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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-12-24 09:01
如果電子設(shè)備的振動實驗沒有通過，通常意味著設(shè)備在振動環(huán)境下的耐受性不足，可能會影響其性能或?qū)е鹿收稀?/span>
在振動試驗中，電子設(shè)備可能會經(jīng)歷多種故障模式，通常與機械振動對設(shè)備的影響、結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接質(zhì)量、電路連接以及元器件的特性密切相關(guān)。以下是電子設(shè)備在振動試驗中可能出現(xiàn)的一些常見故障模式：
1. 焊接失效
焊點斷裂：長時間的振動可能導(dǎo)致焊接點斷裂或脫落，尤其是對于較弱的焊接連接（如手工焊接或低質(zhì)量的焊接）。這種故障模式通常發(fā)生在電路板上的焊接點、引腳和接觸面。
直插器件，要檢查是否是引腳斷裂。
焊接接觸不良：振動可能導(dǎo)致原本穩(wěn)定的焊點出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致信號丟失或電流中斷。這通常發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)域，比如功率放大器、電源輸入端等。
2. 接插件松動或斷開
連接器松動：設(shè)備內(nèi)部的連接器、插頭、插座等可能因為振動而松動或脫落，導(dǎo)致電路中斷或信號丟失。
插針斷裂：特別是在高頻、高功率電路中，振動可能導(dǎo)致連接器內(nèi)的插針發(fā)生斷裂或彎曲，造成斷路或短路。
圖片
3. 電路板裂紋或損壞
PCB裂紋：振動可能導(dǎo)致電路板（PCB）上的材料疲勞，尤其是在高應(yīng)力區(qū)域，可能導(dǎo)致PCB出現(xiàn)微裂紋。微裂紋可能導(dǎo)致電路板斷路或信號丟失，特別是在高頻信號或高速數(shù)字電路中，信號完整性會受到影響。
元件脫落：振動導(dǎo)致的機械應(yīng)力可能使PCB上較小的元件（如電容、電阻、IC等）脫落或斷裂。
4. 元器件失效
元件脫落或破裂：長期或強烈的振動可能導(dǎo)致電子元器件（如電容、二極管、晶體管、集成電路等）斷裂或脫落，尤其是小型元件或封裝較薄的元件容易受到振動的影響。
封裝開裂：一些集成電路（IC）或其他敏感元件的封裝可能在振動下發(fā)生開裂，進而導(dǎo)致元件故障或失效。
5. 接觸不良與電路短路
接觸不良：振動可能導(dǎo)致電路中引腳與焊點之間出現(xiàn)微小的接觸不良，甚至導(dǎo)致電路瞬時斷開。對于高頻電路來說，這種接觸不良可能會導(dǎo)致性能嚴重下降，甚至完全失效。
短路：如果振動導(dǎo)致導(dǎo)線、元件、PCB的電氣連接發(fā)生意外接觸，可能會導(dǎo)致短路，進而引發(fā)系統(tǒng)故障。
6. 電源問題
電源連接松動：振動可能導(dǎo)致電源連接端口松動，導(dǎo)致電源供應(yīng)中斷或電壓不穩(wěn)定，從而影響設(shè)備正常工作。
電源濾波不穩(wěn)定：振動可能引發(fā)電源噪聲的增大，特別是在電源濾波器、穩(wěn)壓器等元件未能有效地隔離電源噪聲時，可能導(dǎo)致設(shè)備的穩(wěn)定性下降，甚至損壞。
7. 傳感器誤差或失效
傳感器損壞：對于依賴傳感器的設(shè)備（如加速度計、溫度傳感器、壓力傳感器等），振動可能導(dǎo)致傳感器的損壞或其信號輸出的偏移，進而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的錯誤。
傳感器位置偏移：機械振動可能導(dǎo)致傳感器的位置發(fā)生微小偏移或錯位，影響其測量精度和可靠性。
8. 機械結(jié)構(gòu)故障
外殼破裂或變形：振動可能對電子設(shè)備的外殼造成物理損傷，導(dǎo)致外殼破裂、變形或開裂，影響設(shè)備的保護功能。
組件松動或位移：例如，內(nèi)部的散熱片、風扇或其它機械組件可能因振動而松動或移位，影響設(shè)備的散熱效果和正常工作。
10. 溫度與熱失控
散熱問題：振動可能影響散熱裝置的安裝，導(dǎo)致散熱不充分，進而引發(fā)溫度過高或熱失控。高溫會導(dǎo)致元器件過早老化或損壞，尤其是在沒有適當散熱措施的高功率電路中。
11. 電池故障
電池電極松動：對于使用電池的設(shè)備，振動可能導(dǎo)致電池內(nèi)部電極松動或連接不良，導(dǎo)致電池無法正常供電。
電池破裂或泄漏：如果設(shè)備的電池設(shè)計不充分抵抗振動，可能會導(dǎo)致電池外殼破裂、漏液，進而引發(fā)設(shè)備故障或火災(zāi)等危險。
在這種情況下，可以從以下幾個方面入手進行分析和改進：
1. 檢查實驗設(shè)置和標準
確認振動實驗標準：確保振動實驗的標準和條件與設(shè)備的實際使用環(huán)境相符。不同的電子設(shè)備在不同應(yīng)用環(huán)境下可能面臨不同的振動頻率、幅度和持續(xù)時間。核對實驗的參數(shù)是否過于苛刻。
評估設(shè)備的振動要求：某些設(shè)備可能設(shè)計上不需要承受過強的振動。例如，移動設(shè)備與工業(yè)控制設(shè)備的振動要求可能差異很大。
2. 分析失敗模式
觀察失敗模式：通過查看設(shè)備失敗的癥狀，確定振動引起的具體故障類型。例如，接觸不良、焊接點斷裂、電路元件松動、機械結(jié)構(gòu)損壞等。
視覺檢查：通過顯微鏡檢查電路板上的焊點、連接器和元件，查看是否有裂紋、斷裂或松動。
振動響應(yīng)測試：使用振動傳感器或加速度計監(jiān)測設(shè)備在實驗過程中產(chǎn)生的振動響應(yīng)，確認哪些部分的響應(yīng)過大，可能導(dǎo)致故障。
3. 提升機械設(shè)計和抗震能力
改善結(jié)構(gòu)設(shè)計：確保設(shè)備的外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收和分散振動。例如，通過使用彈性材料（如橡膠墊圈、減震支架）減少振動的傳遞。
加強關(guān)鍵部位的固定：對易松動的部件（如連接器、螺絲、插頭等）進行加固，避免由于振動導(dǎo)致接觸不良或連接松動。
使用抗震材料：在電路板或敏感部件上使用防震材料，如柔性電路板、硅膠墊片等，可以有效減輕振動對設(shè)備的影響。
4. 優(yōu)化電路設(shè)計
提高焊接質(zhì)量：確保焊點牢固，使用合適的焊接工藝，避免因振動導(dǎo)致的焊接接觸不良。對于高頻或功率較大的電路，使用更為可靠的焊接方法（如波峰焊、手工焊接或選擇更高質(zhì)量的焊料）可能有助于提高設(shè)備的抗振能力。
減少振動傳遞路徑：優(yōu)化電路設(shè)計，減少機械振動通過電氣元件的傳遞。例如，可以使用隔離元件來減小電路板和其他部件之間的機械耦合。
使用防振元件：例如，在電源輸入端加入電容器或濾波電感來減小振動引起的電噪聲或電壓波動。
5. 測試環(huán)境和工藝改進
模擬實際工作環(huán)境：盡可能模擬設(shè)備在實際使用中的振動環(huán)境，特別是在不同工作狀態(tài)下（如設(shè)備啟動、運行、關(guān)閉時）。在這些狀態(tài)下進行振動測試，以確保設(shè)備能在實際條件下穩(wěn)定工作。
選擇合適的振動頻率和幅度：在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮設(shè)備的工作頻率范圍以及外部振動源的影響。如果設(shè)備的使用環(huán)境中振動頻率較高，可能需要增加更有效的頻率濾波措施。
6. 試驗后分析和優(yōu)化
分析數(shù)據(jù)：對振動實驗中的數(shù)據(jù)進行詳細分析，識別可能導(dǎo)致故障的頻率和振幅。利用加速度傳感器和振動分析工具（如 FFT 分析）了解振動在設(shè)備內(nèi)部的傳遞路徑。
進行多輪改進：根據(jù)失敗的情況進行設(shè)計優(yōu)化?？梢酝ㄟ^多輪迭代實驗逐步改進設(shè)備的抗振性能。
7. 考慮外部因素
溫度、濕度和腐蝕因素：振動和環(huán)境因素（如溫度、濕度）可能會共同作用導(dǎo)致故障。確保設(shè)備在不同環(huán)境下都能穩(wěn)定運行。例如，某些元件可能在高溫下的性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致其對振動更敏感。
電氣干擾：振動可能導(dǎo)致電氣元件的微小位移，進而產(chǎn)生電氣噪聲或短路，影響設(shè)備的正常工作。采取合適的屏蔽和過濾措施可能有助于緩解這一問題。
一旦產(chǎn)品過了質(zhì)保期，基本就進入了“偶然失效期”，這個階段產(chǎn)品發(fā)生故障的概率進入比較低的階段。那么這個階段，產(chǎn)品一般在穩(wěn)定使用，也不會出現(xiàn)搬運，高低溫（室內(nèi)設(shè)備）的考驗。通過下圖，可以看出，電子設(shè)備的故障由于環(huán)境應(yīng)力的因素比重。
隨機振動,我們可以看到其在失效原因中排在非?？壳暗奈恢?。
電子設(shè)備在運輸使用過程中，會受到各種機械力的干擾，有周期性的振動，也有非周期性干擾，還有做非直線運動時受到的加速度和無規(guī)則運動對設(shè)備產(chǎn)生的隨機振動干擾。這些惡劣的機械環(huán)境都可能造成傷害，其中最大的傷害就是振動和沖擊。
由于電子設(shè)備內(nèi)部電子元器件的種類和數(shù)量都比較多，許多元器件承受的機械環(huán)境的能力都較弱，因此機械作用力而引起設(shè)備損壞和故障率也很高。故在進行電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)使用場合，了解環(huán)境條件對設(shè)備的影響。采用針對性的措施，以低成本的方式解決傷害問題。
結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該提高結(jié)構(gòu)剛性：
a）框架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；
b）避免在大面積的支撐結(jié)構(gòu)上連續(xù)開孔
c）竟可能采用焊接、鑄造結(jié)構(gòu)，在使用螺栓連接的場合，應(yīng)具備足夠的緊固力并有防松脫措施。
d）設(shè)備內(nèi)部的各個組件的剛度應(yīng)該與整體保持一致，薄弱環(huán)節(jié)需要做加固處理。
2、避免共振
a）當振動源的激勵頻率很低的時候，應(yīng)增強設(shè)備結(jié)構(gòu)的剛性，提高設(shè)備及元器件的固有頻率和振動源激勵頻率的比值，使得隔振系數(shù)接近于1，以防止發(fā)生共振。
隔振系數(shù)：
根據(jù)激振源的不同，隔振可分為兩類。對于本身是振源的設(shè)備，為了減少它對周圍機器、儀器和建筑物的影響，將它與支承隔離開，以便減小傳給支承上的不平衡慣性力，稱為積極隔振，又稱主動隔振。水泵、發(fā)動機、鍛錘機械等的隔振就屬此類。積極隔振系數(shù)ηz表示積極隔振效果；它等于隔振后傳到地基上的力除以未隔振時傳到支承上去的力。對于振源來自支承振動的情況，為了減少外界振動傳到系統(tǒng)中來，把系統(tǒng)安裝在一個隔振的臺座上，使之與地基隔離，這種措施稱為消極隔振，又稱被動隔振。車輛的乘座、精密儀器的安裝、環(huán)境運輸?shù)陌b、艦艇上導(dǎo)彈發(fā)射架的隔振等都屬此類。消極隔振系數(shù)ηb表示消極隔振效果，它等于隔振后機器設(shè)備的振幅除以支承運動的振幅。隔振系數(shù)小表示隔振效果好。兩類隔振系數(shù)的計算公式是相同的。
對于單自由度隔振系統(tǒng)，
式中η為隔振系數(shù)；λ=
，ωj為激勵頻率，ωn為隔振系統(tǒng)固有頻率；c為粘性阻尼系數(shù)，cc為臨界阻尼系數(shù)。
隔振系數(shù)公式可用圖1中的曲線表示。從圖上可以看出：
①只有當頻率比λ>圖片 時，才有隔振效果，且隨著λ增加，隔振效果也逐漸增大，實用中取λ=2.5?5；
②增大阻尼可以減小機器在起動和停車過程中經(jīng)過共振區(qū)（見線性振動）的振幅，但在時，阻尼的增加反而減小隔振效果；
③常用的隔振器材由于阻尼系數(shù)不大，在λ=2.5?5范圍內(nèi)計算隔振系數(shù)時，可按無阻尼情況考慮。
隔振系數(shù)公式依據(jù)下列假設(shè)：機器或設(shè)備是剛體，地基是無限大的剛體；隔振器由無質(zhì)量的線性彈簧和無質(zhì)量的粘性阻尼器組成。實際情況和假設(shè)有出入，故隔振系數(shù)的實際公式也同理論公式有出入。近代研究發(fā)現(xiàn)隔振器在用于低頻激振時很有效，但用在高頻時效果不夠理想。當激振力頻率增大時，隔振系數(shù)的曲線中出現(xiàn)了一系列峰值（圖2）。主要原因是高頻振動在結(jié)構(gòu)中以彈性波形式傳播，激起了結(jié)構(gòu)介質(zhì)的波動效應(yīng)。為了改善高頻時的隔振效果，除采用波動效應(yīng)小的橡膠彈簧代替金屬彈簧外，目前還發(fā)展了雙質(zhì)量隔振系統(tǒng)，并已用于艦船等設(shè)備中。
圖2考慮波動效應(yīng)后的隔振系數(shù)曲線
有時被隔振的機械或儀器可能受到幾個方面的激勵（見振動），此時隔振設(shè)計應(yīng)按多自由度系統(tǒng)進行，即應(yīng)考慮被隔振物體的直線振動、扭轉(zhuǎn)振動以及它們之間的耦合振動。
b）隔振設(shè)計要點
隔振設(shè)計的要點是：首先要對環(huán)境振源進行調(diào)查，包括振源類別、量級、方向和頻率范圍等項目；其次根據(jù)隔振體本身的重量和隔振要求，按頻率比λ≥2.5?5進行計算，選擇減振器型式、裝配方式和參量（阻尼系數(shù)、剛度）；最后用儀器測試校核隔振效果，驗算隔振系數(shù)。
常用的隔振器材有天然或人造橡膠制品、金屬彈簧制品、不銹鋼絲網(wǎng)制品以及近十年出現(xiàn)的多種高分子化合物的粘彈性材料制品。這些器材既可用來隔振，又能起抗沖、降噪作用。
把機械安裝在合適的彈性裝置上以隔離機械振動傳播的措施。依振源的不同有兩種性質(zhì)不同的隔振措施(圖1)。如果機械本身是振源，應(yīng)使它與支承隔離，以減少對周圍的影響，這稱為主動隔振。如振源來自支承的運動，為減少外界振動對機械的影響，須使支承與機械隔離，這稱為被動隔振。
隔振系數(shù)η表示隔振的效果。主動隔振系數(shù)ηz與ηb概念不同，但計算公式相同。其值越小隔振的效果越好。對于單自由度隔振系統(tǒng)式中λ=ωj/ωn為頻率比,即激勵頻率ωj與隔振系統(tǒng)固有頻率ωn之比，ζ為阻尼比。根據(jù)隔振系數(shù)曲線（圖2）：①無論阻尼大小,只有當頻率比時才有隔振效果，而后隨λ的增加隔振效果逐漸增加,實用中取λ=2.5～5已經(jīng)足夠；②增大阻尼可減小機械在起動和停車過程中經(jīng)過共振區(qū)時的振幅，但在后，增大阻尼反而減小隔振效果；③由于一般隔振材料阻尼系數(shù)不大,在λ=2.5～5范圍內(nèi)計算隔振系數(shù)時,可按無阻尼情況考慮。具體的隔振措施有設(shè)置彈性支撐物和防振溝等。對于隔振效果要求很高的精密儀器，一般采用多層隔板；對于多向激勵、多種響應(yīng)的復(fù)雜隔振系統(tǒng)，則要考慮直線振動、扭轉(zhuǎn)振動和它們之間的耦合，隔振系數(shù)須按多自由度模型進行計算。當頻率比λ變化較大時，如寬頻帶激勵和重量變化大的機械，采用非線性隔振系統(tǒng)可以收到較好的隔振效果。在隔振設(shè)計中，根據(jù)振源振動量的大小、方向和頻率,以及被隔振機械的尺寸、重量和隔振要求，確定隔振裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式。
隔振材料選用
隔離振動所用的材料一般有軟木、毛氈、泡沫乳膠、橡膠、金屬彈簧和空氣彈簧等。相應(yīng)地也形成了海綿隔振墊、橡膠隔振器、金屬彈簧隔振器、空氣彈簧隔振器等?？諝鈴椈筛粽衿鞴逃蓄l率接近1Hz，是一種比較理想的高效能隔振器，但輔助系統(tǒng)太復(fù)雜，僅用在有特殊要求的精密儀器上。目前在電子設(shè)備中廣泛使用的是橡膠隔振器和金屬隔振器。
橡膠隔振器是以金屬作為支撐骨架，并與橡膠在壓模內(nèi)硫化而成的。它具有較大阻尼（對高頻振動的能量吸收有特效）、造價低、且制造比較簡單方便，所以應(yīng)用比較廣泛，在早期的艦艇上應(yīng)用非常普遍。但橡膠本身的性質(zhì)受溫度、光照、油性環(huán)境等影響比較大，容易老化，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被金屬隔振器所取代。采用三維庫侖阻尼和粘性復(fù)合阻尼的新型橡膠隔振器改變了結(jié)構(gòu)，能在低頻有效地抑制共振，當振動頻率高于12-15Hz時具有良好的隔離效果，對沖擊衰減也很明顯，已經(jīng)在聲吶、雷達、車載電臺上廣泛采用，但由于要給橡膠件以變形空間，所以尺寸較大。
金屬隔振器對環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，不易老化、性能穩(wěn)定，設(shè)計和計算比橡膠的容易，但它的阻尼過小，容易傳遞高頻振動，在經(jīng)過共振區(qū)時，設(shè)備會產(chǎn)生過大的振幅，有時需要另加阻尼器或在隔振器中附加零件作為摩擦元件形成阻尼。電子設(shè)備中經(jīng)常采用的GS型全金屬鋼絲繩隔振器，如圖2所示，它是利用多股鋼絲繩之間相對滑移而產(chǎn)生的非線性干摩擦滯后，來大量吸收和耗散系統(tǒng)運動能量，以改善系統(tǒng)運行的動態(tài)平穩(wěn)性，保護設(shè)備安全工作的。這種隔振器尺寸較小，在比較狹小的場合內(nèi)比較合適，例如航空、航天領(lǐng)域的電子設(shè)備中，在艦艇上也大量應(yīng)用。
在電子設(shè)備中另一種常用的金屬隔振器是GWF型無諧振峰隔振器，其典型結(jié)構(gòu)如圖3。它采用剛度擬合技術(shù)和干摩擦阻尼技術(shù)來實現(xiàn)低固有頻率、無共振放大、并可兼顧緩沖的結(jié)構(gòu)設(shè)計，調(diào)節(jié)螺旋簧可以調(diào)節(jié)隔振器的載荷，調(diào)節(jié)阻尼簧可以調(diào)節(jié)阻尼特性，因而可實現(xiàn)在三個座標軸方向全頻帶（例如0～5000Hz）內(nèi)無諧振峰。
橡膠隔振器：承載能力低，阻尼大（阻尼系數(shù)0.15~0.3）有蠕變效應(yīng)，可做成各種形狀。
空氣彈簧隔振器：剛度由壓縮空氣的內(nèi)能決定。阻尼系數(shù)0.15~0.3
金屬彈簧隔振器：承載能力高，變形量大，剛度小（阻尼系數(shù)0.01），水平剛度較豎直剛度小，易晃動。
泡沫橡膠和泡沫塑料：彈性強，剛度小，阻尼系數(shù)為0.1~0.15，固有頻率可設(shè)計的很低，承載能力低，性能不穩(wěn)定，易老化
c）盡量提高設(shè)備的固有振動頻率，電子設(shè)備機柜的固有頻率應(yīng)為最高強迫頻率的兩倍，電子組件因為機柜的兩倍。如艦船和潛水艇的振動頻率一般的振動頻率為12~33Hz，機柜固有振動頻率應(yīng)該不低于60Hz，電子元器件的固有頻率應(yīng)該高于120Hz。
電路抗振設(shè)計
1、選擇剝離強度高的基板材料
PCB基板剝離強度測試：
2、PCB采用大面積的焊盤和導(dǎo)電圖形。
3、對元器件采用局部或者整體加固。
4、必要時PCB加金屬框架
5、電阻器安裝應(yīng)該考慮由于溫升導(dǎo)致的膨脹，電阻器好固定電容器的重量大于15g時，不得用引線作為支撐，引出線的元器件的端部到焊點的距離不得超過25mm。
6、凡是依靠自身引線支撐的元器件，軸向引線元器件每根引線承載重量不得大于7g，徑向引線元器件每根引線承載重量大于3.5g時，需要加固；單體重量大于31g時，需要加固。并且注明加固方法：粘固、綁扎。
7、沖擊振動環(huán)境惡劣的情況下，PCB設(shè)計面積尺寸不宜過大。否則，采用結(jié)構(gòu)加固措施。
8、加固材料
a）加固材料一般采用單組分硅橡膠，特殊要求元器件采用透明環(huán)氧樹脂加固。
透明環(huán)氧樹脂是雙組份的膠凝材料，按體積比：A組比B組=2.5ML比1ML即A組25克，B組10克；按質(zhì)量A組比B組=3g比1g。使用時兩組混合后一定要順同一個方向攪拌均勻到位。一般透明樹脂都自帶消泡劑，如氣溫過低或滴加后產(chǎn)品有氣泡需抽真空，進行排氣。抽真空時最好加防護罩，避免污染，全生產(chǎn)過程注意不要弄臟產(chǎn)品。偏大的產(chǎn)品會有明顯的體積收縮。一般25攝氏度60-80分鐘固化。
b）加固材料的相容性控制：硅橡膠加固時，不能選用聚氨酯類圖層，硅橡膠與這類圖層附著力差，容易剝落；應(yīng)選用郵寄硅類圖層。
c）加固時，產(chǎn)品黏附部分呈水平狀態(tài)，防止平穩(wěn)；加固材料低于引線與PCB連接處，或者元器件與PCB之間的位置。固化，形成支撐物24h后，以60度烘烤半小時，出去揮發(fā)性副產(chǎn)物，實現(xiàn)氣體排出，結(jié)構(gòu)結(jié)實。
來源：硬十
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