提升光電編碼器濕熱環境適應性方法研究

趙光偉

（中國電子科技集團公司第29研究所，成都 610036）

光電編碼器是一種旋轉式位置傳感器，在現代伺服系統中廣泛應用于角位移或角速率的測量[1]。

某型軍用電子裝備伺服系統中使用了一種型號的光電編碼器，用于反饋天線的轉動角度。一部分光電編碼器安裝在相對密閉的空間中，另一部分安裝在裸露的自然環境中。當裝備在環境溫度高和濕度大的環境中使用時，安裝在相對密閉的空間中的光電編碼器故障率低，而直接安裝在裸露環境中的光電編碼器故障率高。這說明該型號光電編碼器在沒有實施防護措施時適應濕熱環境的能力低。

由于光電編碼器的安裝位置不同，亦可以理解為防護措施不同，造成了故障率相差很大。文中力求從工藝防護措施方面入手，找到提升光電編碼器濕熱環境適應能力的方法，提高裝備的可靠性[2]。

1 原因分析

GJB 4239—2001《裝備環境工程通用要求》中定義的環境適應性是指裝備（產品）在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下，能實現其所有預定功能與性能和（或）不被破壞的能力[3]?，F實情況是光電編碼器適應濕熱環境的能力低，直接裸露在濕熱環境中的光電編碼器，在6個月時間內共有6個發生故障。

1.1 故障檢測

光電編碼器的外形如圖1所示。通過查閱故障檢測報告，發現6個故障光電編碼器都是由于電路板短路引起的。如果光電編碼器內部有潮氣進入，吸附在電路板上會造成電路板短路，或者編碼器芯線上有潮氣，造成芯線間短路，最終也會使編碼器內部電路板短路。對6個故障件進行檢查，檢查結果驗證了之前的推斷，其中4個光電編碼器電路板和殼體內部有水漬，如圖2所示。另外2個光電編碼器芯線接頭處有水漬流出，如圖3所示。

圖1 光電編碼器外形Fig.1 Appearance of the photoelectric encoder

圖2 光電編碼器內部的水漬Fig.2 Water stains inside the photoelectric encoder

圖3 芯線接頭處的水漬Fig.3 Water stains at the joint of core wires

1.2 機理分析

濕熱環境對裝備的影響大部分是溫度和濕度綜合作用的結果，溫濕度的變化可以導致裝備內部出現凝露現象[4]，也會使裝備及其材料內部或表面出現凝露、吸附、吸收、擴散和呼吸等物理現象，溫濕度引起的物理現象見表 1[5—6]。

表1 溫濕度引起的物理現象Table 1 Physical phenomena related with temperature and humidity

由于光電編碼器表面為金屬材質、芯線接頭處的防護材料為熱縮套管[7]，凝露、吸附和擴散對它們的作用都很小，潮氣不可能從這兩種材料沁入內部。光電編碼器內部和芯線接頭處的潮氣進入應該是由于吸收效應、呼吸效應引起的。

1.3 潮氣進入點定位

1）光電編碼器內部潮氣進入點。由圖1可以看出，光電編碼器有一個封閉的外殼，但是殼體接縫處和電纜接頭處不一定完全密閉，如圖4所示。由于呼吸效應，潮氣可能從這兩處進入。

圖4 呼吸作用潮氣進入點Fig.4 The moisture entry points due to respiration

2）光電編碼器芯線接頭處潮氣進入點。打開芯線是接頭處的防護材料，發現編碼器未使用的幾根芯線采取的是整體防護，沒有單獨進行絕緣處理，如圖5所示。這就形成了一些縫隙，由于吸收效應潮氣從縫隙處進入。

圖5 吸收作用潮氣進入點Fig.5 The moisture entry points due to absorption

2 方法研究與驗證

2.1 光電編碼器內部防潮

由于光電編碼器內部的潮氣是由于呼吸效應進入的，所以必須找到呼吸效應的防止措施。呼吸效應的產生部位為具有封閉結構但又沒有完全密封的外殼處，最直接的防護措施是在光電編碼器的外部加裝防護罩，讓光電編碼在密閉的環境中工作。當光電編碼器外部沒有足夠加裝防護罩的空間的時候，可以換一種思路，直接對對光電編碼器進行防護，進行密封處理。

可靠的密封方法主要有焊接密封、膠接密封、灌封、O型密封圈密封、油封和包裝密封等[8]，密封方式對比見表2。

表2 6種密封方式對比Table 2 Contrast table for six sealing modes

通過6種密封方式的對比，發現采用膠接密封方式比較適合光電編碼器的密封，并采用定期檢查和更換密封膠的方法來彌補有機材料由于老化而降低密封可靠性的缺點。

環氧膠粘劑是以環氧樹脂為主體的膠粘劑，它對多種材料都有很高的粘接性能，用環氧膠粘劑膠粘可以得到良好的物理、力學和電性能，是數量最多、應用最廣的一種膠粘劑[9]。因此，可用環氧膠，例如雙組分環氧膠（型號DG-3S）涂抹在光電編碼器的殼體接縫處和電纜接頭處進行膠接密封。在多種行業設備上大量用熱縮套管來保護電線電纜，起到絕緣、密封的作用[7]，可用熱縮管套對電纜接頭處進行密封。處理后的光電編碼器外觀如圖6所示。

圖6 膠接密封后光電編碼器外形Fig.6 Appearance of the photoelectric encoder after the glue joint sealing

2.2 芯線接頭處防潮

由于光電編碼器芯線接頭處的潮氣是由于吸收效應進入的，所以必須找到吸收效應的防止措施。吸收效應的產生部位為導線之間的縫隙處，最直接的防止措施就是讓芯線不存在縫隙。從圖6中可以看出，未使用芯線沒有單獨進行絕緣處理造成了縫隙，于是把未使用的芯線用熱縮套管[7]單根密封，如圖7所示，這樣就不存在縫隙，最大程度的防止吸收效應的發生。

圖7 未使用芯線處理后外形Fig.7 Appearance of unused core wires after processing

2.3 驗證密封方法有效性

按照以上制定的方法對2個光電編碼器進行處理，然后按照GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[4]中規定的濕熱條件要求進行濕熱試驗。試驗結束后，2個光電編碼器內部均無進水現象、芯線接頭處也很干燥。分別對2個光電編碼器進行測試，各項功能指標均正常。

最后，到達裝備實際工作現場，對安裝在裸露自然環境中的光電編碼器，按照制定的措施進行防護處理。經過1年時間的使用驗證，安裝在裸露自然環境中的全部光電編碼器均未發生故障，相對之前6個月時間內6個光電編碼器發生故障的情況，其濕熱環境適應性有了顯著提高，證明密封方法有效。

3 結語

通過實驗室實驗驗證、工作環境使用驗證，證明采取以上所描述的工藝改進措施，可以使光電編碼器的濕熱環境適應能力得到很大程度的提高。這些工藝改進措施操作簡單、易于實現，并且花費成本較小。軍用電子裝備的使用環境多種多樣，提升軍事電子裝備的環境適應性是一項復雜的系統工程。現今，新技術、新工藝正在突飛猛進的發展，我們可以很好地加以利用；同時，我們也需要不斷的探索新的方法、方向。

[1] 姜義.光電編碼器的原理與應用[J].機床電器，2010（2）：25.JIANG Yi.Principle and Application of Photoelectrical Encoders[J].Machine Tool Electric Apparatus，2010（2）：25.

[2]GJB 451—90，可靠性維修性術語[S].GJB 451—90，Reliability and Maintainability Terms[S].

[3]GJB 4239—2001，裝備環境工程通用要求[S].GJB 4239—2001，General Requirements for Environmental Engineering[S].

[4]GJB 150A—2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].GJB 150A—2009，Laboratory Environmental Test Methods for Military Materiel[S].

[5] 翁雷，白顯毅.GJB 150A濕熱試驗中若干問題探討[J].航天器環境工程，2013，30（2）：229-230.WENG Lei，BAI Xian-yi.Some Problems of Damp Heat Test Specified in GJB 150A[J].Spacecraft Environment Engineering，2013，30（2）：229—230.

[6] 馮彩松.船用光端機“三防”設計[J].光纖與電纜及其應用技術，1994（3）：20—21.FENG Cai-song.Three Proof Designing on Marine Optical Transceiver[J].Optical Fiber&Electric Cable and Their Applications，1994（3）：20—21.

[7] 劉宇明，丁義剛，姜利祥，等.熱縮套管絕緣性能輻照效應研究[J].航天器環境工程，2010，27（1）：59—61.LIU Yu-ming，DING Yi-gang，JIANG Li-xiang，et al.Radiation Effects on the Insulation Properties of Heat-shrinkable Sleeves[J].Spacecraft Environment Engineering，2010，27（1）：59—61.

[8] 龔光福.呼吸效應研究[J].雷達科學與技術，2009，7（3）：238—239.GONG Guang-fu.The Research on Respiration Effect[J].Radar Science and Technology，2009，7（3）：238—239.

[9] 盛磊.俄羅斯宇航工程中常用的膠粘劑[J].航天返回與遙感，2001，22（2）：48.SHENG Lei.Main Adhesives Applied in Russian Aerospace[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing，2001，22（2）：48.