基于PCI 總線的含電子元件安全電路試驗研究

程帥，奚望

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

含電子元件的安全電路是電梯電氣安全裝置中的重要組成部分，其是保護電梯乘客和設(shè)備的關(guān)鍵部分，當電梯發(fā)生故障或特定狀態(tài)引發(fā)危險情況時，電梯裝置內(nèi)的特定電氣安全機制將被觸發(fā)，切斷驅(qū)動主機和制動器的電源供應(yīng)，以阻止電梯主機啟動，從而保護電路和乘客安全。這種高度可靠的性能是電梯系統(tǒng)不可或缺的一部分，對整個電子行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義?！兑?guī)范》明確規(guī)定所有含有電子元件的安全電路必須經(jīng)過嚴格實驗，為此，本文根據(jù)此規(guī)定進行了相關(guān)的嚴格實驗，探究實驗樣品的各方面性能，通過實驗，得出了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)和結(jié)論，這些數(shù)據(jù)驗證了樣品的安全可靠。以期通過這些實驗和數(shù)據(jù)，為電子行業(yè)的發(fā)展提供寶貴的參考，同時不斷提高電子元件的性能和可靠性，建立更安全、更高效的電梯系統(tǒng)。

1 實驗準備

1.1 儀器設(shè)備

含電子元件的安全電路試驗所需的儀器有：示波器、信號發(fā)生器、振動試驗臺、振動波形控制器、恒溫試驗箱、信號監(jiān)控柜、電源供應(yīng)、計算機。示波器用于監(jiān)測和分析電子元件的電信號，包括電壓和電流波形。信號發(fā)生器產(chǎn)生標準的測試信號，用于輸入到電路中，以模擬各種工作條件和信號源。振動實驗臺提供振動環(huán)境，能夠產(chǎn)生不同頻率和幅值的振動，模擬樣品在不同振動條件下的性能變化。振動波形控制器產(chǎn)生測試所需的振動、沖擊、碰撞的波形型號。恒溫試驗箱提供測試所需的溫度環(huán)境，用于模擬試驗樣品的不同溫度下的環(huán)境條件。信號監(jiān)控柜提供維護樣品正常工作的電源、信號，驗證樣品輸出信號的正確性、可靠性。電源供應(yīng)提供所需的電能，以確保電子元件在測試期間得到穩(wěn)定的電源，特別是在不同電壓和電流條件下。計算機用于檢測、記錄、分析實驗數(shù)據(jù)。

1.2 性能評估測試

1.2.1 掃頻循環(huán)振動測試

掃頻振動循環(huán)是指在特定頻率范圍內(nèi)來回進行振動，完成一次頻率掃描的過程。進行測試時，使用振動臺進行測試，在此期間，電路板需處于工作狀態(tài)，將樣品在三個相互垂直的軸線上（X、Y、Z 軸）依次經(jīng)受振動。在每個坐標軸方向上，進行20 次掃頻循環(huán)振動測試。在測試中，將振動幅值設(shè)置為0.35mm，頻率范圍設(shè)定在15Hz~50Hz 之間，觀察樣品在不同頻率下的振動響應(yīng)情況[1]。振動波形為正弦波，正弦波的數(shù)字方程式如式(1)和式(2)所示：

式(1)中，Xm為位移振幅，ω為角頻率，f代表頻率，t為時間，對式(1)進行求導(dǎo)，得到振動速度mV，如式(3)所示：

通過式(3)得到mV，如式(4)所示：

再將振動函數(shù)求導(dǎo)，得到振動加速度a，如式(5)所示：

由式(5)進一步得到加速度am，如式(6)所示:

所以，位移交越點頻率與加速度的計算公式，如式(7)所示：

由式(7)得出電子元件安全電路型式試驗的交越頻率為f=60Hz，低于《規(guī)范》規(guī)定的交越頻率，不宜采用。因此，采用0.35mm 的定位移振幅進行測驗[2]。測驗時，將振動臺啟動，使電路板在選定的振動參數(shù)下開始循環(huán)振動。進行20 次掃頻循環(huán)振動測試，每次循環(huán)的時間為5min，則整個掃頻振動測驗需要用時大約5h。使用計算機數(shù)據(jù)記錄軟件，記錄每次循環(huán)中的振動幅值、頻率等數(shù)據(jù)。對于每個軸向，記錄電路板的響應(yīng)情況，特別關(guān)注可能出現(xiàn)的異?；虿环€(wěn)定現(xiàn)象。將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機分析軟件，繪制頻率與振動幅值之間的關(guān)系圖。從圖中分析出電路板的共振頻率，以及在不同頻率下的振動特性。

1.2.2 沖擊測試

沖擊測試通過給予樣品瞬時的沖擊載荷，檢驗其在受到此種突然影響后，安全性能方面是否會出現(xiàn)變化。進行沖擊測驗時，將沖擊波形設(shè)置為半正弦波，波形如圖1 所示。

圖1 半正弦波

其數(shù)字表達式如式(8)所示：

其中A=30gn，為峰值加速度；D=15ms，為持續(xù)時間，沖擊脈沖標稱的速度變化量設(shè)定為2.1m/s[3]。沖擊測試過程中，首先，激活碰撞測試機，并將樣品放置于碰撞測試機上。其次，使其按照預(yù)設(shè)的半正弦波形對樣品3 個坐標軸的6 個方向進行沖擊，每個方向沖擊3 次，每次沖擊之間留有1min 的間隔，以允許樣品恢復(fù)至初始狀態(tài)。最后，使用計算機數(shù)據(jù)記錄軟件記錄每次沖擊的加速度、峰值等數(shù)據(jù)。對于每個方向的沖擊，分析樣品的響應(yīng)，檢查是否有安全性能改變或損壞現(xiàn)象。

1.2.3 碰撞測試

碰撞測試是模擬樣品在實際環(huán)境中可能經(jīng)歷的重復(fù)碰撞情況。測試時，將沖擊波形設(shè)為半正弦波，實際沖擊脈沖的速度變化量在標稱脈沖速度變化量的±20%之內(nèi)，其表達式同式(8)，其中，D=15ms，A=10gn，速度變化量為1.0m/s。碰撞測試的具體操作步驟如下，首先，將碰撞測試機進行校準，將待測樣品放置在碰撞機的測試位置上[4]。其次，激活碰撞測試機，選擇樣品的3 個互相垂直的x、y、z 坐標軸方向，按照預(yù)設(shè)的半正弦波形對樣品進行持續(xù)碰撞。在每個坐標軸方向上，施加1000±10 次碰撞，沖擊頻率為2 次/s。最后，匯總實驗數(shù)據(jù)，分析樣品在持續(xù)碰撞條件下的表現(xiàn)。根據(jù)實驗結(jié)果，判斷樣品在沖擊情況下的耐受性能是否滿足要求。

1.2.4 溫度測試

溫度測試是用來檢測樣品在高低溫極速變化的環(huán)境條件下的適用性[5]。測試步驟如下，首先，將印刷電路板設(shè)置為額定電壓，確保電路處于正常工作狀態(tài)，將溫度試驗箱進行預(yù)熱或預(yù)冷，確保溫度穩(wěn)定，再將樣品放入溫度試驗箱進行測驗，確保它在箱內(nèi)位置固定。其次，將溫度分別調(diào)為0℃、15℃、30℃、45℃、60℃、65℃，以模擬低溫和高溫環(huán)境，每個溫度點應(yīng)保持穩(wěn)定，并進行持續(xù)4h 的持續(xù)測試。最后，使用計算機數(shù)據(jù)記錄軟件記錄測試過程中的溫度變化。匯總實驗數(shù)據(jù)，分析樣品在不同溫度條件下的表現(xiàn)。根據(jù)分析的數(shù)據(jù)，生成測試結(jié)果報告，包括樣品在不同溫度下的性能評估。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同振頻下的穩(wěn)定性

在振動測試中，振動的穩(wěn)定性和頻率、加速度、速度以及峰值位移有關(guān)，使用振動測試臺和計算機分析軟件得到以下數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 振動數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，隨著頻率的增加，加速度也在增加。表明樣品在受到不同頻率的振動力下是不斷變化的，在不同頻率下，樣品的穩(wěn)定性表現(xiàn)出如下趨勢。在較低頻率（10.0Hz）時，速度和位移值相對較小，隨著頻率增加，速度和位移值也隨之增加[6]。表明在較高頻率下，樣品經(jīng)歷了更大的速度和位移變化，對樣品的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。中斷上限、報警上限、報警下限和中斷下限列，代表了不同振動頻率下的聲壓級的變化范圍。在整個頻率范圍內(nèi)，中斷上限、報警上限、報警下限和中斷下限的聲壓級變化幅度較小，保持在10~55Hz 頻率的范圍內(nèi)，表明樣品在不同頻率下的聲壓級變化相對較穩(wěn)定。綜上分析可得，樣品在不同頻率的振幅下加速度、速度、峰值位移均符合《規(guī)范》要求，樣品穩(wěn)定性良好。

2.2 受到瞬間沖擊后的安全性能

沖擊波的脈沖數(shù)、峰值速度、脈寬以及速度變化值等參數(shù)對于評估電子元器件受到?jīng)_擊后的安全性能至關(guān)重要，由沖擊測試數(shù)據(jù)得到下表，如表2 所示。

表2 沖擊波數(shù)據(jù)表

根據(jù)實驗參數(shù)和測量結(jié)果可知，當樣品受到3 次半正弦波沖擊時，設(shè)定峰值為294.00m/s，實際峰值為294.50m/s，者變化不大，為1.5m/s。設(shè)定脈寬為11ms，實際脈寬為10.64ms，二者變化不大，相差0.36ms，在實驗允許誤差內(nèi)，表明實驗操作的準確性和有效性。實際速度變化值和標準速度變化值吻合，表明樣品在收到?jīng)_擊時下降的加速度符合《規(guī)范》規(guī)定的加速度，樣品在此沖擊條件下的的響應(yīng)是可控和可預(yù)測的樣品，并且能夠經(jīng)受住這種沖擊并保持其功能和結(jié)構(gòu)完整性。

2.3 遭受碰撞時的抗沖擊性

使用計算機編程計算得到樣品受到?jīng)_擊時的位移仿真曲線圖，如圖2 所示。

圖2 碰撞位移仿真曲線圖

如圖2 所示，碰撞機啟動階段，由于慣性力的影響，導(dǎo)致樣品出現(xiàn)振動偏離中心位置的情況[7]。然而，當進入勻速運行段時，振動逐漸回到中心位置，隨著時間（t）的推移，線條密集度增加，表明振動頻率逐漸升高。在碰撞機的變加速運行階段，運行加速度逐漸增大，樣品振動幅度隨之逐步增大。在勻速運行段，振動幅度減小，隨著運行距離的增加，振動頻率逐漸增大。在樣品穩(wěn)定運行階段，振動幅度維持在較小的范圍內(nèi)。需注意，在制動過程中，由于受到慣性沖擊，樣品出現(xiàn)了振動幅度的峰值。根據(jù)計算公式(6)得出，振動加速度的最大值為16mm/s2，而在制動運行階段，最大振動加速度為15mm/s2。數(shù)據(jù)結(jié)果與《規(guī)范》規(guī)定的標準相符，即樣品的振動加速度應(yīng)該保持在小于25mm/s2的范圍內(nèi)。這表明所測試的電子元件的安全電路在各種運行情況下都能保持穩(wěn)定且安全的性能，為電梯的運行和乘客的安全提供了可靠的保障。

2.4 高低溫環(huán)境下的適用性

由溫度傳感器測量測驗時恒溫箱內(nèi)樣品溫度變化，如表3 所示。

表3 溫度記錄表

由表3 可知，在測試開始時，溫度傳感器的輸出溫度為24.0°C。隨著時間的推移，逐漸增加溫度，且每個溫度維持40min 左右，在第一個溫度段，溫度傳感器的輸出溫度逐漸上升，從初始的24.0°C 上升到25.5°C，說明樣品開始工作[8]。隨著時間的推移，溫度上下波動，表明樣品在高低、溫下未受損，仍能正常運行。但溫度變化不大，均在25℃上下波動，最大波動值在1.8℃，符合《規(guī)范》的規(guī)定，說明樣品耐高低溫變化能力良好，具有一定的高低溫適用性。

3 結(jié)束語

為完成《規(guī)范》對含有電子元件安全電路所要求的振動測試、沖擊測試、碰撞測試和溫度測試，本文開展了基于PCI 總線的電子元件安全電路試驗研究。具體來講，振動測試以模擬電子元件在不同振頻下的運行情況，沖擊測試評估電子元件在受到?jīng)_擊時的穩(wěn)定性，碰撞測試研究電子元件在碰撞場景下的響應(yīng)能力，溫度測試考察電子元件在極端溫度條件下的表現(xiàn)，并對所得數(shù)據(jù)進行分析討論，希望通過寶貴的數(shù)據(jù)，能為將來的電子行業(yè)的發(fā)展提供有力的支持。