基于PCI 總線的含電子元件安全電路試驗研究

程帥，奚望

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

含電子元件的安全電路是電梯電氣安全裝置中的重要組成部分，其是保護電梯乘客和設備的關鍵部分，當電梯發生故障或特定狀態引發危險情況時，電梯裝置內的特定電氣安全機制將被觸發，切斷驅動主機和制動器的電源供應，以阻止電梯主機啟動，從而保護電路和乘客安全。這種高度可靠的性能是電梯系統不可或缺的一部分，對整個電子行業的發展都具有重要意義?！兑幏丁访鞔_規定所有含有電子元件的安全電路必須經過嚴格實驗，為此，本文根據此規定進行了相關的嚴格實驗，探究實驗樣品的各方面性能，通過實驗，得出了一系列關鍵數據和結論，這些數據驗證了樣品的安全可靠。以期通過這些實驗和數據，為電子行業的發展提供寶貴的參考，同時不斷提高電子元件的性能和可靠性，建立更安全、更高效的電梯系統。

1 實驗準備

1.1 儀器設備

含電子元件的安全電路試驗所需的儀器有：示波器、信號發生器、振動試驗臺、振動波形控制器、恒溫試驗箱、信號監控柜、電源供應、計算機。示波器用于監測和分析電子元件的電信號，包括電壓和電流波形。信號發生器產生標準的測試信號，用于輸入到電路中，以模擬各種工作條件和信號源。振動實驗臺提供振動環境，能夠產生不同頻率和幅值的振動，模擬樣品在不同振動條件下的性能變化。振動波形控制器產生測試所需的振動、沖擊、碰撞的波形型號。恒溫試驗箱提供測試所需的溫度環境，用于模擬試驗樣品的不同溫度下的環境條件。信號監控柜提供維護樣品正常工作的電源、信號，驗證樣品輸出信號的正確性、可靠性。電源供應提供所需的電能，以確保電子元件在測試期間得到穩定的電源，特別是在不同電壓和電流條件下。計算機用于檢測、記錄、分析實驗數據。

1.2 性能評估測試

1.2.1 掃頻循環振動測試

掃頻振動循環是指在特定頻率范圍內來回進行振動，完成一次頻率掃描的過程。進行測試時，使用振動臺進行測試，在此期間，電路板需處于工作狀態，將樣品在三個相互垂直的軸線上（X、Y、Z 軸）依次經受振動。在每個坐標軸方向上，進行20 次掃頻循環振動測試。在測試中，將振動幅值設置為0.35mm，頻率范圍設定在15Hz~50Hz 之間，觀察樣品在不同頻率下的振動響應情況[1]。振動波形為正弦波，正弦波的數字方程式如式(1)和式(2)所示：

式(1)中，Xm為位移振幅，ω為角頻率，f代表頻率，t為時間，對式(1)進行求導，得到振動速度mV，如式(3)所示：

通過式(3)得到mV，如式(4)所示：

再將振動函數求導，得到振動加速度a，如式(5)所示：

由式(5)進一步得到加速度am，如式(6)所示:

所以，位移交越點頻率與加速度的計算公式，如式(7)所示：

由式(7)得出電子元件安全電路型式試驗的交越頻率為f=60Hz，低于《規范》規定的交越頻率，不宜采用。因此，采用0.35mm 的定位移振幅進行測驗[2]。測驗時，將振動臺啟動，使電路板在選定的振動參數下開始循環振動。進行20 次掃頻循環振動測試，每次循環的時間為5min，則整個掃頻振動測驗需要用時大約5h。使用計算機數據記錄軟件，記錄每次循環中的振動幅值、頻率等數據。對于每個軸向，記錄電路板的響應情況，特別關注可能出現的異?；虿环€定現象。將記錄的數據導入計算機分析軟件，繪制頻率與振動幅值之間的關系圖。從圖中分析出電路板的共振頻率，以及在不同頻率下的振動特性。

1.2.2 沖擊測試

沖擊測試通過給予樣品瞬時的沖擊載荷，檢驗其在受到此種突然影響后，安全性能方面是否會出現變化。進行沖擊測驗時，將沖擊波形設置為半正弦波，波形如圖1 所示。

圖1 半正弦波

其數字表達式如式(8)所示：

其中A=30gn，為峰值加速度；D=15ms，為持續時間，沖擊脈沖標稱的速度變化量設定為2.1m/s[3]。沖擊測試過程中，首先，激活碰撞測試機，并將樣品放置于碰撞測試機上。其次，使其按照預設的半正弦波形對樣品3 個坐標軸的6 個方向進行沖擊，每個方向沖擊3 次，每次沖擊之間留有1min 的間隔，以允許樣品恢復至初始狀態。最后，使用計算機數據記錄軟件記錄每次沖擊的加速度、峰值等數據。對于每個方向的沖擊，分析樣品的響應，檢查是否有安全性能改變或損壞現象。

1.2.3 碰撞測試

碰撞測試是模擬樣品在實際環境中可能經歷的重復碰撞情況。測試時，將沖擊波形設為半正弦波，實際沖擊脈沖的速度變化量在標稱脈沖速度變化量的±20%之內，其表達式同式(8)，其中，D=15ms，A=10gn，速度變化量為1.0m/s。碰撞測試的具體操作步驟如下，首先，將碰撞測試機進行校準，將待測樣品放置在碰撞機的測試位置上[4]。其次，激活碰撞測試機，選擇樣品的3 個互相垂直的x、y、z 坐標軸方向，按照預設的半正弦波形對樣品進行持續碰撞。在每個坐標軸方向上，施加1000±10 次碰撞，沖擊頻率為2 次/s。最后，匯總實驗數據，分析樣品在持續碰撞條件下的表現。根據實驗結果，判斷樣品在沖擊情況下的耐受性能是否滿足要求。

1.2.4 溫度測試

溫度測試是用來檢測樣品在高低溫極速變化的環境條件下的適用性[5]。測試步驟如下，首先，將印刷電路板設置為額定電壓，確保電路處于正常工作狀態，將溫度試驗箱進行預熱或預冷，確保溫度穩定，再將樣品放入溫度試驗箱進行測驗，確保它在箱內位置固定。其次，將溫度分別調為0℃、15℃、30℃、45℃、60℃、65℃，以模擬低溫和高溫環境，每個溫度點應保持穩定，并進行持續4h 的持續測試。最后，使用計算機數據記錄軟件記錄測試過程中的溫度變化。匯總實驗數據，分析樣品在不同溫度條件下的表現。根據分析的數據，生成測試結果報告，包括樣品在不同溫度下的性能評估。

2 結果與討論

2.1 不同振頻下的穩定性

在振動測試中，振動的穩定性和頻率、加速度、速度以及峰值位移有關，使用振動測試臺和計算機分析軟件得到以下數據，如表1 所示。

表1 振動數據表

根據表1 數據可知，隨著頻率的增加，加速度也在增加。表明樣品在受到不同頻率的振動力下是不斷變化的，在不同頻率下，樣品的穩定性表現出如下趨勢。在較低頻率（10.0Hz）時，速度和位移值相對較小，隨著頻率增加，速度和位移值也隨之增加[6]。表明在較高頻率下，樣品經歷了更大的速度和位移變化，對樣品的穩定性產生影響。中斷上限、報警上限、報警下限和中斷下限列，代表了不同振動頻率下的聲壓級的變化范圍。在整個頻率范圍內，中斷上限、報警上限、報警下限和中斷下限的聲壓級變化幅度較小，保持在10~55Hz 頻率的范圍內，表明樣品在不同頻率下的聲壓級變化相對較穩定。綜上分析可得，樣品在不同頻率的振幅下加速度、速度、峰值位移均符合《規范》要求，樣品穩定性良好。

2.2 受到瞬間沖擊后的安全性能

沖擊波的脈沖數、峰值速度、脈寬以及速度變化值等參數對于評估電子元器件受到沖擊后的安全性能至關重要，由沖擊測試數據得到下表，如表2 所示。

表2 沖擊波數據表

根據實驗參數和測量結果可知，當樣品受到3 次半正弦波沖擊時，設定峰值為294.00m/s，實際峰值為294.50m/s，者變化不大，為1.5m/s。設定脈寬為11ms，實際脈寬為10.64ms，二者變化不大，相差0.36ms，在實驗允許誤差內，表明實驗操作的準確性和有效性。實際速度變化值和標準速度變化值吻合，表明樣品在收到沖擊時下降的加速度符合《規范》規定的加速度，樣品在此沖擊條件下的的響應是可控和可預測的樣品，并且能夠經受住這種沖擊并保持其功能和結構完整性。

2.3 遭受碰撞時的抗沖擊性

使用計算機編程計算得到樣品受到沖擊時的位移仿真曲線圖，如圖2 所示。

圖2 碰撞位移仿真曲線圖

如圖2 所示，碰撞機啟動階段，由于慣性力的影響，導致樣品出現振動偏離中心位置的情況[7]。然而，當進入勻速運行段時，振動逐漸回到中心位置，隨著時間（t）的推移，線條密集度增加，表明振動頻率逐漸升高。在碰撞機的變加速運行階段，運行加速度逐漸增大，樣品振動幅度隨之逐步增大。在勻速運行段，振動幅度減小，隨著運行距離的增加，振動頻率逐漸增大。在樣品穩定運行階段，振動幅度維持在較小的范圍內。需注意，在制動過程中，由于受到慣性沖擊，樣品出現了振動幅度的峰值。根據計算公式(6)得出，振動加速度的最大值為16mm/s2，而在制動運行階段，最大振動加速度為15mm/s2。數據結果與《規范》規定的標準相符，即樣品的振動加速度應該保持在小于25mm/s2的范圍內。這表明所測試的電子元件的安全電路在各種運行情況下都能保持穩定且安全的性能，為電梯的運行和乘客的安全提供了可靠的保障。

2.4 高低溫環境下的適用性

由溫度傳感器測量測驗時恒溫箱內樣品溫度變化，如表3 所示。

表3 溫度記錄表

由表3 可知，在測試開始時，溫度傳感器的輸出溫度為24.0°C。隨著時間的推移，逐漸增加溫度，且每個溫度維持40min 左右，在第一個溫度段，溫度傳感器的輸出溫度逐漸上升，從初始的24.0°C 上升到25.5°C，說明樣品開始工作[8]。隨著時間的推移，溫度上下波動，表明樣品在高低、溫下未受損，仍能正常運行。但溫度變化不大，均在25℃上下波動，最大波動值在1.8℃，符合《規范》的規定，說明樣品耐高低溫變化能力良好，具有一定的高低溫適用性。

3 結束語

為完成《規范》對含有電子元件安全電路所要求的振動測試、沖擊測試、碰撞測試和溫度測試，本文開展了基于PCI 總線的電子元件安全電路試驗研究。具體來講，振動測試以模擬電子元件在不同振頻下的運行情況，沖擊測試評估電子元件在受到沖擊時的穩定性，碰撞測試研究電子元件在碰撞場景下的響應能力，溫度測試考察電子元件在極端溫度條件下的表現，并對所得數據進行分析討論，希望通過寶貴的數據，能為將來的電子行業的發展提供有力的支持。