電子儀器設(shè)備機箱的可靠性設(shè)計

摘要 機箱是電子儀器設(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，因此機箱可靠性設(shè)計是儀器設(shè)計中具有重要意義。本文通過對機箱有關(guān)防熱、抗振、抗輻射、美觀外形的設(shè)計討論，闡述了機箱可靠性設(shè)計的一般原則與措施，對儀器設(shè)備的機箱可靠性設(shè)計具有一定的指導(dǎo)與借鑒作用。

關(guān)鍵詞 儀器設(shè)備；機箱；防熱；設(shè)計

中圖分類號：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

對于電子儀器設(shè)備的整機結(jié)構(gòu)與功能來說，機箱具有重要地位。機箱具有熱交換、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，對于電子儀器設(shè)備設(shè)計來說，機箱的可靠性設(shè)計就必須針對相應(yīng)儀器機箱的功能對機箱進(jìn)行分析與綜合考慮，達(dá)到機箱最優(yōu)化設(shè)計的目的。

1 機箱的防熱設(shè)計

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，機箱散熱設(shè)計主要就是將電子儀器內(nèi)部的熱量以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的形式散發(fā)到周圍介質(zhì)中。機箱防熱設(shè)計的目的就是對儀器機箱采用合理的熱交換方式，以最低的熱交換代價，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)、熱對流與熱輻射理論可以得出，對于電子儀器設(shè)備機箱設(shè)計一般采用如下措施。

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

2)為了提高機箱的熱輻射能力，在機箱的內(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；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)在機箱上合理地開通風(fēng)孔，可以加強氣流對流換熱作用。通風(fēng)孔的位置可以開在機箱的頂部、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。考慮空氣在電子設(shè)備內(nèi)部受熱體積會膨脹，機箱上通風(fēng)孔的出口面積要比入口面積大。

4)機箱內(nèi)部的熱量可以通過內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)給機箱，再由機箱以熱輻射和熱對流的形式傳給外部環(huán)境；個別設(shè)備由于其機箱熱量不易散失，還應(yīng)考慮對機箱采取強制風(fēng)冷、強制水冷或半導(dǎo)體制冷等方式，對機箱進(jìn)行冷卻；同時對機箱內(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)機箱要有足夠的機械強度，以防止內(nèi)部元器件受損。

2 機箱的抗振設(shè)計

電子類儀器設(shè)備在運輸和使用中經(jīng)常要受到各類機械因素，如機械振動、沖擊、離心力和搖擺等的影響，這些影響中最常見的是機械振動。這類機械振動能破壞儀器內(nèi)各種連接處，如焊縫、鉚接等的結(jié)構(gòu)強度；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，長久下去會使人造成生理疾病。機械振動就其產(chǎn)生原因大致有2種：一種是儀器本身工作時力和力矩的不平衡引起的振動；另一種是由于外力或力矩作用于機架或機箱上而引起的振動。因此在電子儀器設(shè)備設(shè)計中必須考慮機械振動對電子儀器設(shè)備的影響，并能采取適當(dāng)措施抑制機械振動。

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

根據(jù)振動理論，對于機箱的抗振設(shè)計一般采用如下措施。

1)針對不同儀器工作的環(huán)境而選用合適的材料，以便能保護(hù)機箱內(nèi)元器件的安全。對于機械振動較大的工作環(huán)境要選用鋼質(zhì)、鐵質(zhì)等剛性材料作機箱材料，能有效地防止或減小機箱結(jié)構(gòu)對振動的響應(yīng)。同時機箱選用剛性大的材料能增加重量，提高構(gòu)件剛度，減少振動和振幅，將機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)計方法。

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

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

4) 將機箱的地腳螺栓緊固并加乳膠海棉、隔振橡膠或金屬彈性材料等，或通過安裝減振裝置，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)振動較強處安裝隔板或隔振系統(tǒng)。對于抗振動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 機箱的抗電磁設(shè)計

電子儀器設(shè)備在工作時不僅受到環(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。儀器的機箱對于儀器屏蔽電磁干擾具有重要作用，充分作好儀器機箱的抗電磁設(shè)計，能提高儀器抗干擾能力、屏蔽效能和儀器測量精確度。

根據(jù)電磁輻射理論，對于電子儀器機箱的設(shè)計一般采用如下措施。

1)材料的選擇和屏蔽機箱的設(shè)計。對于用于電磁屏蔽的機箱材料的電導(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，可考慮對其進(jìn)行表面處理。在屏蔽機箱設(shè)計時，應(yīng)使機箱有足夠的厚度以增大磁路橫切面積，增加屏蔽效果；同時在垂直于磁通方向不能開口，以免增大磁阻。

2)機箱要良好接地。儀器機箱接地有2個重要作用：一是接地能使屏蔽具有較好效果，二是消除靜電影響。當(dāng)抑制外界對同軸電纜線的干擾時，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，應(yīng)采取屏蔽層一端接地，另一端串聯(lián)1個電阻的方法。這時無論是高頻還是低頻，對磁屏蔽都能收到良好的效果。

3)機箱上通風(fēng)孔的屏蔽。為了滿足被屏蔽對象(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。孔的泄漏與多種因素有關(guān)，如離開場源的距離、電磁場的頻率、開孔的面積和開孔的形狀等。對于某一具體場源而言，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，對屏蔽效能要求不甚高時，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，其特點是屏蔽性能穩(wěn)定，因為它不存在金屬絲網(wǎng)固有的網(wǎng)絲交叉點接觸電阻不穩(wěn)定的問題，具有結(jié)構(gòu)與工藝簡單，成本低等優(yōu)點。在設(shè)計通風(fēng)孔的孔徑、孔間距與屏蔽效能的關(guān)系上，實踐經(jīng)驗數(shù)據(jù)為：通風(fēng)孔直徑為4 mm，間距為5 mm 以行列對齊的陣列圓孔。

③采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗。頻率高于100 MHz時，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可比擬時，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)機箱上縫隙的屏蔽處理。機箱上的縫隙引起電磁的泄漏，縫隙越長，泄漏越多，設(shè)計時主要考慮：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機箱的色彩設(shè)計

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)計時，有良好的色彩設(shè)計，就能更好地發(fā)揮產(chǎn)品的功能與使用效果，而色彩設(shè)計直接體現(xiàn)在機箱上。

1) 面板色彩。機箱的色彩首先反映到機箱的操作面板上，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)識等，這些元器件供使用者操作、觀測使用，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，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) 機箱的整體色彩。儀器的機箱總體色調(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始兌龋蓽p少對人眼的刺激。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)計是儀器儀表研究的重要課題，其機箱設(shè)計是設(shè)計過程中值得關(guān)注的重要環(huán)節(jié)，通過對電子儀器設(shè)備的防熱、抗振、抗電磁輻射、美觀外形設(shè)計方面的探討，對進(jìn)一步提高機箱可靠性設(shè)計質(zhì)量和儀器儀表可靠性方面都具有重要意義。