辉格科技SST300传感器测量精度的环境因素分析

  影响SST300传感器测量精度的一个特别重要因素就是该传感器在使用期间所处的环境。一般来说,传感器在工作、存储和运输环境都不一样,会有不同的要求。SST300传感器的应用领域不同,环境条件和影响也不一样,比如SST300传感器可以用于太阳能采集系统,也可以用在大型舰船上,显然他们的使用环境是不一样,所以需要对传感器的应用环境做一个分析。

  本文的目的是定义一些对SST300传感器设计中所要注意的重要环境参数,并讨论与机械结构和硬件(PCB)相关的问题。应当尽可能完整地确定实际应用的情况,评估在使用环境中暴露的耐久性,确定失效的可能性,评估在测试期间发现可能隐藏的设计缺陷,提前注意这些问题,并在整个设计中不段的审查和优化,提高传感器的稳定性。

  根据SST300的应用场合,我们从以下几个方面来预测和评估环境对SST300使用过程中的影响。

  1、温度

  热传递的模式是传导、对流以及辐射和吸收。传导,即一种物质中的分子扰动的直接交流,或者是分子或者原子碰撞越过不同物质间的界面;对流,即温度较高的材料通过运动而进行热传递;在辐射和吸收过程中,在某给定温度下材料散热(即一个“热源”),通过相邻的介质或者空间传送,被另外一种材料吸收(即“冷源”)所有热传递模式的作用就是改变热源和冷源两者的温度,直至达到热平衡。

  以上三种热传感模式在传感器设计中都很重要,因为任何真实物体与其周围环境完全实现热平衡是不可能的,存在温度梯度是正常的,并会造成整个零件或者被连接起来的零件有不均的膨胀或者收缩。热力学定律可以确定在不同温度时零件内部,或者相同温度下由不同材料制成的零件内部如何形成差分膨胀。

  2、压力

  这个参数是作用在单位面积上力的度量。公制中的标准单位是帕斯卡(),地球上的大气压是随高度的变化而变化的,图6是地球上大气压力随高度变化的曲线。

  压力随高度变化会造成一个重要的结果就是,高度变化时,一个没有密封好的传感器将出现“泵浦”效应。这些变化能够使空气、水蒸气、灰尘或者大气层的其它成分通过漏洞进入传感器,会使传感器受到污染,并导致结雾、腐蚀等问题。如果是一个密封良好的传感器在不同的高度下会存在一个压力差,这个压力差会导致结构的微量的变形。这个变形量可能会对传感器的测量的精度有一定影响。

  3、振动

  自然界中的振动对传感器的干扰可以是周期性的也可以是非周期性的。如果一个力只是引起物体或者零件的位移,在一个周期性力的作用下,使一个弹性体产生摆动就可以称为固有振动。如果一个物体的运动连续的受到外部力量的驱动,这种运动就称为受迫振动。图9给出了一些周期性作用力的类型。图10则列出了有代表性的非周期性作用力的例子。

  当周期作用力的频率近似或者完全对应于被驱动物体的固有频率或者基频时,就会出现谐振,除非有效的加以阻尼,否则由此产生的谐振所形成的振幅将会超过同样大小的力所形成的振幅。固有频率仅仅取决于振动体的质量m和振动系统的刚性k.由下式给出:

  成功的进行传感器的工程化设计,在很大程度上依赖于工程师预测和补偿谐振问题的能力。该问题可以通过提高零件的刚性,从而使其固有频率比驱动力的频率更高。设计和安装阻尼辅助机构会产生补偿力,使用这种阻尼力以减轻谐振。

  4、冲击

  突然将一个力快速的施加于SST300传感器上,会将一系列动态条件引入到结构零件中。一般来说会出现弹性(也许是塑性)形变,未被正确支撑的零件会相对于其周围零部件发生错位。

  运输的过程常常会给传感器带来*严重的冲击。在使用卡车运输时,传感器结构的载荷都比较高。一般地,一辆卡车会产生瞬时力,例如偶然碰上坑洼、突然变速或者公路路面的突然变化,也许卡车必须行驶在较差的公路上,如年代久远、维护较差的公路。一台装有气浮弹簧的卡车会减轻扰动的严重程度。技术规范应当对有无集装箱和抗冲击装置区别对待,如果没有集装箱,或者冲击力直接从卡车传到传感器,那么冲击的等级可能会超过,有正确设计的包装则可以将运输冲击衰减到不超。因为存在有风力和着陆的冲力,空中运输也会遇到瞬时的力,而空气的扰动则是一种持续施加的力(振动)。

  在为一台传感器准备冲击技术指标时,确定的值是必要的,但还不是充分。通常技术规范定义了冲击的持续时间和脉冲的形状。图15显示了一条加速度(以g为单位)与时间的关系曲线,“脉冲”持续的时间非常短,频率范围大约从20-10000Hz,这种技术规范的目的是根据冲击效果或者冲击的损害潜力来确定要求。

  SST300传感器实际使用或者运输过程中都可能受到一定的冲击的影响,我们的设计指标是100g,11mms,三个轴向。

  根据设计要求我们使用Solidworks2010

  Simulation模块做一个冲击仿真分析,模拟SST300传感器在这种冲击状况下对传感器或者传感器的部分产生的影响,评价在这种极端冲击条件下传感器的稳定性。

  5、湿度

  SST300传感器内部存有液态水或者蒸汽状的水会导致传感器测量精度下降或者失效。一般来说设计们的传感器,采用密封胶、垫圈、O型圈等可以达到比较好的防水效果。SST300传感器采用O型圈结构来保持密封性。

  SST300传感器的防护等级达到IP67,SST300采用密封圈密封的方式,其工作介质可能为水,工作环境温度为-40度到80度,天然橡胶、氯丁橡胶及硅橡胶都可以满足这个使用温度,其中天然橡胶和氯丁橡胶可以用于密封介质为水的场合,所以我们选用氯丁橡胶。

  表示SST300传感器的O-ring的密封结构形式。按照IP67防护等级要求做测试,测试结果是SST300的O型圈密封结构可以满足设计要求。

  6、腐蚀

  腐蚀是材料及其环境间发生的一种化学或者电化学反应。当不同的材料放置在一种液体例如水中就会出现*常见的反应形式,这些形式包括氧化反应(形成金属离子,释放电子)和还原反应(消耗自由电子),电子通过液体实现转移。

  为了避免SST300传感器受到腐蚀,*有效的方法就是保持零件远离腐蚀源,虽然这种情况很难实现,但仍然是一个有效的方法。当然,在某些情况下可以对壳体镀保护膜或者喷漆,然而随着时间的变长,或者在机械应力及热应力作用下,这些膜层会失效或者失去保护功能。*常见的腐蚀形式有:接触腐蚀(或者摩擦腐蚀),是由于振动使表面之间碰撞和挤压造成保护膜例如氧化层被磨穿;电流腐蚀,即电子从一种金属流向一种相对是非贵重金属(即不太活跃的金属);氢脆化腐蚀,即氢气扩散到一种金属中,使其易于变脆断裂;应力腐蚀,由于存在湿气,材料表面的缺陷例如凹坑在持续张力的作用下会变大,并导致脆性断裂。

  铝合金材料*常用的表面处理方式是阳级氧化处理和硬质阳级氧化处理,两种处理的差别是氧化后表面的硬度和厚度不同,

  SST300壳体选择硬质黑色阳级氧化处理。铝合金硬质阳极氧化属于功能性阳极性氧化,硬质氧化膜硬度高,耐磨性好,耐高温,并且具有优良的电绝缘性和抗蚀性。对于我们所使用的6061-T6铝合金,一般氧化膜厚度在10-20μm即可。

  SST300壳体经过硬质阳极氧化处理后表面比较耐磨,耐蚀而且比较稳定。

  7、辐射(EMC)

  SST300传感器在结构设计时也考虑了电磁兼容性。一般结构件的屏蔽设计的原则如下:

  1)屏蔽体结构简洁,尽可能减少不必要的孔洞,尽可能不要增加额外的缝隙;

  2)避免开细长孔,通风孔尽量采用圆孔并阵列排放。屏蔽和散热有矛盾时尽可能开小孔,多开孔,避免开大孔;

  3)足够重视电缆的处理措施,电缆的处理往往比屏蔽本身还重要;

  4)屏蔽体的电连续性是影响结构件屏蔽效能*主要的因素,相对而言,材料本身屏蔽性能的影响是微不足道的;

  从以上的注意点可以得出我们的壳体在结构设计上符合屏蔽设计的原则。通过EMC的测试,SST300达到的防辐射的要求。

THE END
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