基于PCI 总线的含电子元件安全电路试验研究

程帅，奚望

（陕西恒太电子科技有限公司，陕西西安，710100）

0 引言

含电子元件的安全电路是电梯电气安全装置中的重要组成部分，其是保护电梯乘客和设备的关键部分，当电梯发生故障或特定状态引发危险情况时，电梯装置内的特定电气安全机制将被触发，切断驱动主机和制动器的电源供应，以阻止电梯主机启动，从而保护电路和乘客安全。这种高度可靠的性能是电梯系统不可或缺的一部分，对整个电子行业的发展都具有重要意义。《规范》明确规定所有含有电子元件的安全电路必须经过严格实验，为此，本文根据此规定进行了相关的严格实验，探究实验样品的各方面性能，通过实验，得出了一系列关键数据和结论，这些数据验证了样品的安全可靠。以期通过这些实验和数据，为电子行业的发展提供宝贵的参考，同时不断提高电子元件的性能和可靠性，建立更安全、更高效的电梯系统。

1 实验准备

1.1 仪器设备

含电子元件的安全电路试验所需的仪器有：示波器、信号发生器、振动试验台、振动波形控制器、恒温试验箱、信号监控柜、电源供应、计算机。示波器用于监测和分析电子元件的电信号，包括电压和电流波形。信号发生器产生标准的测试信号，用于输入到电路中，以模拟各种工作条件和信号源。振动实验台提供振动环境，能够产生不同频率和幅值的振动，模拟样品在不同振动条件下的性能变化。振动波形控制器产生测试所需的振动、冲击、碰撞的波形型号。恒温试验箱提供测试所需的温度环境，用于模拟试验样品的不同温度下的环境条件。信号监控柜提供维护样品正常工作的电源、信号，验证样品输出信号的正确性、可靠性。电源供应提供所需的电能，以确保电子元件在测试期间得到稳定的电源，特别是在不同电压和电流条件下。计算机用于检测、记录、分析实验数据。

1.2 性能评估测试

1.2.1 扫频循环振动测试

扫频振动循环是指在特定频率范围内来回进行振动，完成一次频率扫描的过程。进行测试时，使用振动台进行测试，在此期间，电路板需处于工作状态，将样品在三个相互垂直的轴线上（X、Y、Z 轴）依次经受振动。在每个坐标轴方向上，进行20 次扫频循环振动测试。在测试中，将振动幅值设置为0.35mm，频率范围设定在15Hz~50Hz 之间，观察样品在不同频率下的振动响应情况[1]。振动波形为正弦波，正弦波的数字方程式如式(1)和式(2)所示：

式(1)中，Xm为位移振幅，ω为角频率，f代表频率，t为时间，对式(1)进行求导，得到振动速度mV，如式(3)所示：

通过式(3)得到mV，如式(4)所示：

再将振动函数求导，得到振动加速度a，如式(5)所示：

由式(5)进一步得到加速度am，如式(6)所示:

所以，位移交越点频率与加速度的计算公式，如式(7)所示：

由式(7)得出电子元件安全电路型式试验的交越频率为f=60Hz，低于《规范》规定的交越频率，不宜采用。因此，采用0.35mm 的定位移振幅进行测验[2]。测验时，将振动台启动，使电路板在选定的振动参数下开始循环振动。进行20 次扫频循环振动测试，每次循环的时间为5min，则整个扫频振动测验需要用时大约5h。使用计算机数据记录软件，记录每次循环中的振动幅值、频率等数据。对于每个轴向，记录电路板的响应情况，特别关注可能出现的异常或不稳定现象。将记录的数据导入计算机分析软件，绘制频率与振动幅值之间的关系图。从图中分析出电路板的共振频率，以及在不同频率下的振动特性。

1.2.2 冲击测试

冲击测试通过给予样品瞬时的冲击载荷，检验其在受到此种突然影响后，安全性能方面是否会出现变化。进行冲击测验时，将冲击波形设置为半正弦波，波形如图1 所示。

图1 半正弦波

其数字表达式如式(8)所示：

其中A=30gn，为峰值加速度；D=15ms，为持续时间，冲击脉冲标称的速度变化量设定为2.1m/s[3]。冲击测试过程中，首先，激活碰撞测试机，并将样品放置于碰撞测试机上。其次，使其按照预设的半正弦波形对样品3 个坐标轴的6 个方向进行冲击，每个方向冲击3 次，每次冲击之间留有1min 的间隔，以允许样品恢复至初始状态。最后，使用计算机数据记录软件记录每次冲击的加速度、峰值等数据。对于每个方向的冲击，分析样品的响应，检查是否有安全性能改变或损坏现象。

1.2.3 碰撞测试

碰撞测试是模拟样品在实际环境中可能经历的重复碰撞情况。测试时，将冲击波形设为半正弦波，实际冲击脉冲的速度变化量在标称脉冲速度变化量的±20%之内，其表达式同式(8)，其中，D=15ms，A=10gn，速度变化量为1.0m/s。碰撞测试的具体操作步骤如下，首先，将碰撞测试机进行校准，将待测样品放置在碰撞机的测试位置上[4]。其次，激活碰撞测试机，选择样品的3 个互相垂直的x、y、z 坐标轴方向，按照预设的半正弦波形对样品进行持续碰撞。在每个坐标轴方向上，施加1000±10 次碰撞，冲击频率为2 次/s。最后，汇总实验数据，分析样品在持续碰撞条件下的表现。根据实验结果，判断样品在冲击情况下的耐受性能是否满足要求。

1.2.4 温度测试

温度测试是用来检测样品在高低温极速变化的环境条件下的适用性[5]。测试步骤如下，首先，将印刷电路板设置为额定电压，确保电路处于正常工作状态，将温度试验箱进行预热或预冷，确保温度稳定，再将样品放入温度试验箱进行测验，确保它在箱内位置固定。其次，将温度分别调为0℃、15℃、30℃、45℃、60℃、65℃，以模拟低温和高温环境，每个温度点应保持稳定，并进行持续4h 的持续测试。最后，使用计算机数据记录软件记录测试过程中的温度变化。汇总实验数据，分析样品在不同温度条件下的表现。根据分析的数据，生成测试结果报告，包括样品在不同温度下的性能评估。

2 结果与讨论

2.1 不同振频下的稳定性

在振动测试中，振动的稳定性和频率、加速度、速度以及峰值位移有关，使用振动测试台和计算机分析软件得到以下数据，如表1 所示。

表1 振动数据表

根据表1 数据可知，随着频率的增加，加速度也在增加。表明样品在受到不同频率的振动力下是不断变化的，在不同频率下，样品的稳定性表现出如下趋势。在较低频率（10.0Hz）时，速度和位移值相对较小，随着频率增加，速度和位移值也随之增加[6]。表明在较高频率下，样品经历了更大的速度和位移变化，对样品的稳定性产生影响。中断上限、报警上限、报警下限和中断下限列，代表了不同振动频率下的声压级的变化范围。在整个频率范围内，中断上限、报警上限、报警下限和中断下限的声压级变化幅度较小，保持在10~55Hz 频率的范围内，表明样品在不同频率下的声压级变化相对较稳定。综上分析可得，样品在不同频率的振幅下加速度、速度、峰值位移均符合《规范》要求，样品稳定性良好。

2.2 受到瞬间冲击后的安全性能

冲击波的脉冲数、峰值速度、脉宽以及速度变化值等参数对于评估电子元器件受到冲击后的安全性能至关重要，由冲击测试数据得到下表，如表2 所示。

表2 冲击波数据表

根据实验参数和测量结果可知，当样品受到3 次半正弦波冲击时，设定峰值为294.00m/s，实际峰值为294.50m/s，者变化不大，为1.5m/s。设定脉宽为11ms，实际脉宽为10.64ms，二者变化不大，相差0.36ms，在实验允许误差内，表明实验操作的准确性和有效性。实际速度变化值和标准速度变化值吻合，表明样品在收到冲击时下降的加速度符合《规范》规定的加速度，样品在此冲击条件下的的响应是可控和可预测的样品，并且能够经受住这种冲击并保持其功能和结构完整性。

2.3 遭受碰撞时的抗冲击性

使用计算机编程计算得到样品受到冲击时的位移仿真曲线图，如图2 所示。

图2 碰撞位移仿真曲线图

如图2 所示，碰撞机启动阶段，由于惯性力的影响，导致样品出现振动偏离中心位置的情况[7]。然而，当进入匀速运行段时，振动逐渐回到中心位置，随着时间（t）的推移，线条密集度增加，表明振动频率逐渐升高。在碰撞机的变加速运行阶段，运行加速度逐渐增大，样品振动幅度随之逐步增大。在匀速运行段，振动幅度减小，随着运行距离的增加，振动频率逐渐增大。在样品稳定运行阶段，振动幅度维持在较小的范围内。需注意，在制动过程中，由于受到惯性冲击，样品出现了振动幅度的峰值。根据计算公式(6)得出，振动加速度的最大值为16mm/s²，而在制动运行阶段，最大振动加速度为15mm/s²。数据结果与《规范》规定的标准相符，即样品的振动加速度应该保持在小于25mm/s²的范围内。这表明所测试的电子元件的安全电路在各种运行情况下都能保持稳定且安全的性能，为电梯的运行和乘客的安全提供了可靠的保障。

2.4 高低温环境下的适用性

由温度传感器测量测验时恒温箱内样品温度变化，如表3 所示。

表3 温度记录表

由表3 可知，在测试开始时，温度传感器的输出温度为24.0°C。随着时间的推移，逐渐增加温度，且每个温度维持40min 左右，在第一个温度段，温度传感器的输出温度逐渐上升，从初始的24.0°C 上升到25.5°C，说明样品开始工作[8]。随着时间的推移，温度上下波动，表明样品在高低、温下未受损，仍能正常运行。但温度变化不大，均在25℃上下波动，最大波动值在1.8℃，符合《规范》的规定，说明样品耐高低温变化能力良好，具有一定的高低温适用性。

3 结束语

为完成《规范》对含有电子元件安全电路所要求的振动测试、冲击测试、碰撞测试和温度测试，本文开展了基于PCI 总线的电子元件安全电路试验研究。具体来讲，振动测试以模拟电子元件在不同振频下的运行情况，冲击测试评估电子元件在受到冲击时的稳定性，碰撞测试研究电子元件在碰撞场景下的响应能力，温度测试考察电子元件在极端温度条件下的表现，并对所得数据进行分析讨论，希望通过宝贵的数据，能为将来的电子行业的发展提供有力的支持。