室外型摄像头的外壳防水检测方法及应用

沈援海，李强，严东升，郎春华

（中移（杭州）信息技术有限公司，杭州 311121）

引言

随着时代的发展和社会的需要,需要安装监控摄像头的地方越来越多，不仅仅是学校、工作场合、商场的内部安装摄像头来监控全局，不仅仅可以记录下发生的情况，还可以保障人的安全。在大街小巷的室外场合,监控摄像头更是大量运用，形成监控网络对室外进行全局监控。而室外摄像头使用寿命和安全性能受沙尘、雨水等外界环境影响，一旦产品进水引起短路，产品容易烧毁造成安全事故和经济损失。所以，为了保证摄像头的安全性和正常使用，消费者对室外型摄像头提出了较高的防水性能要求。本文将针对摄像头的外壳防水等级标准进行浅析，并介绍浸水（压力等效）试验和气密等效试验这两种试验的方法及优缺点，以期为业界提供参考[1]。

1 IPX7防水等级标准解析

目前室外摄像头通常采用国家标准GB/T 4208-2017 《外壳防护等级（IP代码）》中的IPX7的标准。IP是 Ingress Protection的缩写，IP代码表明外壳对人接近危险部件、防止固体异物或水进入的防护等级。其由代码字母IP（国际防护）、第一位特征数字、第二位特征数字、附加字母以及补充字母组成。其中“IPX7”等级要求的含义为防短时间浸水的影响，要求将外壳浸入水中并且外壳底面在水面下至少1 m，外壳顶部至少在水面下15 min，持续30 min后，取出检测产品查看内部进水量，未达到有害程度[2,3]。

2 浸水（压力等效）试验

2.1 试验环境

浸水（压力等效）试验时，推荐环境条件如下：温度：15~35 ℃；相对湿度：25~75 %RH；大气压力：1个标准大气压。

2.2 试验方法

一般的室外型智能摄像头外型尺寸为长×宽×高=250 mm×100 mm×80 mm，其中高度为80 mm。

同时我们通过以下公式（1）得到水下不同位置产生的压力值，然后使用压力浸水试验机模拟等效压力替代大型试验水箱进行试验。

对于水下压力来说，可由以下公式得到产生的压强：

式中：

P—压强，单位为N/㎡；

ρ—液体密度，水的密度为1×10³kg/m³；

g—重力加速度取9.8 N/kg，为方便计算通常取10 N/kg；

h—压点到液面的高度，单位为米（m） 。

由上式可知，水下1 m处的压力约为10 000 N/m2（单位也叫帕），相当于0.1个标准大气压 。

将摄像头产品全部浸入水中且使水刚好漫过产品的顶部，同时通过空气压缩机使压力浸水试验机内部腔体内的空气压强增加相应的气压值，等效使产品底部的水压保持在0.1个标准大气压下，试验持续时间为30 min，试验布置图如如1所示[4]。

2.3 接受条件

试验后，检查试验产品外壳内进水的情况。一般说来，室外型摄像头外壳内部不应进水。如果外壳内部进水，应不能影响设备的正常操作或破坏安全性。

图1 试验布置图

对于外壳有泄水孔的设备，需要确认进水不会聚集在带电部分且能排出，不会对设备造成损害[5]。

3 气密等效试验

3.1 检测原理

气密等效试验是利用气密测试仪通过比较工装腔体内的气压值的试验，其是浸水试验的一种等效测试方法。

详细原理如图2所示：将待测摄像头放入定制的在密闭的工装腔体内，然后输入一定压力一定体积的气体，待工装腔体内压力稳定后，封闭工装腔体，然后经过规定的一段时间后，通过传感器测量腔体内的压力变化。如果前后压力值变化较大，则证明待测产品的外壳的存在漏气点，其气密性差，等效防水性能弱。其检测原理如图2所示[6]。

图2 气密检测原理图

3.2 试验方法

按照气密性检测原理，其检测方法主要分成以下几步：

1）充气阶段：来自空气压缩机提供的压缩空气经调压阀变成测试压力P0，通过控制板打开的电磁阀1和电磁阀 4，将测试压力充到模具与待测试产品间的腔体内。充气设定时间到达后，电磁阀1和电磁阀4关闭。在充气阶段，电磁阀2和电磁阀3始终保持关闭。

2）稳压阶段：当电磁阀4关闭后，充到模具内的压缩空气有一定动荡，这时需要设定一个稳压的时间，以让压缩空气达到平稳状态；在稳压阶段，电磁阀 1234 始终保持关闭。压力传感器一直监测稳定过程的压力。

3）泄露值测试阶段：当稳压的时间达到后，进入产品泄漏测试阶段，在设定的测试时间内，压力传感器一直监测测试过程中的压力，并在显示屏上显示出测试开始前的压力为P1和测试结束后的压力为P2，然后通过 ΔP=P2-P1计算出测试泄露值ΔP。

4）容积气压测试阶段： 泄露值测试阶段结束后通过控制面板打开电磁阀2和电磁阀4，将模具中的压缩空气充到储气罐中，经过设定的时间后，模具内的气体压力于储气罐中的气压达到平衡，这时传感器检测储气罐中的气压,记录为P3。储气罐内体积V1，模具与待测产品之间的间隙以及管路的体积V2，待测产品内部容积V3。待测产品气密性较好时，充气过程中压缩空气不会充到待测产品内部，模具内的容积为 V2，在充气阶段的测试压力为P0，容积测试阶段时气压为P3；产品气密性较差时，充气过程中压缩空气不会充到待测产品内部，模具内的容积为V2+V3，充气气压同样是P0，容积测试阶段是的气压为P3′。气密性较差的待测产品的容积气压P3大于气密性较好的待测产品的容积气压P3。

5）排气阶段：当测试完成后，要排空模具内的压缩空气，所以要设定一个排气的时间，在排气时间内，电磁阀2，电磁阀3和电磁阀4都打开，将装置内压力排空。

在测试的整个过程中，由控制板按需要打开或关闭各电磁阀，由传感器系统记录各阶段的气压值， 由计算系统计算和判断气压值的变化，由显示屏显示测试结果或接收操作者输入的指令[6]。

3.3 试验结果分析

试验后， 通过气密性仪器测试泄漏值ΔP，其在规范范围内，即产品为合格，无泄漏;超过规格范围，即产品不合格，有泄漏，同时当容积气压P3大于设定参数进气上限时，代表产品存在大漏。

3.4 气密标定

使用气密等效试验，需要使用标准样机进行气密标定，确定出气密试验的充气时间、稳压时间、输入气体压力、体积等值。其标定方法如下：

1）气密机校验：使用金机，根据气密系统提供的充气时间和稳压时间，确定规定测试时间内泄露值是否在-10~10 Pa之间，测试压力是否9~11 kpa之间。

2）重复测试13次，如果有任何一次的结果在规定测试时间内（参考装备系统提供的测试时间参数）测试压力或测试泄漏值不满足第1步要求，判定气密系统不合格。

3）准备不同泄漏值的产品，制作方法参考表1。

表1 泄露产品制作方法表

4）先用产品标准机校正气密系统的充压及稳定时间是否合理，如果规定时间内达不到9~11 kpa或泄露值没有在-10~10 Pa之间，证明气密系统存在问题，需要修改；如果满足要求开展下一步。

5）用大漏品验证气密系统，如果气密系统在规定时间内压力值达到了规定的9~11 kPa，证明充气时间存在问题；需要装备调整，如果没有问题开展下一步。

6）对产品标准机的测试时间进行加大（一般为10 s为阶梯，最长测试时间为不超过60 s），确认泄漏值，不同测试时间的泄漏值不能超过10 Pa。

7）用制作的不同泄露等级的样品进行气密测试，记录泄露值，重复测试3次，每次间隔时间不小于30 min（主要是将产品内部充入气体被释放掉，不影响下次测试，每次测试不改变产品状态）。

8）对测试数据进行确认，如果3次测试数据相差10 pa以上，证明气密系统一致性存在问题，需要修改；如没有问题，进行下一步。

9）进行高温负压防水测试（70 ℃2 h以上，确保设备热透，立即取出放到常温水中浸泡15 min以上），找出漏水与不漏水的样品之间的泄漏值上下限。

10）根据不漏水产品的下限泄漏值加上10 pa（或装备给定的仪器误差，但是不能超过10 pa），作为下限。

所以产品在进行气密性试验时，要进场充分的气密标定测试，明确气密性试验中的各参数指标，确保气密试验的质量稳定。

4 两种试验方法的优点和缺点

从试验参加标准、测试介质、试验时间以及数量景等方面分析比较浸水（压力等效）试验和气密等效试验，如表2所示。

表2中所列数据表明，浸水（压力等效）试验和气密等效试验有如下相对优点和缺点。

表2 试验比较表

1）试验标准

浸水（压力等效）试验测试标准明确，其检测方法、试验步骤和试验参数条件简单明了，和试样样机无关，通用性强；而气密等效试验标准缺乏明确的理论依据，其试验过程中充气时间、充气气压值、稳定时间值、测试气压差值等参数数据，都需在气密标定过程根据标准样机不断进行调试修正，不同类型的试验产品其参数值不一样，参数值通用性差。

2）试验成本

浸水（压力等效）试验中一旦样机壳体出现明显渗漏，由于水已经进入壳内，容易造成摄像头内部电路损毁，进而导致整机报废；而气密试验过程中不需要接触水，对于测试不合格的样机，可正常维修，不需要增加额外成本和造成浪费。

3）试验效率

浸水（压力等效）试验一般用时较长，试验对象主要是单件样机或少量样机，试验效率不高，主要为研发阶段试验，不适用于产线大批量产线检测使用。而气密等效试验整体用时较短，可对多台相同产品同时进行检测，试验效率高，其适用于产线批量生产，为批量产品质量检验提供了较好的技术支持和帮助。

所以，对于室外摄像头的防水等级测试，浸水（压力等效）试验和气密等效试验是互相补充，在产品全生命周期中这两种方法都很重要，即浸水（压力等效）试验适用于研发阶段的单件检测场景，气密等效试验适用于量产阶段的大批量快速检验场景。

5 结束语

目前，企业越来越重视摄像头产品的防水质量，其外壳防水能力检测是生产使用过程中比较重要的一个检测环节，企业通过防水检测来检验产品的防水性能，在试验过程中找到问题原因，以提升摄像头产品的整体防护能力。本文对摄像头外壳防护等级（IPX7）标准进行了相关阐述，以及针对摄像头外壳防护等级试验，介绍了浸水（压力等效）试验和气密等效试验的两种试验，同时比较两种试验的优点和缺点，为摄像头研发人员及制造商等提供有力的防水试验选择依据，为智能摄像头产业质量提升提供支持。