電子儀器設備機箱的可靠性設計

摘要 機箱是電子儀器設備的重要組成分，由于其具有防熱、抗振、抗電磁輻射、美觀外形等功能，因此機箱可靠性設計是儀器設計中具有重要意義。本文通過對機箱有關防熱、抗振、抗輻射、美觀外形的設計討論，闡述了機箱可靠性設計的一般原則與措施，對儀器設備的機箱可靠性設計具有一定的指導與借鑒作用。

關鍵詞 儀器設備；機箱；防熱；設計

中圖分類號：TN602 文獻標識碼：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

對于電子儀器設備的整機結構與功能來說，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，對于電子儀器設備設計來說，機箱的可靠性設計就必須針對相應儀器機箱的功能對機箱進行分析與綜合考慮，達到機箱最優化設計的目的。

1 機箱的防熱設計

在電子儀器設備中，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、發光器件、扼流圈和大功率電阻等，機箱散熱設計主要就是將電子儀器內部的熱量以熱傳導、熱對流和熱輻射的形式散發到周圍介質中。機箱防熱設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，以保證儀器設備能在規定的熱環境下穩定可靠地工作。防熱設計的根據是：①設備和元件的發熱功率。②發熱元件和熱敏元件的最高允許工作溫度。③設備和元件所處的工作環境溫度高低。

根據熱傳導、熱對流與熱輻射理論可以得出，對于電子儀器設備機箱設計一般采用如下措施。

1)為了提高機箱的熱傳導能力，選用導熱系數大的材料作機箱。一般說來金屬導熱系數最大，非金屬次之。因此對于電子儀器設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，在機箱的內外表面應涂上粗糙的黑漆，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，可涂復黑色皺紋漆，其熱輻射效果更好。

3)在機箱上合理地開通風孔，可以加強氣流對流換熱作用。通風孔的位置可以開在機箱的頂部、底部或兩側，通常通風孔開于底部比其它部位的散熱效果好。開孔時應注意不能使氣流短路，進出風口應開在溫差大的兩處，距離不能太近。考慮空氣在電子設備內部受熱體積會膨脹，機箱上通風孔的出口面積要比入口面積大。

4)機箱內部的熱量可以通過內部的金屬結構件傳導給機箱，再由機箱以熱輻射和熱對流的形式傳給外部環境；個別設備由于其機箱熱量不易散失，還應考慮對機箱采取強制風冷、強制水冷或半導體制冷等方式，對機箱進行冷卻；同時對機箱內部各部分產生的熱量要采取適當措施進行有效地熱量交換。

5)機箱要有足夠的機械強度，以防止內部元器件受損。

2 機箱的抗振設計

電子類儀器設備在運輸和使用中經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各種連接處，如焊縫、鉚接等的結構強度；引起結構噪聲；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；也可能使設備形成難于檢修的“軟故障”，甚至導致損壞；惡化工作條件，使人易疲勞、引起技術事故，長久下去會使人造成生理疾病。機械振動就其產生原因大致有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。因此在電子儀器設備設計中必須考慮機械振動對電子儀器設備的影響，并能采取適當措施抑制機械振動。

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；采取隔板措施——減小或隔離振動的傳遞。

根據振動理論，對于機箱的抗振設計一般采用如下措施。

1)針對不同儀器工作的環境而選用合適的材料，以便能保護機箱內元器件的安全。對于機械振動較大的工作環境要選用鋼質、鐵質等剛性材料作機箱材料，能有效地防止或減小機箱結構對振動的響應。同時機箱選用剛性大的材料能增加重量，提高構件剛度，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計方法。

2) 從材料力學知道，當構件的材料一定時，抗扭剛度取決于構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，但導致結構復雜。

5)利用復相型合金、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)在電子儀器設備內振動較強處安裝隔板或隔振系統。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隔離技術。

3 機箱的抗電磁設計

電子儀器設備在工作時不僅受到環境中各種電磁干擾，而且有些設備還受到儀器內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。

根據電磁輻射理論，對于電子儀器機箱的設計一般采用如下措施。

1)材料的選擇和屏蔽機箱的設計。對于用于電磁屏蔽的機箱材料的電導率、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。當屏蔽效果不太好時，可考慮對其進行表面處理。在屏蔽機箱設計時，應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。當抑制外界對同軸電纜線的干擾時，應采取屏蔽層一端接地，另一端懸空的連接方法。當同軸電纜中心導線是干擾源時，應采取屏蔽層一端接地，另一端串聯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)機箱上通風孔的屏蔽。為了滿足被屏蔽對象(設備、組件等)的通風散熱要求，必須在屏蔽體上開通風孔。孔的泄漏與多種因素有關，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，采用的結構形式不同。

①通風孔覆蓋金屬絲網。采用環形壓圈通過緊固螺釘把金屬絲網安裝在屏蔽體的通風孔上。如果網孔密、網絲粗及網絲的導電性能好，則網的屏蔽效能就高。一般在100 kHz到100 MHz的頻段內，銅網有較高的屏蔽效能，如果采用雙層銅網，中間處加防塵材料進行濾塵，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，亦可使金屬絲網與屏蔽體之間獲得良好的電接觸。

②穿孔金屬板作通風孔。當工作頻率比較低，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行通風散熱。與金屬絲網相比，其特點是屏蔽性能穩定，因為它不存在金屬絲網固有的網絲交叉點接觸電阻不穩定的問題，具有結構與工藝簡單，成本低等優點。在設計通風孔的孔徑、孔間距與屏蔽效能的關系上，實踐經驗數據為：通風孔直徑為4 mm，間距為5 mm 以行列對齊的陣列圓孔。

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

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，設計時主要考慮：①減少縫隙數量。采用合理的結構使縫隙數量最小。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用導電墊代替普通墊。導電墊的變形量控制在15％左右，可發揮較好作用。

4機箱的色彩設計

色彩是電子儀器設備造型的重要因素，它能美化產品滿足人們的審美要求.電子儀器設備在作造型設計時，有良好的色彩設計，就能更好地發揮產品的功能與使用效果，而色彩設計直接體現在機箱上。

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、按鍵、接插件和文字標識等，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，主要選用較暗和柔和的色彩，如淡藍色和淺綠色等。如面板較大且元器件較少時，可采用兩套及以上色進行色彩分割，以協調比例和豐富色彩。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采用明度較高，表面精細或具微弱光澤的暖色調，有利于表現儀器的精密與輕巧。適當的降低色彩純度，可減少對人眼的刺激。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。在儀器儀表側面或機腳處使用調和的鄰近色，并在明度上進行變化，取得豐富統一的色彩效果。

5 結束語

電子儀器設備設計是儀器儀表研究的重要課題，其機箱設計是設計過程中值得關注的重要環節，通過對電子儀器設備的防熱、抗振、抗電磁輻射、美觀外形設計方面的探討，對進一步提高機箱可靠性設計質量和儀器儀表可靠性方面都具有重要意義。