果或者沖擊的損害潛力來確定要求。
圖15一個沖擊脈沖的加速度—時間的曲線示意圖
SST300傳感器實際使用或者運輸過程中都可能受到一定的沖擊的影響，我們的設計指標是100g,11mms,三個軸向。
根據設計要求我們使用Solidworks2010 Simulation模塊做一個沖擊仿真分析，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生的影響，評價在這種極端沖擊條件下傳感器的穩定性。
2.5濕度
SST300傳感器內部存有液態水或者蒸汽狀的水會導致傳感器測量精度下降或者失效。一般來說設計們的傳感器，采用密封膠、墊圈、O型圈等可以達到比較好的防水效果。SST300傳感器采用O型圈結構來保持密封性。
SST300傳感器的防護等級達到IP67，SST300采用密封圈密封的方式，其工作介質可能為水，工作環境溫度為-40度到80度，天然橡膠、氯丁橡膠及硅橡膠都可以滿足這個使用溫度，其中天然橡膠和氯丁橡膠可以用于密封介質為水的場合，所以我們選用氯丁橡膠。
圖24 表示SST300傳感器的O-ring的密封結構形式。按照IP67防護等級要求做測試，測試結果是SST300的O型圈密封結構可以滿足設計要求。
圖24 O-ring密封結構
2.6腐蝕
腐蝕是材料及其環境間發生的一種化學或者電化學反應。當不同的材料放置在一種液體例如水中就會出現最常見的反應形式，這些形式包括氧化反應（形成金屬離子，釋放電子）和還原反應（消耗自由電子），電子通過液體實現轉移。
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離腐蝕源，雖然這種情況很難實現，但仍然是一個有效的方法。當然，在某些情況下可以對殼體鍍保護膜或者噴漆，然而隨著時間的變長，或者在機械應力及熱應力作用下，這些膜層會失效或者失去保護功能。最常見的腐蝕形式有：接觸腐蝕（或者摩擦腐蝕），是由于振動使表面之間碰撞和擠壓造成保護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，即氫氣擴散到一種金屬中，使其易于變脆斷裂；應力腐蝕，由于存在濕氣，材料表面的缺陷例如凹坑在持續張力的作用下會變大，并導致脆性斷裂。
鋁合金材料最常用的表面處理方式是陽級氧化處理和硬質陽級氧化處理，兩種處理的差別是氧化后表面的硬度和厚度不同， SST300殼體選擇硬質黑色陽級氧化處理。鋁合金硬質陽極氧化屬于功能性陽極性氧化，硬質氧化膜硬度高，耐磨性好，耐高溫，并且具有優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殼體經過硬質陽極氧化處理后表面比較耐磨，耐蝕而且比較穩定。
2.7輻射（EMC）
SST300傳感器在結構設計時也考慮了電磁兼容性。一般結構件的屏蔽設計的原則如下：
1）屏蔽體結構簡潔，盡可能減少不必要的孔洞，盡可能不要增加額外的縫隙；
2）避免開細長孔，通風孔盡量采用圓孔并陣列排放。屏蔽和散熱有矛盾時盡可能開小孔，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）屏蔽體的電連續性是影響結構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；
從以上的注意點可以得出我們的殼體在結構設計上符合屏蔽設計的原則。通過EMC的測試,SST300達到的防輻射的要求。
商家