包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法和系統的製作方法
2023-06-01 00:48:06 1
專利名稱：包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法和系統，特別是指一種在包裝及緩衝件設計過程中，通過對被設計樣品進行衝擊測試，獲得用於指導設計的測量數據的方法和系統。
背景技術：
在產品的運輸和裝卸過程中，包裝(包括包裝箱及緩衝件)是PC、伺服器和機箱等機電類產品的重要保護裝備。PC、伺服器和機箱等機電類產品在運輸和裝卸過程中，可能要承受到諸如動壓、衝擊、振動、跌落、滾動和傾翻等所造成的破壞性衝擊，這些衝擊可能導致硬碟、內存等精密硬體的失效和機箱(機櫃)等機械零部件的損壞，從而使產品的質量得不到最終保證，可見，包裝的作用十分重要。
每年我國花費在包裝上的費用和因包裝不科學造成的損失(比如，因包裝的耐衝擊性能不能滿足要求，導致被運載的產品損壞)均很高。所以說，為包裝的設計提供一個科學、行之有效的設計方法迫在眉睫。
傳統的包裝設計方法是根據產品的重量和幾何尺寸，憑經驗設計包裝，這種設計包裝的方法很盲目，由於不知道產品及其重要部件在運載過程中所承受的具體載荷情況，從而不能真正地設計出保證產品及其重要部件的安全的包裝；同時，也是一種不經濟的作法，即為了保護產品不受損壞，不惜盲目地使用更多、更好的包裝材料。這種作法既增加了產品的成本，又浪費了木材等資源，而且並不一定能完全保證產品的承載載荷減小。
可見，為了實現產品包裝用料最省、結構又能完全滿足產品的耐衝擊要求，在包裝及其緩衝件的設計過程中，對相應的設計樣品進行科學的耐衝擊測試非常關鍵。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法和系統，用以測試電子產品在運載過程中實際承受的衝擊載荷，為包裝結構的優化設計提供技術依據。
本發明的另一目的在於提供一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法和系統，據此，可以在產品包裝設計中合理、有效地使用包裝材料，避免浪費材料，降低包裝成本。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，它至少包括如下的步驟步驟1利用衝擊信號採集裝置採集被測跌落樣品在跌落時所承受的衝擊信號；步驟2將步驟1獲取的衝擊信號進行處理和計算，獲得衝擊載荷值。
上述的步驟1所述的衝擊信號的採集具體為步驟11衝擊信號採集裝置布置在被測跌落樣品的兩兩互相垂直的三維空間方向上；步驟12將被測跌落樣品放在跌落試驗設備上做跌落試驗；步驟13在跌落的同時，衝擊信號採集裝置測量衝擊信號；步驟14根據標定係數計算衝擊信號採集裝置布局點所承受的衝擊加速度。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊和模數轉換模塊。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊、模數轉換模塊和無線發射模塊。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括加速度傳感器和與之連接的振動信號採集記錄裝置，該衝擊信號採集記錄裝置記錄加速度傳感器採集的振動信號，並將該記錄數據轉送到振動信號處理和分析系統。
上述的步驟2所述的衝擊信號的處理具體為依據如下公式計算各傳感器所承受的衝擊加速度矢量，獲得被測跌落樣品所承受的實際衝擊載荷的大小和方向；=X2+Y2+Z2]]>=arctg(X2+Y2Z)]]>其中，λ為被測點實際承受的衝擊加速度；α為被測點實際承受的衝擊加速度的相位角；X、Y、Z分別為被測點三維方向各自對應承受的衝擊加速度。
一種包裝及緩衝件設計中耐衝擊測試的系統，至少包括衝擊信號採集裝置、振動信號處理和分析系統、跌落試驗設備；其中，跌落試驗設備用於放置被測跌落樣品，完成樣品的跌落試驗；衝擊信號採集裝置裝設在被測跌落樣品上，它採集被測跌落樣品跌落時的衝擊信號，並將該設備信號發送給振動信號處理和分析系統；振動信號處理和分析系統用於接收衝擊信號採集裝置發送的衝擊信號，並將該信號換算為衝擊載荷值。
利用振動信號採集裝置採集衝擊信號的具體方法為將衝擊信號採集裝置布置在被測跌落樣品的兩兩互相垂直的三維空間方向上；將被測跌落樣品放在跌落試驗設備上做跌落試驗；在跌落的同時，衝擊信號採集裝置測量衝擊信號。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊和模數轉換模塊。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊、模數轉換模塊和無線發射模塊。
所述的衝擊信號採集裝置至少包括加速度傳感器和與之連接的衝擊信號採集記錄裝置，該衝擊信號採集記錄裝置記錄加速度傳感器採集的衝擊信號，並將該記錄數據轉送到振動信號處理和分析系統。
所述的振動信號處理和分析系統至少設有依次連接的數據採集模塊及信號處理和計算模塊。
所述的振動信號處理和分析系統至少設有依次連接的無線接收模塊、數據採集模塊及信號處理和計算模塊。
所述的振動信號處理和分析系統將振動信號換算為衝擊載荷值的處理具體為依據如下公式計算各傳感器所承受的衝擊加速度矢量，獲得被測跌落樣品所承受的實際衝擊載荷的大小和方向；=X2+Y2+Z2]]>=arctg(X2+Y2Z)]]>其中，λ為被測點實際承受的衝擊加速度；α為被測點實際承受的衝擊加速度的相位角；X、Y、Z分別為被測點三維方向各自對應承受的衝擊加速度。
本發明通過上述的技術方案，實現了對電子產品在運載過程中實際承受的衝擊載荷的測試，為包裝結構的優化設計提供了技術依據；同時可以在產品包裝設計中指導包裝材料使用的合理性和有效性，避免了材料的浪費，降低了包裝成本。
這種產品包裝耐衝擊測試的方法能指導工程技術人員設計出用料最省、緩衝性能優良可靠，並能滿足機電產品耐運載衝擊技術要求的最理想包裝；有效地避免了產品因包裝問題所造成的巨大損失。
圖1為本發明中包裝材料動態緩衝曲線的示意圖。
圖2為本發明一實施例的衝擊信號有線採集流程示意報圖。
圖3為本發明一實施例的加速度傳感器有線傳送方式的系統示意圖。
圖4為本發明一實施例的衝擊信號有線傳送方式加速度傳感器與被測跌落樣品連接設置示意圖。
圖5為本發明又一實施例的衝擊信號無線採集流程示意圖。
圖6為本發明又一實施例的加速度傳感器無線傳送方式的系統示意圖。
圖7為本發明又一實施例的無線發射模塊、加速度傳感器與被測跌落樣品連接設置示意圖。
圖8為本發明再一實施例的衝擊信號微型振動信號採集記錄儀採集流程示意圖。
圖9為本發明再一實施例的加速度傳感器通過微型振動信號採集記錄儀記錄所採集到的衝擊信號方式的系統示意圖。
圖10為本發明再一實施例的加速度傳感器、微型振動信號採集記錄儀與被測跌落樣品連接設置示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明在具體的包裝設計過程中，首先需要製作包裝件試樣，然後再對該包裝件試樣進行測試，通過對採集的測試數據的處理和分析，再對包裝件試樣進行調整，再經過實驗，如此反覆，最後，設計出符合要求的包裝件。由此可見在整個設計過程中，包裝件的耐衝擊測試是非常重要的步驟。
參見圖1，其為包裝緩衝材料動態緩衝曲線的數據(以緩衝材料最小脆值點為設計依據)，根據產品的重量和許用衝擊載荷，可以設計多款結構尺寸相同、但材質不同的產品包裝緩衝件結構(包裝選同一材質的，戳穿強度和耐破強度足夠的包裝箱)；然後進行相應的耐衝擊測試。
本發明的包裝耐衝擊測試可採用有線傳感器、無線傳感器及微型振動信號採集記錄儀等三種方式實現
實施例1參見圖2、3、4，有線傳感器方式為了重點監測電子產品重要易損部件在運載過程中所承受的衝擊載荷，把連接在振動信號採集、處理和分析系統上的三個有線電荷加速度傳感器(其頻率範圍為0.5～8KHz靈敏度係數為1～2pC/ms-2極限量程為10000ms-2)布置在被測對象重要易損部件的兩兩互相垂直的三維空間方向上；再把該被測對象的包裝件放在跌落儀上做跌落試驗，在跌落的同時，振動信號處理和分析系統採集加速度傳感器的衝擊信號。
該振動信號處理和分析系統採集加速度傳感器的衝擊信號的具體過程是傳感器輸出的電荷信號經轉化為電壓信號、經過多通道電荷電壓濾波積分放大器低通濾波、放大後，再通過數據採集儀模數轉換(A/D轉換)為數位訊號後，由振動信號處理和分析系統和相應的分析軟體根據標定係數(即傳感器的輸出電荷量和其承受的衝擊加速度的對應關係)算出易損部件的傳感器布局點所承受的衝擊加速度的大小。
再進一步，根據算出的三個在兩兩相互垂直的三維方向上布局的加速度傳感器所承受的衝擊加速度矢量，利用振動信號處理和分析系統和分析軟體的矢量迭加模塊算出重要易損部件所承受的實際衝擊載荷的大小和方向，其具體依據的算法為=X2+Y2+Z2]]>=arctg(X2+Y2Z)]]>其中λ為易損部件實際承受的衝擊加速度的大小；α為易損部件實際承受的衝擊加速度的相位角；X、Y、Z為三維方向上布局的三個加速度傳感器各自對應承受的衝擊加速度大小；這些載荷數據用於優選出使重要易損部件所承受的衝擊加速度最小的緩衝材料的型號和厚度。
實施例2參見圖5、6、7，無線傳感器方式
採用無線方式來取代現有傳感器的信號線(即採用無線傳感器)，會大大的降低耐衝擊試驗平臺搭建的難度，也會減少信號線對測試過程造成的各種影響。無線傳感器數據的傳輸可分為即時傳送和完畢傳送兩種方式，不同的方式對無線的模塊的選擇將產生很大的影響。
無線方式將傳感器的信號傳出可以基於很多種無線傳輸協議，如射頻(RF)、紅外、藍牙、家用射頻(HomeRF)等，在搭建無線傳感器耐衝擊測試試驗平臺時，可在綜合考慮成本、實現難易程度等因素基礎上，根據具體情況選用。其中，射頻技術主要是利用全雙工的射頻來進行通信，技術成熟度高，而且由於可以加密，安全性也非常好，沒有方向性的限制，穿透性也非常好，甚至可以穿透金屬，並且價格相對低廉。缺點在於沒有統一的標準，各公司的通信協議都不一樣；紅外技術是一種非常成熟和應用廣泛的產品，成本也非常低廉。但安全性和方向性較差，沒有穿透性，且很容易受到各種因素的幹擾，也沒有標準的通訊協議；藍牙(IEEE802.15)是一項最新標準。藍牙比IEEE802.11更具移動性，它能把一個設備連接到網絡上，甚至支持全球漫遊。此外，藍牙預計的成本將比較低、體積小，可用於更多的設備。它可支持一條異步數據傳輸通道及三條同步話音傳輸通道，通訊距離10-100m，帶寬大約1Mbps。藍牙的射頻系統採用跳頻技術以降低信號幹擾，支持全雙工但現在成本依然很高；HomeRF主要為家庭網絡設計，旨在降低語音數據成本。HomeRF也採用了擴頻技術，工作在2.4GHz頻帶，能同步支持4條高質量語音信道，傳輸速率為1-2Mb/s。但由於研製相對還比較滯後，這個技術的應用還受一定的局限性，成本很高。
本實施例中射頻和紅外方式為較為適合的方式，藍牙和HomeRF的傳送方式只適合用在緊密測試(有大量傳感器和大量的數據需要傳輸的測試場合)。
具體的測量過程為傳感器輸出的電荷信號經轉化為電壓信號、經過多通道電荷電壓濾波積分放大器低通濾波、放大後，再通過A/D轉換電路模數轉換(A/D轉換)為數位訊號後，由無線發射模塊發送給設在振動信號處理和分析系統前端的無線接受模塊，振動信號處理和分析系統及相應的分析軟體根據標定係數(即傳感器的輸出電荷量和其承受的衝擊加速度的對應關係)算出易損部件的傳感器布局點所承受的衝擊加速度的大小。
和有線傳感器方式比較，無線方式除傳感器信號的輸出方式與有線傳感器方式不同外，其它如衝擊信號的處理和衝擊載荷的算法相同。
實施例3參見圖8、9、10，振動信號採集記錄方式在被測的包裝箱內安裝微型衝擊信號採集記錄裝置，並將該裝置與加速度傳感器連接，進行衝擊信號的採集。這種方式大大地減輕了搭建衝擊測試平臺的工作量，並且使用方便、靈活。
具體的實施方法是將微型振動信號採集記錄儀固定在被測包裝箱內，布局在易損部件上的加速度傳感器通過信號線與該微型振動信號採集記錄儀連接，在衝擊測試過程中，微型振動信號採集記錄儀完成加速度傳感器的信號採集工作。測試結束後，把微型振動信號採集記錄儀採集到的振動信號傳送到所述的振動信號處理和分析系統中，由該振動信號處理和分析系統進行衝擊信號的頻譜分析和衝擊載荷的計算。
同樣，和有線傳感器方式比較，本實施例中的方式除傳感器信號的採集方式與有線傳感器方式不同外，其它如衝擊信號的處理和衝擊載荷的算法相同。
以上實施例僅用以說明而非限制本發明所涉及的技術方案，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，本發明的技術方案可以進行修改、變形或者等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍之中。
權利要求
1.一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於它至少包括如下的步驟步驟1利用衝擊信號採集裝置採集被測跌落樣品在跌落時所承受的衝擊信號；步驟2將步驟1獲取的衝擊信號進行處理和計算，獲得衝擊載荷值。
2.根據權利要求1所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於步驟1所述的衝擊信號的採集具體過程為步驟11衝擊信號採集裝置布置在被測跌落樣品的兩兩互相垂直的三維空間方向上；步驟12將被測跌落樣品放在跌落試驗設備上做跌落試驗；步驟13在跌落的同時，衝擊信號採集裝置測量衝擊信號；步驟14根據標定係數計算衝擊信號採集裝置布局點所承受的衝擊加速度。
3.根據權利要求1或2所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於該衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊和模數轉換模塊。
4.根據權利要求1或2所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於該衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊、模數轉換模塊和無線發射模塊。
5.根據權利要求1或2所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於該衝擊信號採集裝置至少包括加速度傳感器和與之連接的衝擊信號採集記錄裝置，該衝擊信號採集記錄裝置記錄加速度傳感器採集的衝擊信號，並將該記錄數據轉送到振動信號處理和分析系統。
6.根據權利要求1所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，其特徵在於步驟2所述的衝擊信號的處理具體為依據如下公式計算各傳感器所承受的衝擊加速度矢量，獲得被測跌落樣品所承受的實際衝擊載荷的大小和方向；=X2+Y2+Z2]]>=arctg(X2+Y2Z)]]>其中，λ為被測點實際承受的衝擊加速度；α為被測點實際承受的衝擊加速度的相位角；X、Y、Z分別為被測點三維方向各自對應承受的衝擊加速度。
7.一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在於至少包括衝擊信號採集裝置、振動信號處理和分析系統、跌落試驗設備；其中，跌落試驗設備用於放置被測跌落樣品，完成樣品的跌落試驗；衝擊信號採集裝置裝設在被測跌落樣品上，它採集被測跌落樣品跌落時的衝擊信號，並將該衝擊信號發送給振動信號處理和分析系統；振動信號處理和分析系統用於接收衝擊信號採集裝置發送的衝擊信號，並將該信號換算為衝擊載荷值。
8.根據權利要求7所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在於利用衝擊信號採集裝置採集衝擊信號的具體方法為將振動信號採集裝置布置在被測跌落樣品的兩兩互相垂直的三維空間方向上；將被測跌落樣品放在跌落試驗設備上做跌落試驗；在跌落的同時，衝擊信號採集裝置測量衝擊信號。
9.根據權利要求7或8所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在於該衝擊信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊和模數轉換模塊。
10.根據權利要求7或8所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在於該振動信號採集裝置至少包括依次連接的加速度傳感器、電荷轉換模塊、濾波模塊、模數轉換模塊和無線發射模塊。
11.根據權利要求7或8所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在於該衝擊信號採集裝置至少包括加速度傳感器和與之連接的衝擊信號採集記錄裝置，該衝擊信號採集記錄裝置記錄加速度傳感器採集的衝擊信號，並將該記錄數據轉送到振動信號處理和分析系統。
12.根據權利要求7所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在于振動信號處理和分析系統至少設有依次連接的數據採集模塊及信號處理和計算模塊。
13.根據權利要求7所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在于振動信號處理和分析系統至少設有依次連接的無線接收模塊、數據採集模塊及信號處理和計算模塊。
14.根據權利要求7所述的包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的系統，其特徵在于振動信號處理和分析系統將衝擊信號換算為衝擊載荷值的處理具體為依據如下公式計算各傳感器所承受的衝擊加速度矢量，獲得被測跌落樣品所承受的實際衝擊載荷的大小和方向；=X2+Y2+Z2]]>=arctg(X2+Y2Z)]]>其中，λ為被測點實際承受的衝擊加速度；α為被測點實際承受的衝擊加速度的相位角；X、Y、Z分別為被測點三維方向各自對應承受的衝擊加速度。
全文摘要
一種包裝及緩衝件優化設計中耐衝擊測試的方法，首先利用衝擊信號採集裝置採集被測跌落樣品在跌落時承受的衝擊信號；然後將獲取的衝擊信號進行處理和計算，獲得衝擊載荷值；一種實現上述方法的系統，包括衝擊信號採集裝置、振動信號處理和分析系統、跌落試驗設備；跌落試驗設備用於放置被測跌落樣品，完成樣品的跌落試驗；衝擊信號採集裝置裝設在被測跌落樣品上，與振動信號處理和分析系統連接，採集並發送衝擊信號；振動信號處理和分析系統接收從衝擊信號採集裝置傳送來的衝擊信號，並把衝擊信號處理和換算為衝擊載荷值；本發明通過測試樣品實際承受的衝擊載荷，為包裝優化設計提供了依據，可合理、有效地使用包裝材料，避免浪費，降低包裝成本。
文檔編號G01N3/303GK1492225SQ0212407
公開日2004年4月28日 申請日期2002年6月18日 優先權日2002年6月18日
發明者鄭自堂, 王軍, 周建, 王超政 申請人:聯想(北京)有限公司