選用可靠性環境試驗箱的方法

一、設備選擇依據

存在於(yu) 地球表麵及大氣層空間中的自然環境因素和誘發環境因素的種類，目前還無法統計出一個(ge) 確切的數目，其中對工程產(chan) 品（設備）的使用及壽命影響較大的因素不下十幾種。從(cong) 事工程產(chan) 品環境條件研究的工程師們(men) 將自然界存在以及人類活動所誘發的環境條件整理歸納為(wei) 一係列的試驗標準和規範，用以指導工程產(chan) 品的環境及可靠性試驗。如指導軍(jun) 工產(chan) 品進行環境試驗 GJB150―― 中華人民共和國國家軍(jun) 用標準《軍(jun) 用設備環境試驗方法》，指導電工電子產(chan) 品進行環境試驗的 GB2423―― 中華人民共和國國家標準《電工電子產(chan) 品環境試驗方法指南》等。因此，我們(men) 選擇環境及可靠性試驗設備時主要的依據是工程產(chan) 品的試驗規範和試驗標準。

其次，為(wei) 了規範試驗設備中環境試驗條件的容差，保證環境參數的控製精度，國家技術監督機構及各工業(ye) 部門還製訂了一係列的環境試驗設備及檢測儀(yi) 器儀(yi) 表的檢定規程。如中華人民共和國國家標準 GB5170 《電工電子產(chan) 品環境試驗設備基本參數檢定方法》，又如國家技術監督局頒布實施的 JJG190 － 89 《電動振動試驗台係統試行檢定規程》等。這些檢定規程也是選擇環境及可靠性試驗設備的重要依據，不符合這些檢定規程要求的試驗設備是不允許投入使用的。

二、設備選擇基本原則環境及可靠性試驗設備的選擇應遵循以下五條基本原則：

1 、環境條件的再現性

在試驗室內(nei) 完整而地再現自然界存在的環境條件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差範圍之內(nei) ，人們(men) *可以正確而近似地模擬工程產(chan) 品在使用、貯存、運輸等過程中所經受的外界環境條件。這段話用工程的語言概括，就是 “ 試驗設備所創造的圍繞被試產(chan) 品周邊的環境條件（含平台環境）應該滿足產(chan) 品試驗規範所規定的環境條件及其容差的要求 ” 。如用於(yu) 軍(jun) 工產(chan) 品試驗的溫度箱不僅(jin) 要滿足國軍(jun) 標 GJB150.3 － 86 、 GJB150.4 － 86 中根據不同的均勻性和溫度控製精度的要求。隻有這樣，才能保證在環境試驗中環境條件的再現性。

2 、環境條件的可重複性

一台環境試驗設備可能用於(yu) 同一類型產(chan) 品的多次試驗，而一台被試的工程產(chan) 品也可能在不同的環境試驗設備中進行試驗，為(wei) 了保證同一台產(chan) 品在同一試驗規範所規定的環境試驗條件下所得試驗結果的可比較性，必然要求環境試驗設備所提供的環境條件具有可重複性。這也就是說，環境試驗設備施用於(yu) 被試驗產(chan) 品的應力水平（如熱應力、振動應力、電應力等）對於(yu) 同一試驗規範的要求是一致的。

環境試驗設備所提供環境條件的可重複性是由國家計量檢定部門依據國家技術監督機構所製定的檢定規程檢定合格後提供保證。為(wei) 此，必須要求環境試驗設備能滿足檢定規程中的各項技術指標及精度指標的要求，並且在使用時間上不超過檢定周期所規定的時限。如使用非常普遍的電動振動台除滿足激振力、頻率範圍、負載能力等技術指標外，還必須滿足檢定規程中規定的橫向振動比、台麵加速度均勻性、諧波失真度等精度指標的要求，而且每次檢定後的使用周期為(wei) 二年，超過二年必須重新檢定合格後才能投入使用。

3 、環境條件參數的可測控性

任何一台環境試驗設備所提供的環境條件必須是可觀測的和可控製的，這不僅(jin) 是為(wei) 了使環境參數限製在一定的容差範圍之內(nei) ，保證試驗條件的再現性和重複性的要求，而且從(cong) 產(chan) 品試驗的安全出發也是必須的，以便防止環境條件失控導致被試產(chan) 品的損壞，帶來不必要的損失。目前各種試驗規範中大體(ti) 要求參數測試的精度不應低於(yu) 試驗條件允許的誤差的三分之一。

4 、環境試驗條件的排它性

每一次進行環境或可靠性試驗，對環境因素的類別、量值及容差都有嚴(yan) 格的規定，並排除非試驗所需的環境因素滲透其中，以便在試驗中或試驗結束後判斷和分析產(chan) 品失效與(yu) 故障模式時，提供確切的依據，故要求環境試驗設備除提供所規定的環境條件外，不允許對被試產(chan) 品附加其它的環境應力幹擾。如電動振動台檢定規程中所限定的台麵漏磁，加速度信噪比、帶內(nei) 帶外加速度總均方根值比。隨機信號的檢驗、諧波失真度等精度指標都是為(wei) 了保證環境試驗條件的*性而製定的檢定項目。

5 、試驗設備的安全可靠性

環境試驗，特別是可靠性試驗，試驗周期長，試驗的對象有時是價(jia) 值很高的軍(jun) 工產(chan) 品，試驗過程中，試驗人員經常要在現場周圍操作巡視或測試工作，因此要求環境試驗設備必須具有運行安全、操作方便、使用可靠、工作壽命長等特點，以確保試驗本身的正常進行。試驗設備的各種保護、告警措施及安全連鎖裝置應該完善可靠，以保證試驗人員、被試產(chan) 品和試驗設備本身的安全可靠性。

三、溫濕度箱的選擇

1、容積的選擇

將被試產(chan) 品（元器件、組件、部件或整機）置入氣候環境箱進行試驗時，為(wei) 了保證被試產(chan) 品周圍氣氛能滿足試驗規範所規定的環境試驗條件，氣候箱工作尺寸與(yu) 被試產(chan) 品外廓尺寸之間應遵循以下幾點規定：

a）被試產(chan) 品的體(ti) 積（W×D×H）不得超過試驗箱有效工作空間的（20～35）％（推薦選用20％）。對於(yu) 在試驗中發熱的產(chan) 品推薦選用不大於(yu) 10％。

b）被試產(chan) 品的迎風斷麵積與(yu) 該斷麵上試驗箱工作室總麵積之比不大於(yu) （35～50）％（推薦選用35％）。

c）被試產(chan) 品外廓表麵距試驗箱壁的距離至少保持100～150mm，（推薦選用150mm）。

上述三點規定實際上是相互依存和統一的。以1立方米正方體(ti) 箱子為(wei) 例，麵積比為(wei) 1：（0.35～0.5）相當於(yu) 體(ti) 積之比為(wei) 1：（0.207～0.354）。距箱壁100～150mm相當於(yu) 體(ti) 積之比為(wei) 1：（0.343～0.512）。總括上述三點規定，氣候環境試驗箱的工作腔容積至少應是被試產(chan) 品外廓體(ti) 積的3～5倍。作出這種規定的理由有以下幾點：

1〕被試驗件置入箱體(ti) 後擠占了流暢的通道，通道變窄將導致氣流流速的增加。加速氣流與(yu) 被試驗件之間的熱交換。這與(yu) 環境條件的再現不符，因為(wei) 在有關(guan) 標準中對涉及溫度環境試驗都規定試驗箱內(nei) 試驗樣件周圍的空氣流速不應超過1.7m/s，以防止試驗樣件和周圍氣氛產(chan) 生不符合實際的熱傳(chuan) 導。在空載時試驗箱內(nei) 平均風速為(wei) 0.6～0.8m/s，不超過1m/s，滿足a）、b）兩(liang) 點要求所規定的空間及麵積比時，流場的風速可能增大（50～100）％，平均zui高風速為(wei) （1～1.7）m/s。滿足標準規定的要求。如果在試驗中不加限製地加大試驗件的體(ti) 積或迎風斷麵積，則實際試驗時氣流風速將增大到超出試驗標準所規定的zui高風速，其試驗結果的有效性將受到懷疑。

2〕氣候箱工作腔內(nei) 環境參數〔如溫度、濕度、鹽霧沉降率等〕的精度指標都是在空載狀態下檢測的結果，一旦置入被試驗件後，對試驗箱工作腔內(nei) 環境參數的均勻性將產(chan) 生影響，試驗件占有的空間越大，這種影響也就越嚴(yan) 重。實測試驗數據表明，流場中迎風麵與(yu) 背風麵的溫差可達到3～8℃，嚴(yan) 重時可大到10℃以上。因此，必須盡量滿足a〕、b〕兩(liang) 項要求，以保證被試產(chan) 品周圍環境參數的均勻性。 CG2中國可靠性資源網
3〕根據熱傳(chuan) 導的原理，箱壁附近氣流的溫度通常與(yu) 流場中心溫度相差2～3℃，在高低溫的上下*，還可能達到5℃。箱壁的溫度與(yu) 箱壁附近流場的溫度又相差2～3℃（視箱壁的結構和材料而定）試驗溫度與(yu) 外界大氣環境相差越大，上述溫差也越大，因此，距箱壁（100～150mm）距離內(nei) 的空間是不可利用空間。

2、溫度範圍的選擇

目前，國外溫度試驗箱的範圍大體(ti) 上為(wei) －73～＋177℃，或－70～＋180℃。國內(nei) 多數廠家一般為(wei) －80～＋130℃，－60～＋130℃，－40～＋130℃，也有高溫到150℃。這些溫度範圍通常可以滿足國內(nei) 絕大多數軍(jun) 用、民用產(chan) 品溫度試驗的需要，除非確有特殊需要，如安裝位置靠近發動機等熱源的產(chan) 品外，不可盲目提高溫度上限。因為(wei) 上限溫度越高，箱體(ti) 內(nei) 外的溫差越大，箱體(ti) 內(nei) 部流場的均勻性也越差。可利用的工作室體(ti) 積也就越小。另一方麵，上限溫度值越高，對箱壁夾層中保溫材料（如玻璃棉等）的耐熱性要求越高。箱體(ti) 密封性的要求也越高，使箱體(ti) 的製作成本增加。

3、濕度範圍的選擇

國內(nei) 外環境試驗箱給出的濕度指標大都是20～98％RH或30～98％RH，如果濕熱試驗箱沒有除濕係統，則濕度範圍為(wei) 60～98％，這一類試驗箱隻能做高濕試驗，但它的價(jia) 格低得多。值得注意的是在濕度指標後麵應該注明相應的溫度範圍，或給出zui低露點溫度。因為(wei) 相對濕度是與(yu) 溫度直接相關(guan) 的，對於(yu) 同樣的含濕量，溫度越高，相對濕度就越小，如含濕量為(wei) 5g/Kg（指1公斤幹空氣中含有5克的水蒸汽），當溫度為(wei) 29℃時，相對濕度為(wei) 20％RH，溫度為(wei) 6℃時，相對濕度為(wei) 90％RH，當溫度降至4℃以下，相對濕度超過100％，在箱體(ti) 內(nei) 會(hui) 出現結露現象。

實現高溫、高濕隻需要往箱體(ti) 空氣中噴水蒸汽或霧化的水珠，進行加濕。低溫低濕則相對難於(yu) 控製，因為(wei) 此時的含濕量很低，有時比大氣中的含濕量低很多，需要對箱體(ti) 內(nei) 流動的空氣除濕，使空氣變得幹燥。目前國內(nei) 外絕大多數的溫濕度箱都采用製冷除濕的原理，是在箱體(ti) 的空氣預調室內(nei) 加一組製冷光管。當濕空氣經過冷管時，其相對濕度會(hui) 達到100％RH，因空氣飽和在光管上結露，使空氣變得更幹燥。這種除濕方式理論上可達到零度以下的露點溫度，但是當冷點表麵溫度到達0℃時，光管表麵結露的水滴會(hui) 結冰，從(cong) 而影響光管表麵的熱交換，使除濕能力下降。又因為(wei) 箱體(ti) 不可能密封，大氣中的濕空氣會(hui) 滲入到箱體(ti) 內(nei) ，使露點溫度回升。另一方麵，在光管間流動的濕空氣隻是在和光管（冷點）接觸的瞬間達到飽和狀態而析出水蒸汽，因此這種除濕方法很難使箱體(ti) 內(nei) 的露點溫度在到0℃以下。實際所達到的zui低露點溫度為(wei) 5～7℃。露點溫度5℃相當於(yu) 含濕量為(wei) 0.0055g/Kg，對應相對濕度20％RH的溫度為(wei) 30℃。如果要求溫度20℃進相對濕度達到20％RH，此時的露點溫度為(wei) －3℃，采用致冷方式除濕是很困難的，必須選用空氣幹燥係統才能實現。

4、控製方式的選擇

溫度、濕度試驗箱有恒定試驗箱、交變試驗箱兩(liang) 種情況。普通的高低溫試驗箱一般指的是恒定高低溫試驗箱，其控製方式為(wei) ：設定一個(ge) 目標溫度，試驗箱具有自動恒溫到目標溫度點的能力。恒定溫濕度試驗箱的控製控製方式也類似，設定一個(ge) 目標溫度、濕度點，試驗箱具有自動恒溫到目標溫度、濕度點的能力。高、低溫交變試驗箱具有設定一條或者多條高低溫變化、循環的程序，試驗箱有能力根據預置的曲線完成試驗過程，並且可以在zui大升溫、降溫速率能力的範圍內(nei) ，控製升溫、降溫的速率，即可以根據設定的曲線的斜率控製升溫、降溫速率。同樣，高低溫交變濕熱試驗箱也具有預置溫度、濕度曲線，並且根據預置進行控製的能力。當然，交變試驗箱都具有恒定試驗箱的功能，但交變試驗箱的製造成本較高，因為(wei) 交變試驗箱需配置有曲線自動記錄裝置、程序控製儀(yi) ，還須解決(jue) 試驗箱在工作室內(nei) 溫度較高的情況下開啟製冷機等問題，因此，交變試驗箱的價(jia) 格比恒定試驗箱的價(jia) 格一般要高20%以上。因此，我們(men) 應當實事求是的以試驗方法的需要為(wei) 出發點，選用恒定試驗箱或者是交變試驗箱。

5、變溫速率的選擇

普通的高低溫試驗箱沒有降溫速度的指標，從(cong) 環境溫度降溫到標稱的zui低溫度的時間一般為(wei) 90～120min。高低溫交變試驗箱、高低溫交變濕熱試驗箱都有變溫速度的要求，其變溫速率一般要求1℃/min，在此速率的範圍內(nei) 速度可調。而快速溫度變化試驗箱的變溫速率較快，升溫、降溫速率可以達到3℃/min～15℃/min，在某些溫度段升溫、降溫速率甚至可以達到30℃/min以上。

各種規格、速度的快速溫度變化試驗箱的溫度範圍一般都是相同的，即－60～＋130℃，但考核降溫速度的變溫範圍卻不盡相同，根據試驗不同的試驗要求，快速溫度變化試驗箱變溫範圍有的是－55～＋80℃，而有的是－40～＋80℃。

關(guan) 於(yu) 快速溫度變化試驗箱的變溫速率有兩(liang) 種提法，一種是全程平均升降溫速度，一種是線形升降溫速度（實際上是每5 min平均速度）。全程平均速度是指在試驗箱的變溫範圍內(nei) ，zui高溫度與(yu) zui低溫度之差值與(yu) 時間之比。目前國外各環境試驗設備生產(chan) 廠家提供的變溫速率的技術參數都是指的全程平均速率。線形升降溫速度指在任意的每5 min時間段內(nei) ，能夠保證的變溫速率。而實際上對於(yu) 快速溫度變化試驗箱來說，保證線形升降溫速度的難度zui大、zui關(guan) 鍵的一段是，在降溫段zui後的一個(ge) 5 min的時間段內(nei) ，試驗箱可以達到的降溫速率。從(cong) 某種角度講，線形升降溫速度（每5 min平均速度）更科學。因此試驗設備具有全程平均升降溫速度和線形升降溫速度（每5 min平均速度）這兩(liang) 個(ge) 參數。一般來說，線形升降溫速度（每5 min平均速度）是全程平均升降溫速度的1/2。