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    《試驗箱在智能健身器材傳感器領域的可靠性測試》

    來源:東莞市皓天試驗設備有限公司   2025年08月08日 09:30  

    《試驗箱在智能健身器材傳感器領域的可靠性測試》

    一、試驗目的

    東莞皓天檢測儀器有限公司針對智能健身器材傳感器開展可靠性測試,旨在模擬傳感器在實際使用過程中可能遭遇的各種復雜環境與工況,驗證其在長期使用中的性能穩定性、數據準確性及環境適應性。通過量化評估傳感器在溫濕度變化、振動沖擊、電磁干擾、機械磨損等條件下的工作狀態,為制造商優化傳感器選型、改進安裝工藝及提升產品質量提供科學數據支撐,助力產品滿足 GB/T 19239-2021《健身器材 安全 通用要求》等相關標準,增強產品在市場中的競爭力。

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    二、實驗 / 設備條件

    (一)核心試驗設備(東莞皓天專屬配置)

    1. 高低溫濕熱試驗箱(HT-GDS-1200)

    溫度范圍 - 40℃~180℃,濕度范圍 5%~98% RH,溫變速率可達 8℃/min,能精準模擬不同地域、季節的溫濕度環境,用于測試傳感器在溫濕度下的性能穩定性。
    1. 振動試驗箱(HT-ZD-800)

    支持正弦振動、隨機振動等模式,頻率范圍 1Hz~3000Hz,加速度 50g,可模擬智能健身器材在運輸、安裝及使用過程中受到的振動沖擊,評估傳感器的抗振性能。
    1. 電磁兼容(EMC)測試系統(HT-EMC-600)

    包含電磁干擾(EMI)測試和電磁抗擾度(EMS)測試模塊,能模擬各種電磁環境,檢測傳感器在強電磁干擾下的數據采集與傳輸準確性。
    1. 機械磨損測試臺(HT-JX-900)

    配備可調節壓力和頻率的摩擦裝置,壓力范圍 0~50N,頻率 0~10Hz,可模擬人體接觸、器械運動對傳感器造成的機械磨損,測試傳感器的結構耐用性。
    1. 鹽霧腐蝕試驗箱(HT-YW-700)

    支持中性鹽霧、酸性鹽霧等測試模式,鹽霧沉降量 1~3ml/80cm2?h,用于測試傳感器金屬部件在潮濕、多鹽霧環境下的耐腐蝕能力。

    (二)輔助設備

    • 數據采集分析儀(采樣頻率 1MHz,精度 ±0.1%)

    • 激光位移傳感器(測量精度 ±0.5μm)

    • 示波器(帶寬 1GHz,采樣率 5GS/s)

    • 溫濕度記錄儀(精度 ±0.2℃,±2% RH)

    三、試驗樣品

    選取 4 類智能健身器材常用傳感器,覆蓋主要應用場景:
    1. 心率傳感器(樣品 A):安裝于跑步機扶手、動感單車握把,采用光電感應原理,用于實時監測用戶心率。

    1. 位移傳感器(樣品 B):應用于劃船機、橢圓機,檢測器械運動部件的位移量,計算運動距離和速度。

    1. 壓力傳感器(樣品 C):安裝在力量訓練器械的配重塊、踏板等部位,用于測量用戶施加的力量大小。

    1. 角度傳感器(樣品 D):用于瑜伽球、健身椅等設備,監測器械的傾斜角度,保障用戶運動安全。

    四、試驗步驟及條件

    (一)環境適應性測試(樣品 A、B、C、D 共同參與)

    1. 溫濕度循環測試

    將傳感器置于高低溫濕熱試驗箱,按 “30℃/60% RH(4h)→60℃/90% RH(4h)→-10℃/20% RH(4h)→25℃/50% RH(4h)” 循環 80 次。每 20 次循環后,在標準環境下(25℃,50% RH)測試傳感器的基本性能,如樣品 A 的心率檢測誤差、樣品 B 的位移測量精度等。
    1. 鹽霧腐蝕測試

    拆分傳感器的金屬部件(如樣品 C 的金屬感應片、樣品 D 的金屬連接件),放入鹽霧試驗箱進行 120 小時中性鹽霧測試。試驗結束后,觀察部件銹蝕情況,并測試傳感器的性能參數變化。

    (二)抗干擾與穩定性測試(樣品 A、B、C、D 共同參與)

    1. 振動測試

    將傳感器固定在振動試驗箱的工作臺上,分別進行正弦振動(頻率 10Hz~1000Hz,加速度 10g,持續 2 小時)和隨機振動(頻率 5Hz~2000Hz,加速度譜密度 0.1g2/Hz,持續 4 小時)。振動過程中及結束后,測試傳感器的數據輸出穩定性。
    1. 電磁兼容測試

    在 EMC 測試系統中,對傳感器施加電場強度 10V/m~30V/m(80MHz~2GHz)的輻射干擾和 1kV~4kV 的脈沖干擾。測試傳感器在干擾環境下的工作狀態,記錄數據傳輸錯誤率。

    (三)機械耐用性測試(分樣品專項測試)

    1. 樣品 A(心率傳感器)

    • 機械磨損測試:在機械磨損測試臺上,以 20N 壓力、5Hz 頻率對傳感器感應面進行摩擦,累計摩擦 10 萬次。測試結束后,檢查感應面磨損情況,并檢測心率測量精度。

    1. 樣品 B(位移傳感器)

    • 反復拉伸測試:模擬器械運動,對傳感器進行 10 萬次拉伸(拉伸范圍 0~50mm,速度 10mm/s)。測試過程中,記錄傳感器的位移測量值與實際值的偏差。

    1. 樣品 C(壓力傳感器)

    • 壓力循環測試:在機械磨損測試臺上,對傳感器施加 0~500N 的壓力循環,頻率 2Hz,累計 10 萬次。測試傳感器的壓力測量精度變化。

    1. 樣品 D(角度傳感器)

    • 角度擺動測試:將傳感器安裝在模擬設備上,進行 0°~180° 的角度擺動,頻率 1 次 / 秒,累計 5 萬次。測試傳感器的角度測量誤差。

    五、數據采集與分析

    1. 關鍵指標記錄

    • 環境測試:記錄各傳感器在溫濕度循環、鹽霧腐蝕后的性能參數(如心率檢測誤差、位移測量精度等),計算性能衰減率。

    • 抗干擾測試:統計振動、電磁干擾環境下傳感器的數據傳輸錯誤率、測量偏差值。

    • 機械耐用性測試:記錄傳感器在機械磨損、循環測試后的外觀損壞情況(如裂紋、變形)、性能參數變化曲線。

    1. 數據分析方法

    采用東莞皓天自研的可靠性分析軟件,將測試數據與預設閾值(如心率檢測誤差≤5 次 / 分鐘、位移測量精度≤0.5%)對比,通過可靠性函數計算傳感器的平均工作時間(MTBF),繪制故障概率分布曲線,評估傳感器的可靠性等級(Ⅰ 級:MTBF≥10000 小時;Ⅱ 級:5000≤MTBF<10000 小時;Ⅲ 級:MTBF<5000 小時)。

    六、實驗結果與結論

    (一)單項測試結果

    1. 樣品 A:溫濕度循環 60 次后,心率檢測誤差增至 8 次 / 分鐘(超標);機械磨損 8 萬次后,感應面出現劃痕,檢測精度下降 15%。

    1. 樣品 B:振動測試后,位移測量精度偏差達 1.2%(超標);10 萬次拉伸后,傳感器線纜接頭處出現松動。

    1. 樣品 C:鹽霧測試 90 小時后,金屬感應片銹蝕面積達 20%,壓力測量誤差增大至 3%;壓力循環 8 萬次后,無明顯性能衰減。

    1. 樣品 D:電磁干擾測試中,在 20V/m 電場強度下,角度測量誤差達 2°(超標);5 萬次角度擺動后,性能穩定。

    (二)綜合結論

    1. 智能健身器材傳感器的可靠性短板主要體現在:高溫高濕環境導致電子元件性能衰減、強振動和電磁干擾影響數據準確性、機械磨損和腐蝕降低結構耐用性。

    1. 東莞皓天的試驗設備能精準模擬各類嚴苛環境與工況,全面檢測傳感器的可靠性隱患,其中 EMC 測試系統和機械磨損測試臺對傳感器性能短板的識別尤為有效。

    1. 4 類傳感器中,樣品 D(角度傳感器)整體可靠性表現較好,樣品 A(心率傳感器)和樣品 B(位移傳感器)需重點改進。

    七、失效分析與改進建議

    (一)失效原因分析

    1. 樣品 A:心率傳感器感應面采用普通亞克力材料,耐磨性差;內部電路密封膠耐溫性不足(僅 80℃),高溫高濕下易老化導致水汽滲入。

    1. 樣品 B:位移傳感器線纜接頭采用錫焊工藝,振動環境下易松動;傳感器內部磁芯穩定性差,受振動影響導致測量精度下降。

    1. 樣品 C:壓力傳感器金屬感應片鍍層厚度僅 5μm(標準要求≥10μm),耐腐蝕能力弱;信號處理電路抗干擾設計不足。

    1. 樣品 D:角度傳感器電磁屏蔽層厚度不足 0.1mm,難以抵御強電磁干擾。

    (二)改進建議

    1. 材料升級

    • 樣品 A 感應面改用藍寶石玻璃,提升耐磨性;內部電路密封采用耐 150℃高溫的硅橡膠。

    • 樣品 B 線纜接頭采用鍍金工藝和卡扣式連接,增強連接穩定性;選用高穩定性釹鐵硼磁芯。

    • 樣品 C 金屬感應片鍍層升級為 15μm 鍍鉻層,或采用 316L 不銹鋼材質;優化信號處理電路,增加濾波模塊。

    • 樣品 D 增加 0.2mm 厚的銅箔電磁屏蔽層,提升抗電磁干擾能力。

    1. 工藝優化

    • 傳感器焊接部位采用激光焊接工藝,提高連接強度和密封性。

    • 對傳感器進行整體灌膠處理,選用導熱性好、耐老化的灌封膠,提升整體防護性能。

    1. 測試方案優化

    建議制造商在產品研發階段,增加 “溫濕度 + 振動” 復合環境測試,通過東莞皓天的綜合試驗箱提前暴露傳感器在復雜環境下的潛在故障,提高產品可靠性。
    東莞皓天可根據企業具體需求,提供定制化的智能健身器材傳感器可靠性測試方案,包括設備租賃、委托測試、數據分析及改進建議等一站式服務。若需進一步細化某類傳感器的測試流程或深入分析特定失效模式,可隨時聯系東莞皓天技術團隊。

    以上方案僅供參考,在實際試驗過程中,可根據具體的試驗需求、資源條件以及產品的特性進行適當調整與優化。

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