為工業(yè)、運(yùn)輸和采礦等嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)用選擇合適的連接器

在所有系統(tǒng)中，最薄弱的環(huán)節(jié)是什么？

如果您正在針對(duì)一些惡劣環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么最薄弱的環(huán)節(jié)很可能是低調(diào)的連接器。這適用于任何需要堅(jiān)固組件的應(yīng)用，無論是工業(yè)、采礦、運(yùn)輸還是其他任何領(lǐng)域。在安全關(guān)鍵的系統(tǒng)中，任何故障都可能非常嚴(yán)重，并且可能是致命的。

無論連接器用來處理模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)還是提供電源，都是所有設(shè)計(jì)的重要組成部分。在許多系統(tǒng)中，連接器必須連接多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，以及多個(gè)子系統(tǒng)。

在本文中，我們將介紹可能導(dǎo)致連接器故障的環(huán)境因素，可以耐受惡劣條件的不同類型連接器（包括相關(guān)的IP等級(jí)），以及如何為您的應(yīng)用選擇合適的連接器，而不會(huì)因?yàn)橐?guī)格過度浪費(fèi)空間和成本。

防塵防潮

連接器故障的最可能原因之一是水分或污染物的進(jìn)入，例如灰塵或污垢。水可以因?yàn)樘鞖庠蜻M(jìn)入連接器，或者在用軟管或其他流動(dòng)水源進(jìn)行清潔時(shí)進(jìn)入。清潔還可能引入化學(xué)物質(zhì)或表面活性劑，這些會(huì)腐蝕電導(dǎo)體，因此至少會(huì)降低它們傳輸電流的能力，并可能導(dǎo)致故障。

潮濕環(huán)境中的冷凝也會(huì)導(dǎo)致水分，特別是當(dāng)設(shè)備從寒冷的環(huán)境移動(dòng)到溫暖的環(huán)境時(shí)更容易出現(xiàn)這種情況。不可避免地，水和電不能很好地在一起相處，結(jié)果可能是破壞性的短路。

進(jìn)入連接器的污垢或灰塵會(huì)隨著時(shí)間的推移而形成絕緣層，這可能導(dǎo)致連接器的連接質(zhì)量變差?；覊m或污垢也會(huì)導(dǎo)致過熱。

入侵保護(hù)（IP）由IEC的IP標(biāo)準(zhǔn)IEC 605029界定，該標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛使用，它是使用兩位數(shù)字來表示設(shè)備對(duì)固體物體（第一位數(shù)字）和液體（第二位數(shù)字）的防護(hù)，如表1所示。

例如，IP67意味著設(shè)備完全防塵并且能夠防護(hù)暫時(shí)浸入水中。這種保護(hù)是通過加強(qiáng)型（heavy-duty）密封件和墊圈實(shí)現(xiàn)，通常由硅樹脂制成。多重密封可以提供密封冗余，因此即使一個(gè)密封失效也能保持侵入防護(hù)。

表1：IEC IP等級(jí)

除了IEC IP等級(jí)外，另一種常用的侵入保護(hù)系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）等級(jí)。IEC IP和NEMA等級(jí)通常在連接器和機(jī)箱的產(chǎn)品數(shù)據(jù)中提供。

其他環(huán)境危害

除了灰塵和濕氣外，極端溫度也會(huì)對(duì)連接器造成損害，例如許多工業(yè)過程中遇到的高溫，或者采礦中的地下高環(huán)境溫度會(huì)致使連接器處在極端情況。在許多應(yīng)用中可能發(fā)生的溫度從低到高頻繁循環(huán)也會(huì)引起問題。

在低于零度的溫度下，還存在需要處理結(jié)冰的問題。當(dāng)水凍結(jié)時(shí)，體積會(huì)膨脹，這會(huì)導(dǎo)致很大的膨脹力，可能會(huì)損壞連接器和電纜。冰的額外重量也會(huì)對(duì)連接器造成應(yīng)力。

在確定連接器時(shí)，需要查清其擴(kuò)展的溫度范圍。例如，對(duì)于光纜，Molex的LC2 金屬光學(xué)連接器使用了可耐受達(dá)150℃高溫的金屬體。

圖1：Molex LC2連接器。 （來源：Molex）

連接器也可能受到物理?yè)p壞，或許是受到?jīng)_擊，也可能是來自振動(dòng)的影響，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障或電氣連接損壞。全金屬機(jī)身可以提高承受沖擊的強(qiáng)度，而熱塑性外殼可以抵抗腐蝕，同時(shí)具有阻燃和耐化學(xué)腐蝕等特性。

金屬結(jié)構(gòu)還可以確保連接器提供足夠的保護(hù)，以防止靜電放電（ESD）和電磁干擾（EMI）。要考慮的另一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)是應(yīng)力消除，以便施加到電纜或連接器外部的任何力都不能傳遞到電氣連接。許多連接器都把應(yīng)變消除作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

具備合適堅(jiān)固性的連接器可提供免受振動(dòng)影響的能力，這些由諸如MIL-STD-202等標(biāo)準(zhǔn)定義。例如，TE Connectivity的CeeLok FAS-T 千兆以太網(wǎng)連接器可以耐受高度振動(dòng)，并達(dá)到IP67等級(jí)，工作溫度范圍為-65℃～+175℃。

圖2：TE Connectivity 的CeeLok FAS-T連接器。 （來源：TE Connectivity）

選擇正確的連接器

在選擇連接器時(shí)，不言而喻，第一步是了解目標(biāo)應(yīng)用和可能的環(huán)境條件。從最壞的情況考慮，因此就可確信連接器可以承受任何可能的影響。

一旦有了具體目標(biāo)，就應(yīng)該在連接器的數(shù)據(jù)手冊(cè)上檢查如IP67等所有必要的認(rèn)證，數(shù)據(jù)手冊(cè)一般也會(huì)說明工作溫度范圍。還要考慮所需的其他標(biāo)準(zhǔn)，例如在南非，南非標(biāo)準(zhǔn)局（SABS）已制定了多個(gè)與連接器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

推薦選擇那些具有能夠承受振動(dòng)的安全鎖定機(jī)構(gòu)，并提供接合確認(rèn)的連接器，接合確認(rèn)或者是可聽見的聲音或觸覺反應(yīng)。連接器有許多種鎖定方法，因此務(wù)必要確保選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)逆i定方法，也需要規(guī)劃在其生命周期中斷開和連接的頻率次數(shù)。輔助鎖定（通常稱為楔形鎖）能夠確保觸點(diǎn)牢固地保持在一起。

建議選擇那些經(jīng)過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如MIL-STD-202）測(cè)試的組件，以確保它們?cè)谡麄€(gè)生命周期內(nèi)提供所需的穩(wěn)健性，這一點(diǎn)非常重要。基于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試會(huì)使用諸如“高加速度壽命測(cè)試”（HALT）等技術(shù)來精確模擬真實(shí)世界的條件，從而確保產(chǎn)品的可靠性。

另一方面，也要確保不要走得太遠(yuǎn)。選擇連接器時(shí)的一種誘惑是指定過高規(guī)格的產(chǎn)品，但這可能由于使用龐大笨拙的部件導(dǎo)致不必要地浪費(fèi)成本和空間。當(dāng)額定值較低且價(jià)格較低時(shí)，您可能會(huì)受到具有最高IP等級(jí)連接器的誘惑。類似，塑料連接器可能優(yōu)于更昂貴的金屬連接器。

結(jié)論

雖然有時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中連接器最后才考慮，但它們是必不可少的重要組件，需要正確選擇連接器產(chǎn)品。在考慮所有可能的連接器產(chǎn)品后，會(huì)有很多可供選擇的選項(xiàng)，您最好的選擇或許是與能夠提供專家技術(shù)建議的經(jīng)銷商交流。