電子儀器設(shè)備機(jī)箱的可靠性設(shè)計(jì)

摘要 機(jī)箱是電子儀器設(shè)備的重要組成分，由于其具有防熱、抗振、抗電磁輻射、美觀外形等功能，因此機(jī)箱可靠性設(shè)計(jì)是儀器設(shè)計(jì)中具有重要意義。本文通過對(duì)機(jī)箱有關(guān)防熱、抗振、抗輻射、美觀外形的設(shè)計(jì)討論，闡述了機(jī)箱可靠性設(shè)計(jì)的一般原則與措施，對(duì)儀器設(shè)備的機(jī)箱可靠性設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)與借鑒作用。

關(guān)鍵詞 儀器設(shè)備；機(jī)箱；防熱；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-489X（2007）01-0051-03

Reliability Designfor the Box of Electronical Instrument and Equipment// Lan Jun ， Shu Qian

Abstract The box is an important part ofelectronical instrument， it possess of helding back heat， avti-shake， avti-electromagneti radiation and transfiguring outline， so the reliability design of the box takes on important purport for the instrument design. The paper discusses the design of box abouthelding back heat， avti-shake， avti-electromagneti radiation and transfiguring outline，and expounds the reliability design of the box about commonly principles and measures， it can bring forth some guidance action for the reliability design of the electronical instrument box.

Key words Instrument and equipment; The box; Helding back heat;Design

Author’s address

1.Leshan Teacher’s College

2.Leshan Vocational Technology College， Leshan， Sichuan 614004

對(duì)于電子儀器設(shè)備的整機(jī)結(jié)構(gòu)與功能來說，機(jī)箱具有重要地位。機(jī)箱具有熱交換、防塵、屏蔽、防止內(nèi)部元器件免受損壞、抗輻射和美觀外形等功能，對(duì)于電子儀器設(shè)備設(shè)計(jì)來說，機(jī)箱的可靠性設(shè)計(jì)就必須針對(duì)相應(yīng)儀器機(jī)箱的功能對(duì)機(jī)箱進(jìn)行分析與綜合考慮，達(dá)到機(jī)箱最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1 機(jī)箱的防熱設(shè)計(jì)

在電子儀器設(shè)備中，熱量主要來自阻性載流的元器件，如變壓器、集成電路、大功率晶體管、發(fā)光器件、扼流圈和大功率電阻等，機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)主要就是將電子儀器內(nèi)部的熱量以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的形式散發(fā)到周圍介質(zhì)中。機(jī)箱防熱設(shè)計(jì)的目的就是對(duì)儀器機(jī)箱采用合理的熱交換方式，以最低的熱交換代價(jià)，獲取較高的熱交換效率，以保證儀器設(shè)備能在規(guī)定的熱環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。防熱設(shè)計(jì)的根據(jù)是：①設(shè)備和元件的發(fā)熱功率。②發(fā)熱元件和熱敏元件的最高允許工作溫度。③設(shè)備和元件所處的工作環(huán)境溫度高低。

根據(jù)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射理論可以得出，對(duì)于電子儀器設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)一般采用如下措施。

1)為了提高機(jī)箱的熱傳導(dǎo)能力，選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料作機(jī)箱。一般說來金屬導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬次之。因此對(duì)于電子儀器設(shè)備一般要考慮金屬中性價(jià)比較高的銅、鑄鐵、鋼、硅鋼、鋁等作機(jī)箱。

2)為了提高機(jī)箱的熱輻射能力，在機(jī)箱的內(nèi)外表面應(yīng)涂上粗糙的黑漆，顏色越深其熱輻射越好，而且粗糙的表面比光滑表面的熱輻射能力強(qiáng)；如果美觀上要求不高，可涂復(fù)黑色皺紋漆，其熱輻射效果更好。

3)在機(jī)箱上合理地開通風(fēng)孔，可以加強(qiáng)氣流對(duì)流換熱作用。通風(fēng)孔的位置可以開在機(jī)箱的頂部、底部或兩側(cè)，通常通風(fēng)孔開于底部比其它部位的散熱效果好。開孔時(shí)應(yīng)注意不能使氣流短路，進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)開在溫差大的兩處，距離不能太近?？紤]空氣在電子設(shè)備內(nèi)部受熱體積會(huì)膨脹，機(jī)箱上通風(fēng)孔的出口面積要比入口面積大。

4)機(jī)箱內(nèi)部的熱量可以通過內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)給機(jī)箱，再由機(jī)箱以熱輻射和熱對(duì)流的形式傳給外部環(huán)境；個(gè)別設(shè)備由于其機(jī)箱熱量不易散失，還應(yīng)考慮對(duì)機(jī)箱采取強(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制水冷或半導(dǎo)體制冷等方式，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行冷卻；同時(shí)對(duì)機(jī)箱內(nèi)部各部分產(chǎn)生的熱量要采取適當(dāng)措施進(jìn)行有效地?zé)崃拷粨Q。

5)機(jī)箱要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以防止內(nèi)部元器件受損。

2 機(jī)箱的抗振設(shè)計(jì)

電子類儀器設(shè)備在運(yùn)輸和使用中經(jīng)常要受到各類機(jī)械因素，如機(jī)械振動(dòng)、沖擊、離心力和搖擺等的影響，這些影響中最常見的是機(jī)械振動(dòng)。這類機(jī)械振動(dòng)能破壞儀器內(nèi)各種連接處，如焊縫、鉚接等的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；引起結(jié)構(gòu)噪聲；降低電子元器件使用壽命；破壞儀器儀表的正常工作條件，降低測(cè)量精度；也可能使設(shè)備形成難于檢修的“軟故障”，甚至導(dǎo)致?lián)p壞；惡化工作條件，使人易疲勞、引起技術(shù)事故，長(zhǎng)久下去會(huì)使人造成生理疾病。機(jī)械振動(dòng)就其產(chǎn)生原因大致有2種：一種是儀器本身工作時(shí)力和力矩的不平衡引起的振動(dòng)；另一種是由于外力或力矩作用于機(jī)架或機(jī)箱上而引起的振動(dòng)。因此在電子儀器設(shè)備設(shè)計(jì)中必須考慮機(jī)械振動(dòng)對(duì)電子儀器設(shè)備的影響，并能采取適當(dāng)措施抑制機(jī)械振動(dòng)。

減少和控制機(jī)箱振動(dòng)的方法可歸納為如下三類：減小擾動(dòng)——減小或消除振動(dòng)源的激勵(lì)；防止共振——防止或減小機(jī)箱對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)；采取隔板措施——減小或隔離振動(dòng)的傳遞。

根據(jù)振動(dòng)理論，對(duì)于機(jī)箱的抗振設(shè)計(jì)一般采用如下措施。

1)針對(duì)不同儀器工作的環(huán)境而選用合適的材料，以便能保護(hù)機(jī)箱內(nèi)元器件的安全。對(duì)于機(jī)械振動(dòng)較大的工作環(huán)境要選用鋼質(zhì)、鐵質(zhì)等剛性材料作機(jī)箱材料，能有效地防止或減小機(jī)箱結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)。同時(shí)機(jī)箱選用剛性大的材料能增加重量，提高構(gòu)件剛度，減少振動(dòng)和振幅，將機(jī)箱或儀器整體做得非常笨重，這在不考慮重量、空間及成本的情況下，不失為一種近乎理想的減振設(shè)計(jì)方法。

2) 從材料力學(xué)知道，當(dāng)構(gòu)件的材料一定時(shí)，抗扭剛度取決于構(gòu)件的截面形狀和尺寸，因此對(duì)機(jī)箱材料板材要選擇合理的截面形狀和尺寸，增加機(jī)箱壁緣也可有效提高剛度。

3) 對(duì)于電子儀器內(nèi)部的振動(dòng)源可采用獨(dú)立安裝，對(duì)于無法獨(dú)立安裝的振動(dòng)源則可用吸振材料做成屏蔽罩，將振源隔離開。

4) 將機(jī)箱的地腳螺栓緊固并加乳膠海棉、隔振橡膠或金屬?gòu)椥圆牧系龋蛲ㄟ^安裝減振裝置，如油減震器、空氣減震器等可以有效地減振，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

5)利用復(fù)相型合金、鐵磁型合金、孿晶型合金、位錯(cuò)型合金等減震合金的減振性能來減振。

6)在電子儀器設(shè)備內(nèi)振動(dòng)較強(qiáng)處安裝隔板或隔振系統(tǒng)。對(duì)于抗振動(dòng)要求較高的部分可采用多層隔板或雙層隔振系統(tǒng)隔離技術(shù)。

3 機(jī)箱的抗電磁設(shè)計(jì)

電子儀器設(shè)備在工作時(shí)不僅受到環(huán)境中各種電磁干擾，而且有些設(shè)備還受到儀器內(nèi)部分電路的電磁影響。儀器的機(jī)箱對(duì)于儀器屏蔽電磁干擾具有重要作用，充分作好儀器機(jī)箱的抗電磁設(shè)計(jì)，能提高儀器抗干擾能力、屏蔽效能和儀器測(cè)量精確度。

根據(jù)電磁輻射理論，對(duì)于電子儀器機(jī)箱的設(shè)計(jì)一般采用如下措施。

1)材料的選擇和屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)。對(duì)于用于電磁屏蔽的機(jī)箱材料的電導(dǎo)率、磁通率越高，屏蔽效果越好，但材料的選用還受到強(qiáng)度、重量、散熱性、工藝性等因素的制約。當(dāng)屏蔽效果不太好時(shí)，可考慮對(duì)其進(jìn)行表面處理。在屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使機(jī)箱有足夠的厚度以增大磁路橫切面積，增加屏蔽效果；同時(shí)在垂直于磁通方向不能開口，以免增大磁阻。

2)機(jī)箱要良好接地。儀器機(jī)箱接地有2個(gè)重要作用：一是接地能使屏蔽具有較好效果，二是消除靜電影響。當(dāng)抑制外界對(duì)同軸電纜線的干擾時(shí)，應(yīng)采取屏蔽層一端接地，另一端懸空的連接方法。當(dāng)同軸電纜中心導(dǎo)線是干擾源時(shí)，應(yīng)采取屏蔽層一端接地，另一端串聯(lián)1個(gè)電阻的方法。這時(shí)無論是高頻還是低頻，對(duì)磁屏蔽都能收到良好的效果。

3)機(jī)箱上通風(fēng)孔的屏蔽。為了滿足被屏蔽對(duì)象(設(shè)備、組件等)的通風(fēng)散熱要求，必須在屏蔽體上開通風(fēng)孔?？椎男孤┡c多種因素有關(guān)，如離開場(chǎng)源的距離、電磁場(chǎng)的頻率、開孔的面積和開孔的形狀等。對(duì)于某一具體場(chǎng)源而言，泄漏將隨孔的面積增加而增加，在開孔面積相同的情況下，長(zhǎng)方形的孔比正方形的泄漏大．正方形的孔比圓孔泄漏大。一般在不同的頻率要求下．屏蔽效能的高低，采用的結(jié)構(gòu)形式不同。

①通風(fēng)孔覆蓋金屬絲網(wǎng)。采用環(huán)形壓圈通過緊固螺釘把金屬絲網(wǎng)安裝在屏蔽體的通風(fēng)孔上。如果網(wǎng)孔密、網(wǎng)絲粗及網(wǎng)絲的導(dǎo)電性能好，則網(wǎng)的屏蔽效能就高。一般在100 kHz到100 MHz的頻段內(nèi)，銅網(wǎng)有較高的屏蔽效能，如果采用雙層銅網(wǎng)，中間處加防塵材料進(jìn)行濾塵，則屏蔽效能可更高。周邊可安裝橡膠密封卷曲螺旋組合襯墊，亦可使金屬絲網(wǎng)與屏蔽體之間獲得良好的電接觸。

②穿孔金屬板作通風(fēng)孔。當(dāng)工作頻率比較低，對(duì)屏蔽效能要求不甚高時(shí)，用許多小孔代替大口徑的通風(fēng)孔是提高屏蔽體屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽體上開許多小孔進(jìn)行通風(fēng)散熱。與金屬絲網(wǎng)相比，其特點(diǎn)是屏蔽性能穩(wěn)定，因?yàn)樗淮嬖诮饘俳z網(wǎng)固有的網(wǎng)絲交叉點(diǎn)接觸電阻不穩(wěn)定的問題，具有結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)通風(fēng)孔的孔徑、孔間距與屏蔽效能的關(guān)系上，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：通風(fēng)孔直徑為4 mm，間距為5 mm 以行列對(duì)齊的陣列圓孔。

③采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗。頻率高于100 MHz時(shí)，金屬絲網(wǎng)和穿孔金屬板的屏蔽效能顯著下降，特別是當(dāng)孔眼尺寸與電磁波波長(zhǎng)可比擬時(shí)，則孔眼將引起嚴(yán)重的泄漏。在甚高頻以上，若既要有高屏蔽效能，又要通風(fēng)良好，可采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔板(如蜂窩狀通風(fēng)孔板)。

4)機(jī)箱上縫隙的屏蔽處理。機(jī)箱上的縫隙引起電磁的泄漏，縫隙越長(zhǎng)，泄漏越多，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：①減少縫隙數(shù)量。采用合理的結(jié)構(gòu)使縫隙數(shù)量最小。②增加縫隙深度。增加縫隙深度可增大縫隙的傳輸損耗。③減少縫隙長(zhǎng)度。通過增加鏍釘數(shù)量可以減少電磁的泄漏。④改變縫隙的形式。如將平縫改為坡縫，可增大電磁波的反射損耗和傳輸損耗。⑤用導(dǎo)電墊代替普通墊。導(dǎo)電墊的變形量控制在15％左右，可發(fā)揮較好作用。

4機(jī)箱的色彩設(shè)計(jì)

色彩是電子儀器設(shè)備造型的重要因素，它能美化產(chǎn)品滿足人們的審美要求.電子儀器設(shè)備在作造型設(shè)計(jì)時(shí)，有良好的色彩設(shè)計(jì)，就能更好地發(fā)揮產(chǎn)品的功能與使用效果，而色彩設(shè)計(jì)直接體現(xiàn)在機(jī)箱上。

1) 面板色彩。機(jī)箱的色彩首先反映到機(jī)箱的操作面板上，因面板上常有顯示器、指示燈、旋鈕、開關(guān)、按鍵、接插件和文字標(biāo)識(shí)等，這些元器件供使用者操作、觀測(cè)使用，要求面板色彩宜人、親切。面板底色一般采用單色調(diào)，主要選用較暗和柔和的色彩，如淡藍(lán)色和淺綠色等。如面板較大且元器件較少時(shí)，可采用兩套及以上色進(jìn)行色彩分割，以協(xié)調(diào)比例和豐富色彩。面板色彩要簡(jiǎn)潔明快，不能色彩過多，以免過于花俏和色彩雜亂，而影響人的視覺感受。

2) 機(jī)箱的整體色彩。儀器的機(jī)箱總體色調(diào)采用明度較高，表面精細(xì)或具微弱光澤的暖色調(diào)，有利于表現(xiàn)儀器的精密與輕巧。適當(dāng)?shù)慕档蜕始兌?，可減少對(duì)人眼的刺激。體積較小的儀器儀表，一般采用單一的色彩處理，使人感覺精致；體積較大的儀器儀表，可采用兩套色或三套色處理。在儀器儀表側(cè)面或機(jī)腳處使用調(diào)和的鄰近色，并在明度上進(jìn)行變化，取得豐富統(tǒng)一的色彩效果。

5 結(jié)束語

電子儀器設(shè)備設(shè)計(jì)是儀器儀表研究的重要課題，其機(jī)箱設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中值得關(guān)注的重要環(huán)節(jié)，通過對(duì)電子儀器設(shè)備的防熱、抗振、抗電磁輻射、美觀外形設(shè)計(jì)方面的探討，對(duì)進(jìn)一步提高機(jī)箱可靠性設(shè)計(jì)質(zhì)量和儀器儀表可靠性方面都具有重要意義。