适用传感器产品的环境试验与相关标准简述

17 2020-09-17

环境试验是为了保证产品在规定的寿命期间,在预期的使用,运输或贮存的所有环境下,保持功能可靠性而进行的活动。是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用,以评价产品在实际使用,运输和贮存的环境条件下的性能,并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。

环境试验设备是模拟各类环境气候,运输、搬运、振动、等条件下,是企业或机构为验证原材料、半成品、成品质量的一种方法。目的是通过使用各种环境试验设备做试验,来验证材料和产品是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标。广泛用于大专院校、航空、航天、军事、造船、电工、电子、医疗、仪器仪表、石油仪表、石油化工、医疗、汽摩等领域。

环境试验设备能按IEC、MIL、ISO、GB、GJB等各种标准或用户要求进行高温、低温、温度冲击(气态及液态)、浸渍、温度循环、低气压、高低温低气压、恒定湿热、交变湿热、高压蒸煮、砂尘、耐爆炸、盐雾腐蚀、气体腐蚀、霉菌、淋雨、太阳辐射、光老化等。

1、气候环境试验的意义与作用

随着科学技术经济贸易的迅猛发展,自然资源海洋宇宙开发与利用,各种产品在贮存、运输和使用过程中遇到的环境越来越复杂,越来越严酷。从热带到寒带,从平原到高原,从海洋到太空等等,这就使得用户和生产者双方都关心产品在上述环境中得性能、可靠性和安全性,以保证产品能满意地工作,这就必须要进行环境试验。

所谓环境试验,就是将产品暴露在自然环境或人工模拟环境中,从而对它们实际上会遇到的贮存、运输和使用条件下的性能做出评价。通过环境试验,可以提供设计质量和产品质量方面的信息,是质量保证的重要手段。

A、环境试验的意义

对产品的评价不能只看其功能和性能是否优秀,还要综合其各方面条件,例如在严酷环境中,其功能和性能的可靠程度以及维修、成本高低等。在提高产品可靠性方面,环境试验占有重要位置,没有环境试验,就无法正确鉴别产品的品质、确保产品质量。

在产品的研制,生产和使用中都贯穿着环境试验,通常是设计一—环境试验——改进——再环境试验——投产。环境试验越真实准确,产品的可靠性越好。

B、环境试验的作用

1)用于产品研究性试验:研究性试验主要用于产品的设计、研制阶段,用于考核所选用的元器件、零部件、设计结构、采用的工艺等能否满足实际环境要求以及存在的问题。为了节省时间和充分暴露产品的薄弱环节,一般都采用加速环境试验方法。

2)用于产品定型试验:定型试验是用来确定产品能否在预定的环境条件下达到规定设计技术指标和安全要求。定型试验是全面的试验,产品可能遇到的环境因素都必须考虑到。

3)用于生产检查试验:生产检查试验主要用于检查产品的工艺质量及工艺变更时的质量稳定性。

4)用于产品的验收试验:验收试验是指产品出厂时,为了保证产品质量必须进行的一些项目的试验,验收试验通常是抽样进行的。

5)用于安全性试验:用环境试验可以检查产品是否危害健康及生命问题,用恒加速度来检查产品安装、连接的牢固性,以防止在紧急情况下被甩出而造成人身伤亡事故或撞坏其它设备。安全试验通常采用较正常试验更严酷的试验等级进行。

6)用于可靠性试验:可靠性试验是由环境试验、寿命试验、现象试验和特殊试验等组成,环境试验是其中的主要组成部分。美国MIL-ZTD-781D中明确规定:环境试验是可靠性试验的必要补充内容,也是提高产品可靠性的重要手段。

2、气候环境试验的分类

A、按环境试验形式分类:

1)自然暴露试验:是将样品长期暴露在天然环境中,它分为加负荷和不加负荷两种。

2)现场试验:为评价、分析产品的可靠性,在使用现场进行的试验叫现场环境试验。

3)人工模拟试验:是将样品放在人工模拟试验箱中进行的试验。

一般来说,自然暴露试验和现场试验能真实反映产品在实际使用中的性能和可靠性,也是验证人工模拟试验准确性的基础,但这二种试验的不足之处是试验周期长,花费人力物力大,因此只有对可靠性要求较高的产品才进行这项试验。而人工模拟试验是电工电子产品可靠性研究中常见的试验方法。

B、按环境试验性质分类

IEC(国际电工委员会)Tc75环境条件分类委员会于1981年颁布了“环境参数分级标准”,具体如下:

1)气候环境因素:温度、湿度、压力、日光辐射、沙尘、雪等。
2)生物及化学因素:盐雾、霉菌、二氧化硫、硫化氢等。
3)机械环境因素:振动(含正弦、随机)、碰撞、跌落、摇摆、冲击等。
4)综合环境因素:温度与湿度,温度与压力、温度、湿度与振动等等。

C、按环境试验项目分类

气候环境试验其项目可分为如下几项:高温、低温、温度循环、温度冲击、低气压、湿热、日光辐射、砂尘、淋雨等,一般将盐雾和霉菌试验包括在其中。

在上述试验项目中又可分为单因素、综合及组合试验。

3、气候环境试验的发展状况

从本世纪初,人们就注意到环境条件对产品的性能有很大的影响,随着产品越来越复杂和使用环境越来越严酷,环境试验受到人们的重视。

A、国外情况

环境试验在国际上已有80多年的历史,1919年美国开始进行人工模拟环境试验,1943年,美国陆海空军便制定了环境试验方法。当时的试验项目主要是高温、湿热、低气压、砂尘、盐雾、日光辐射等,其主要的目的是解决热带沙漠地区作战的战斗机、装甲车等的质量问题。1955年,美国成立了环境工程学会。英国于1949年成立了环境工程学会。前苏联在五十年代就在国内各地建立了环境试验站,并在我国进行大量的暴露试验。东德于1962年成立了环境试验委员会,主要负责电信设备和元件方面的环境试验。

IEC于四十年代开始研究环境试验方面的问题,随着电子电工产品环境试验问题的日益突出,于1961年成立了Tc50“环境试验技术委员会”,专门从事环境条件分类和分级的研究。

B、国内情况

我国的环境试验始于五十年代,先在广州、上海、海南岛等地建立了天然暴露试验站,与东欧各国共同探索热带、亚热带、沿海地区气候条件对产品的影响。我国的环境试验从学习国外的标准,到逐步建立自己的环境试验体系,几十年来有了很大的发展。目前,国内的环境试验工作正大面积地开展,各省市都建立了电子产品检验所(站),各大公司各大厂、所也都拥有自己的可靠性环境试验室,并陆续淘汰了旧设备,引进和购置了一些新设备,随着宇航事业的迅速发展,国防工业部门开始对可靠性和环境试验给予高度重视,并投入了巨大的人力、物力、财力,对提高军用产品的质量起到重要作用。

4、气候环境试验设备

在环境试验中,人工模拟试验是常用和重要的试验方法,而环境试验设备是开展人工模拟试验工作研究的工具和手段。和环境试验一样,环境试验设备从本世纪二十年代至今已有80多年的历史了,从70年代开始,环境试验设备有了迅速发展,并逐渐成为一门综合性强技术复杂的边缘科学。

A)气候环境试验设备发展概况

1)国外气候试验设备的发展情况来看,大致可分为三个阶段:
第一阶段为探索阶段(从20年代至50年代):这个阶段是从无到有,其结构和电气控制都是较为简单的单因素设备。
第二阶段为发展阶段(从50年代末至70年代中期):这个阶段发展了几十个品种、上百个规格,可以模拟从地面到高空的气候试验设备,这些设备在结构设计和电气控制方面有了明显的改进,基本实现了自动控制,并有了简单的安全保护措施。
第三阶段为飞跃发展阶段(从70年代末至今):这个阶段生产的设备采用了许多新的科学技术成果,微处理机得到广泛应用。从设计到制造,从测试到数据处理全部可以自动化,并出现了许多大型和综合环境试验设备。可以说,这个阶段的设备从量变到质变,得到了突飞猛进的发展。

2)国内研制和生产环境试验设备已有四十多年的历史,也经历了从仿制、自行设计和更新设计三个阶段。四十多年来,国内从事环境试验设备研制和生产的厂、所发展到上百家,生产环境试验设备二百多种。目前,不少厂家引进先进技术,按国际和国家标准,不断更新设计,朝着多功能综合参数、微机控制的方向发展。

B、国内外部分气候试验设备标准

GB 10586-89《湿热试验箱技术条件》,GB 10587-89《盐雾试验箱技术条件》,GB 10588-89《长霉试验箱技术条件》,GB 10589-89《低温试验箱技术条件》,GB 10590-89《低温/低气压试验箱技术条件》,GB 10591-89《高温/低气压试验箱技术条件》,GB 10592-89《高、低温试验箱技术条件》,GB 11158-89《高温试验箱技术条件》,GB 11159-89《低气压试验箱技术条件》。

MIL-C-8811《淋雨试验箱技术条件》,MIL-C-9452《霉菌试验箱技术条件》,MIL-C-9435《防爆试验箱技术条件》,MIL-C-9436《砂尘试验箱技术条件》,MIL-Z-7951《高度-湿度-温度试验箱技术条件》。

5、常用的环境试验简介
振动试验:振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力。物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫描振动、定频振动。描述振动的主要参数有:振幅、速度、加速度。单频正弦振动频率为f时,振幅单峰值为D,则其速度单峰值为,加速度单峰值为。

振动试验标准:GJB150,GB-T 4857.23-2003,GBT4857.10-2005目前能进行振动试验的实验室有环境可靠性与电磁兼容试验中心、航天环境可靠性试验与检测中心等寿命试验:寿命试验是研究产品寿命特征的方法,这种方法可在实验室模拟各种使用条件来进行。寿命试验是可靠性试验中重要基本的项目之一,它是将产品放在特定的试验条件下考察其失效(损坏)随时间变化规律。通过寿命试验,可以了解产品的寿命特征、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。如结合失效分析,可进一步弄清导致产品失效的主要失效机理,作为可靠性设计、可靠性预测、改进新产品质量和确定合理的筛选、例行(批量保证)试验条件等的依据。如果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进行试验,这就是加速寿命试验。通过寿命试验可以对产品的可靠性水平进行评价,并通过质量反馈来提高新产品可靠性水平。寿命试验在北京实施的单位主要有航天环境可靠性与检测中心和环境可靠性与电磁兼容试验中心。

盐雾试验:盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。它分为二大类,一类为天然环境暴露试验,另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备——盐雾试验箱,在其容积空间内用人工的方法,造成盐雾环境来对产品的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核。它与天然环境相比,其盐雾环境的氯化物的盐浓度,可以是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍,使腐蚀速度大大提高,对产品进行盐雾试验,得出结果的时间也

大大缩短。如在天然暴露环境下对某产品样品进行试验,待其腐蚀可能要1年,而在人工模拟盐雾环境条件下试验,只要24小时,即可得到相似的结果。

盐雾的腐蚀:腐蚀是材料或其性能在环境的作用下引起的破坏或变质。大多数的腐蚀发生在大气环境中,大气中含有氧气、湿度、温度变化和污染物等腐蚀成分和腐蚀因素。盐雾腐蚀就是一种常见和有破坏性的大气腐蚀。这里讲的盐雾是指氯化物的大气,它的主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐——氯化钠,它主要来源于海洋和内地盐碱地区。盐雾对金属材料表面的腐蚀是由于含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应引起的。同时,氯离子含有一定的水合能,易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝排挤并取代氯化层中的氧,把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物,使钝化态表面变成活泼表面。造成对产品极坏的不良反应。

人工模拟盐雾试验又包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速醋酸盐雾试验、交变盐雾试验。

(1)中性盐雾试验(NSS试验)是出现早目前应用领域广的一种加速腐蚀试验方法。它采用5%的氯化钠盐水溶液,溶液PH值调在中性范围(6~7)作为喷雾用的溶液。试验温度均取35℃,要求盐雾的沉降率在1~2ml/80cm2。h之间。

(2)醋酸盐雾试验(ASS试验)是在中性盐雾试验的基础上发展起来的。它是在5%氯化钠溶液中加入一些冰醋酸,使溶液的PH值降为3左右,溶液变成酸性,最后形成的盐雾也由中性盐雾变成酸性。它的腐蚀速度要比NSS试验快3倍左右。

(3)铜盐加速醋酸盐雾试验(CASS试验)是国外新近发展起来的一种快速盐雾腐蚀试验,试验温度为50℃,盐溶液中加入少量铜盐—氯化铜,强烈诱发腐蚀。它的腐蚀速度大约是NSS试验的8倍。

(4)交变盐雾试验是一种综合盐雾试验,它实际上是中性盐雾试验加恒定湿热试验。它主要用于空腔型的整机产品,通过潮态环境的渗透,使盐雾腐蚀不但在产品表面产生,也在产品内部产生。它是将产品在盐雾和湿热两种环境条件下交替转换,最后考核整机产品的电性能和机械性能有无变化。

盐雾试验标准及试验结果的判定

标准是对重复性事物和概述所做的统一规定。盐雾试验标准是对盐雾试验条件,如温度、湿度、氯化钠溶液浓度和PH值等做的明确具体规定,另外还对盐雾试验箱性能提出技术要求。同种产品采用那种盐雾试验标准要根据盐雾试验的特性和金属的腐蚀速度及对盐雾的敏感程度选择。下面介绍几个盐雾试验标准,如GB/T2423.17—1993《电工电子产品基本环境试验规程试验Ka:盐雾试验方法》,GB/T2423.18—2000《电工电子产品环境试验第2部分:试验试验Kb:盐雾,交变(氯化钠溶液)》,GB5938—86《轻工产品金属镀层和化学处理层的耐腐蚀试验方法》,GB/T1771—91《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》。

盐雾试验的目的是为了考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀质量,而盐雾试验结果判定正是对产品质量的宣判,它的判定结果是否正确合理,是正确衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键。盐雾试验结果的判定方法有:评级判定法、称重判定法、腐蚀物出现判定法、腐蚀数据统计分析法。评级判定法是把腐蚀面积与总面积之比的百分数按一定的方法划分成几个级别,以某一个级别作为合格判定依据,它适合平板样品进行评价;称重判定法是通过对腐蚀试验前后样品的重量进行称重的方法,计算出受腐蚀损失的重量来对样品耐腐蚀质量进行评判,它特别适用于对某种金属耐腐蚀质量进行考核;腐蚀物出现判定法是一种定性的判定法,它以盐雾腐蚀试验后,产品是否产生腐蚀现象来对样品进行判定,一般产品标准中大多采用此方法;腐蚀数据统计分析方法提供了设计腐蚀试验、分析腐蚀数据、确定腐蚀数据的置信度的方法,它主要用于分析、统计腐蚀情况,而不是具体用于某一具体产品的质量判定。

试验用盐雾试验箱主要应当符合CNS、ASTM、JIS、ISO标准
电磁兼容EMC(Electromagnetic Compatibility):电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是:
系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作,同时不对其他系统和设备造成干扰。

各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨,主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术,并在此基础上根据技术经济合理的原则,对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定,使处于同一电磁环境的设备都是兼容的,同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

电磁干扰(Electromagnetic Interference),简称EMI,有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作,各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准,符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的,而是天天都在改变,这也是各国政府或经济组织,保护自己利益经常采取的手段。

所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。而所谓电磁干扰是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。
EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份,所谓EMI电磁干扰,乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声;而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

进行电磁兼容兼容(包括电磁干扰和电磁耐受性)的检测与试验的机构有苏州电器科学研究院、航天环境可靠性试验中心、环境可靠性与电磁兼容试验服务中心等实验室。

舰船冲击试验:舰船冲击试验是评定舰船电子设备在作战时可能受到的非重复性的严重冲击影响的适应性。舰船冲击试验标准:GJB 4。9-1983,目前能进行舰船冲击试验的实验室很少,有环境可靠性与电磁兼容试验中心、航天环境可靠性试验与检测中心。

老化试验:老化试验主要是指针对橡胶、塑料产品、电器绝缘材料及其他材料进行的热氧老化试验;或者针对电子零配件、塑化产品的换气老化试验。老化试验又分为温度老化、阳光辐照老化、加载老化等等。

高温老化一般分几个等级进行,工业的一般用70度,4个小时,15度一个等级,一般有40度,55度70度,85度几个等级,时间一般都是4个小时。

能实施老化试验的实验室主要有苏州电器科学研究所、国家电器产品质量监督检验中心、梓恺环境可靠性与电磁兼容试验服务中心、航天环境可靠性试验与检测中心、广州电子产品可靠性与环境试验研究所等。

沙尘试验:沙尘试验主要用于低压电器、电机、仪器、仪表、电子产品、灯具的沙尘模拟检测。是评价所有机械,电子,电化学,和机电设备,暴露于干砂或充满尘土的大气的作用下的抵抗能力及能否储存和运行。标准有:GB/T 2423.37-2006防护等级试验:外壳防护等级(IP代码)是将产品依其防尘、防止外物侵入、防水、防湿气之特性加以分级。这里所指的外物包含工具、人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分,以免触电。它一般是由两个数字所组成,第一个数字表示产品防尘、防止外物侵入的等级;第二个数字表示产品防湿气、防水侵入的密闭程度。数字越大,表示其防护等级越高。如:外壳防护等级(IP代码)示例如:IPXX,防尘等级(第一个X表示):0:没有保护;1:防止大的固体侵入;2:防止中等大小的固体侵入;3:防止小固体进入侵入;4:防止物体大于1mm的固体进入;5:防止有害的粉尘堆积;6:完全防止粉尘进入防水等级(第二个X表示):0:没有保护;1:水滴滴入到外壳无影响;2:当外壳倾斜到15度时,水滴滴入到外壳无影响;3:水或雨水从60度角落到外壳上无影响;4:液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响;5:用水冲洗无任何伤害;6:可用于船舱内的环境;7:可于短时间内耐浸水(1m);8:于一定压力下长时间浸水外壳防护等级(IP代码)的标准有:由IEC所起草国际防护和防水试验标准:国际电工委员会标准IEC529–598;国标GB700–86.3)GB 4208等。
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