鹰眼策略 “一舱模拟全球气候”：综合气候模拟舱如何重塑产品可靠性测试？

综合气候模拟舱是一种能够模拟不同环境条件的设备，主要用于科学研究、工业生产、军事训练等领域的实验和训练。这种设备通过模拟各种气候条件，如温度、湿度、光照、风速等，以及各种环境条件，如高海拔、高压、辐射、噪声等，来模拟被测物在极端天气下的抗灾害和耐久能力。

核心功能

1. 多环境因素耦合模拟

基础环境参数

•温度：范围通常为-70℃~+180℃（部分高端舱体可达±200℃），用于考核材料的热胀冷缩、电子元器件的热稳定性及机械部件的低温脆化/高温软化问题。

•湿度：相对湿度范围一般为10%~98%RH（部分低温段可扩展至5%RH以下），模拟高湿环境（如热带雨林）的凝露腐蚀、霉菌生长，或低湿环境（如沙漠）的材料静电积累问题。

•光照：通过氙灯、荧光灯或LED光源模拟太阳辐射（波长覆盖UV-可见光-红外），测试材料的光老化（如褪色、粉化、龟裂）、涂层耐候性及光伏组件的光电转换效率衰减。

扩展环境参数（按需选配）

展开剩余94%

•气压：模拟高海拔（低气压，如5kPa~101kPa）或太空（超高真空，需搭配真空泵）环境，考核密封性、材料膨胀系数及发动机燃烧效率。

•风雨：通过喷淋系统（模拟降雨）和风道（模拟风速，最高可达100km/h以上），测试户外设备的防水性（如IPX6/IPX9级）、结构抗风能力及雨刮器/排水系统的可靠性。

•沙尘：通过粉尘发生器喷射石英砂、滑石粉等颗粒（粒径0.1μm~1mm），模拟沙漠、戈壁等场景的沙尘侵蚀（如滤网堵塞、电机磨损、密封失效）。

•盐雾：通过压缩空气雾化NaCl溶液（或其他腐蚀性溶液如酸性盐雾），模拟沿海地区或化工环境的电化学腐蚀（如金属镀层锈蚀、电路板短路）。

•臭氧/硫化氢等气体：针对橡胶、塑料等材料的臭氧老化或工业污染环境的硫化腐蚀测试。

快速环境切换

▪8小时内完成从赤道酷暑（70℃）到极地寒潮（-50℃）的切换，温度变化速率达10℃/min。

2. 典型测试目标

•可靠性验证：评估产品在长期复合环境应力下的功能稳定性（如电子设备在高湿高温下是否短路，机械部件在盐雾中是否生锈卡死）。

•耐久性评估：通过加速老化试验（如提高温度/湿度/光照强度缩短测试周期），预测产品在实际使用年限内的性能衰减趋势（如涂层褪色时间、材料断裂强度下降）。

•环境适应性设计优化：通过分析不同参数组合下的失效模式（如高温高湿导致塑料膨胀变形，低温低湿引发静电击穿），指导材料选型（如耐候性塑料替代普通ABS）、结构改进（如加强密封设计）及工艺优化（如表面涂层处理）。

•标准合规性：满足国内外环境试验标准（如IEC、ISO、MIL-STD、GB/T等）的强制要求，助力产品通过军工、汽车、电子等行业的认证（如汽车零部件的GVW、电子产品的IEC 60068）。

关键组成与技术特点

1. 舱体结构设计

•材质与保温：内胆通常采用304/316不锈钢（耐腐蚀、易清洁），外层为碳钢或镀锌钢板，中间填充聚氨酯发泡或超细玻璃棉（保温层厚度≥150mm），确保温度/湿度均匀性并降低能耗。

•容积与布局：根据测试对象尺寸定制（小型舱体0.5m³~2m³，大型舱体10m³以上，可容纳整车、大型机械设备或整机无人机），内部设置样品架、旋转平台或移动导轨（便于多角度暴露测试）。

•观察窗与照明：配备多层耐高温防爆玻璃观察窗（带照明系统），方便实时观察舱内试验状态；部分舱体集成高速摄像机，用于记录材料变形、裂纹扩展等动态过程。

2. 环境参数控制系统

•温度控制：采用复叠式压缩机制冷（低温段）+ 电加热管/红外辐射加热（高温段），配合PID算法实现±0.5℃~±1℃的精准控温；升降温速率可达3℃/min~10℃/min（快速温变试验需求）。

•湿度控制：通过蒸汽加湿（高温高湿）或去湿机（低温低湿）调节，结合露点温度传感器实时反馈，确保10%~98%RH范围内的稳定性（低温段≤5℃时可实现低至1%RH的极干燥环境）。

•光照模拟：主流采用氙灯（全光谱，接近太阳光）或LED光源（特定波段，如UV-A 340nm模拟紫外线老化），配备滤光片过滤红外热辐射（避免温度干扰），光照强度范围100W/m²~1200W/m²（可调），支持连续照射或循环闪烁模式。

•气压控制：通过真空泵或空气压缩机调节舱内压力（精度±1kPa），模拟海拔0~10000米的高空环境（如航空电子设备在低气压下的绝缘性能测试）。

•风雨/沙尘/盐雾模块：

- 风雨系统：高压喷淋头（模拟降雨强度0~200mm/h）+ 可调速风机（风速0~100km/h），支持垂直/倾斜角度降雨测试；

- 沙尘系统：粉尘发生器（如TSI 8040）+ 气流循环管道，控制沙尘浓度（如MIL-STD-810G标准的10g/m³~100g/m³）和粒径分布；

- 盐雾系统：压缩空气雾化盐溶液（浓度5%~20% NaCl），喷嘴布局均匀，盐雾沉降量1~2ml/80cm²·h（符合ASTM B117标准）。

综合气候模拟舱的设备组成

1. 主试验舱体

•功能：提供密闭空间，容纳被测设备（如无人机、整车、电子设备）。

•结构特点：

•双层保温设计，外壁为钢板喷塑，内壁为SUS304不锈钢；

•中间填充高密度聚氨酯发泡材料，保温性能优异；

•配备观察窗（双层防霜玻璃）、照明系统、样品架或安装平台。

2. 温度控制系统

•制冷系统：

•采用复叠式压缩机制冷，可实现 -70°C 甚至 -80°C 的低温；

•配备高效蒸发器、冷凝器，支持风冷或水冷方式。

•加热系统：

•使用镍铬合金电加热管，实现快速升温（最高可达 +100°C 或 +150°C）；

•加热功率可根据负载自动调节。

3. 湿度控制系统（可选）

•加湿系统：

•蒸汽加湿或超声波加湿，实现 20%～98% RH 的湿度范围；

•除湿系统：

•利用制冷系统冷凝除湿，确保高湿环境下的稳定控制；

•应用：模拟雨林、沿海高湿、结露等环境。

4. 低气压系统（高空模拟）

•核心设备：

•真空泵组（旋片泵、罗茨泵、分子泵等）；

•压力控制器和压力传感器；

•功能：

•模拟海拔高度（如0～30,000米）；

•实现气压调节（标准大气压至几kPa）；

•应用：无人机、飞机部件、高原车辆的高空环境测试。

5. 太阳辐射/光照模拟系统（可选）

•设备：

•氙灯或金属卤素灯阵列，模拟太阳光谱（280–2500 nm）；

•辐照强度可调（如 600–1200 W/m²）；

•配备自动跟踪系统，模拟日升日落角度变化；

•应用：测试材料老化、太阳能电池性能、红外传感器响应等。

6. 风速与空气循环系统

•设备：

•高速风机、变频调速装置；

•导流板、均流网；

•功能：

•在舱内形成可控风速（0–20 m/s），模拟自然风或飞行相对气流；

•提高温度/湿度均匀性，避免局部过热或冷区。

7. 控制系统与软件平台

•核心：PLC + 工业计算机 + 触摸屏人机界面；

•功能：

•可编程设置温度、湿度、气压、辐射、风速等多参数曲线；

•支持程序循环、斜率控制、阶段保持；

•实时显示数据曲线，支持远程监控与数据导出；

•可集成自动化测试脚本，实现无人值守运行。

8. 数据采集与监控系统

•设备：

•多通道温度、湿度、压力、电压、电流传感器；

•数据记录仪（如Agilent、NI等品牌）；

•视频监控摄像头（防爆型，带夜视功能）；

•功能：

•实时采集被测设备的运行状态（如电池电压、电机转速、飞控信号）；

•支持CAN、RS485、Ethernet等通信接口接入。

9. 穿线与接口模块

•电气穿线孔：

•在舱壁设置多个密封穿线孔（Φ10mm～Φ50mm），用于电源线、信号线接入；

•配备硅胶密封塞，防止温湿度泄漏；

•气路/水路接口（可选）：

•用于连接冷却液、压缩空气等外部介质。

10. 安全防护系统

•烟雾/火焰探测器：用于锂电池热失控预警；

•自动灭火系统：如七氟丙烷、气溶胶或水喷淋系统；

•超温、超压、过流保护：多重硬件保护机制；

•紧急停机按钮：舱外设置急停开关，可立即断电；

•防爆泄压口：防止内部压力过高引发爆炸。

11. 辅助系统

•排气系统：试验后快速换气，排除有害气体；

•排水系统：用于除霜排水或湿热试验冷凝水排放；

•声学处理（可选）：降噪设计，适用于低噪声测试需求。

选型关键要素

1.测试需求匹配：明确需模拟的环境参数组合（如仅需温湿度+光照，或需叠加沙尘/盐雾），根据产品实际使用场景确定参数范围（如汽车零部件需覆盖-40℃~+120℃、10%~95%RH）。

2.舱体尺寸与负载能力：根据被测对象尺寸（如整机无人机、汽车整车）选择容积，确保内部空间充足且支持样品固定（如振动台集成、旋转平台）。

3.控制精度与均匀性：关键参数（如温度±0.5℃、湿度±2%RH）的稳定性直接影响测试结果可靠性，尤其对于精密电子器件或材料老化试验。

4.扩展性与模块化：优先选择支持后期升级（如加装风雨模块、气压控制）的舱体设计，降低长期使用成本。

5.合规性标准：确认设备是否符合目标行业或国际标准（如ISO 16750汽车电子、IEC 60068通用环境试验、MIL-STD-810G军工标准）。

综合气候模拟舱的建设步骤

1. 明确测试需求与技术指标

•模拟哪些环境因素？如：高温、低温、湿热、低气压（高空）、太阳辐射、雨淋、结冰、沙尘等；

•是否需要多环境耦合？例如“低温+低气压”模拟高原飞行，“高温+太阳辐射”模拟沙漠暴晒；

•测试对象是什么？如无人机、发动机、电子设备、电池包等，确定其尺寸、重量、功耗；

•温度范围（如-70°C ~ +150°C）、压力范围（如10 kPa ~ 101.3 kPa）、湿度范围（10%~98% RH）等关键参数；

•是否需要在舱内通电运行或动态测试（如电机旋转、飞行悬吊）。

此阶段需与研发、测试、质量部门充分沟通，形成《技术需求书》（TRS）。

2. 制定总体技术方案

基于需求，由专业供应商或设计院制定系统级技术方案，内容包括：

•舱体结构设计（单舱或多区组合）；

•各环境子系统配置（制冷、加热、加湿、除湿、真空泵、辐照灯阵、喷淋系统等）；

•控制系统架构（PLC+SCADA或工业计算机）；

•数据采集与监控接口（支持CAN、RS485、Ethernet等）；

•安全防护等级（防爆、烟雾报警、自动灭火、紧急泄压）；

•预留扩展性（如未来增加振动台或EMC测试功能）。

方案需通过专家评审，确保技术可行性和经济合理性。

3. 选址与基础设施准备

选择合适的安装场地至关重要：

•地面承重能力必须满足设备总重量（大型舱体可达数吨）；

•提供稳定三相电源（380V/50Hz），功率根据制冷与加热负荷计算（可能达数百kW）；

•配备冷却水系统或风冷冷凝器散热空间；

•设置排水沟或集水坑，用于排放冷凝水或喷淋试验废水；

•预留穿线管、气体管道、压缩空气接口等；

•远离强电磁干扰源和振动源，确保测量精度。

4. 设备定制与采购

综合气候模拟舱多为非标定制产品，需选择具备资质和经验的供应商进行定制生产：

•核心设备如环境舱体、复叠式制冷机组、真空系统、氙灯太阳辐射系统等需专项采购；

•要求供应商提供详细设计图纸、材料清单、控制系统逻辑图；

•关键部件（如压缩机、控制器、传感器）应选用国际知名品牌；

•签订合同明确交货周期、安装调试责任、培训与售后服务条款。

5. 现场安装与机械集成

设备到货后进入现场安装阶段：

•舱体分段运输至现场，进行拼接、密封与保温处理；

•安装制冷管道、加热元件、加湿器、风扇循环系统；

•布置太阳辐射灯阵、喷淋喷头、沙尘发生装置等辅助设备；

•安装穿线孔、观察窗、照明、安全门锁等附属设施；

•连接外部设备（如真空泵、冷却塔、气源）。

此阶段需严格按照施工图纸执行，确保结构强度与密封性。

6. 电气与控制系统集成

这是实现“智能化”的关键环节：

•布设强电与弱电线缆，避免干扰；

•安装PLC控制器、温湿度传感器、压力变送器、数据采集模块；

•集成人机界面（HMI）触摸屏，实现本地操作；

•开发上位机软件，支持远程监控、程序设定、数据存储与报表生成；

•实现多环境联动控制，如“温度变化→压力调节→光照启动”自动序列。

7. 安全系统部署

针对极端环境和潜在风险，必须构建完善的安全体系：

•安装烟雾探测器、可燃气体报警器（用于锂电池测试）；

•配置自动灭火系统（如七氟丙烷或细水雾）；

•设置紧急停机按钮、超温/超压保护、断电自锁；

•对于低气压舱，必须配备快速复压系统和泄压阀，防止舱体变形；

•所有安全联锁逻辑需经过测试验证。

8. 系统联调与性能验证

所有子系统安装完成后进行整体调试：

•空载测试：验证温度、湿度、压力、光照等单一环境参数是否达标；

•负载测试：放入模拟负载或真实样品，测试系统带载能力；

•多环境耦合测试：执行“高温+低气压+太阳辐射”等复合工况，验证协同控制精度；

•进行温度均匀性、波动度、恢复时间等校准测试；

•使用第三方计量设备（如标准温湿度探头）进行比对验证。

9. 操作培训与SOP制定

系统投入使用前，需对操作人员进行全面培训：

•培训内容包括日常操作、程序设置、故障排查、应急处理；

•制定标准操作规程（SOP）、维护保养计划、安全手册；

•建立测试记录模板和报告格式，确保可追溯性。

10. 正式运行与持续维护

系统验收合格后正式投入使用：

•开展实际产品测试，积累环境适应性数据；

•定期进行预防性维护（如清洁冷凝器、检查制冷剂、更换密封件）；

•每年委托第三方机构进行一次全面校准（符合ISO/IEC 17025要求）；

•根据使用反馈优化测试流程，必要时进行系统升级。

综合气候模拟舱的价格因品牌、型号、配置以及市场供需等多种因素而异，因此具体的价格需要根据用户的实际需求和预算来确定。在选择购买时，除了价格因素外，还应考虑设备的性能、稳定性、可靠性以及售后服务等因素。

北京易盛泰和可以根据用户需求研发综合气候模拟舱，该舱也称多环境复合试验舱，是一种能够同时或交替模拟多种自然环境条件的高端环境试验系统，广泛应用于航空航天、军工、新能源汽车、无人机、轨道交通等领域。它不仅能模拟单一环境（如高温、低温），更能实现多环境耦合，真实还原产品在复杂自然环境下的运行工况。

关于易盛：

北京易盛泰和科技有限公司，是一家致力于环境模拟实验室设计、研发和建造的高新技术企业。项目遍布全国各大军工院所、各重点科研行业，与南航建立了产学研基地、与北航建立了紧密的合作机制，为多家科研院所设计和建造了各类环境模拟试验室，易盛泰和以环境模拟行业多领域应用的专业性综合实力，确立了在国内环境模拟行业的领先地位。

发布于：陕西省

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