可拆卸式IPX5-6级防水检测系统的研制

郑凯仁，宋瑜清，饶卫航，林叙彬

（广东省农业技术推广中心，广东 广州 510515）

0 引言

近年来，我国农业航空产业发展迅速，其重要组成部分之一的植保无人机由于工作效率高，不受地形、地势限制，可定点悬停精准作业等优势引起了广泛关注，成为如今农业生产的热点[1-3]。然而，植保无人机在农田等户外作业，对外壳的防水性能有着较高的要求，以确保其作业安全和性能稳定，特别是在雨水环境下，植保无人机的飞控系统必须有效防止水或者雾化进入，以避免机器损坏和失控坠落等严重事故的发生[4]。

目前，现有的防水检测设备多数只适用于小型电子产品或元器件的检测，试验空间较小，对试件体积限制较多，检测手段相对落后，水流量一般采取手动控制，自动化程度较低，且难以自动调节。对于植保无人机这样外形尺寸较大的电子设备，现有设备不能提供模拟淋雨的环境，因此亟需开发一种新型的检测系统，用于测试植保无人机的防水性能[5]。该系统应拥有较大的试验空间，具备自动化程度高、水流量可以自动控制且易于自动调节等特点，以满足植保无人机这类大型电子设备的防水性能测试所需。

1 设计要求

根据农业机械推广鉴定大纲DG/T 247-2021《植保无人驾驶航空器》的规定，植保无人机须通过防水试验，防水等级应达到IPX5 以上，并按照国标GB/T 4208 的规定进行测试[6-7]。这是为了防止人体触及外壳内的危险部件、防止固体异物进入设备内以及水进入设备内对设备造成有害影响[8]。

因此，需要设计一种自动化控制和灵活水流量控制的检测系统，以模拟不同的淋雨条件对植保无人机进行测试。该系统能够对植保无人机不同部位进行防水性能测试，并具有高效的数据处理和分析能力，以便对测试结果进行准确的评估和分析。同时，设计的检测设备需要能够检测植保无人机的防水等级IPX5 和IPX6，并符合国标（GB/T 4208）对参数要求，具体见表1。

表1 GB/T 4208-2017规定IPX5、IPX6的试验项目

为了满足设计要求，该试验设备应该符合以下要求：第一，防水箱体应为可拆卸结构、具备良好密封性和合理的排水进水装置，能根据实际需求拆卸和向四周扩展；第二，试验箱体由玻璃墙（可拆卸）和玻璃门（可拆卸）组成，玻璃墙和玻璃门之间采用可拆卸的铆接结构，具有良好密封性和合理的排水进水装置；第三，试验台应具有可调节高度和旋转速度的功能,以保证喷嘴与试件表面之间的距离符合试验要求；第四，喷水试验时，系统应具备最大喷水量的覆盖面，试验用喷头架应能自由移动，可根据需求进行上下、左右位置的灵活调节；第五，该系统的喷嘴应具有大小调节装置，以确保试验用水压满足试验要求。

2 系统概述

可拆卸式IPX5-6 级防水检测系统是一种高效、可靠的检测系统，可以同时进行IPX5 和IPX6 防水等级测试。该系统由控制系统、箱体、喷嘴装置、水流量调整与测量系统和试验台组成，如图1 所示。其中，控制系统负责控制整个检测系统的运行，并显示当前的检测数据，如水流量和喷射角度等。箱体采用可拆卸式设计，包括玻璃墙（可拆卸）、玻璃门（可拆卸）和底部的栅格网，确保系统密封，并可根据需要进行大小的扩展。箱体具有可移动性，便于用户在不同地点进行测试。喷嘴装置是该系统的核心部分，包括一个喷头架和两个内径分别为φ6.3 mm 和φ12.5 mm 的喷嘴。喷射角度和喷头架可根据需要进行机械调节，以实现对试验台上的植保无人机的全方位喷水。水流量调整与测量系统具有水流量调整和测量功能，确保水流量的准确度为流量±5%。试验台用于放置植保无人机，可根据不同的需求进行调节，以适应不同型号和尺寸的植保无人机。

图1 系统基本布置图

2.1 箱体设计

目前，IPX5 和IPX6 的防水等级的箱体通常用于考核电工电子产品在运输或使用过程中可能受到淋水影响的情况。由于电子产品尺寸较小，因此箱体的有效测试空间也有所限制。当前普遍使用的植保无人机外形尺寸相对较大，一般为长2 m，宽2 m，高0.8 m。因此，为了满足实际测试需求，考虑到试验台与喷头的距离需要保持在2.5 m 至3 m 之间，防水箱体的测试空间至少应为长5 m，宽2 m，高0.8 m 的长方体。为了方便测试操作并满足更广泛的测试范围，我们设计的箱体由玻璃墙、玻璃门和底部的不锈钢地板、塑料栅格网组成。为了方便操作，箱体的外形尺寸为长6 m，宽4 m，高3 m（方便人进入），有效容积为72 m³。其中，玻璃门的门洞尺寸为2.4 m×2.2 m（长×高），方便将外形尺寸较大的植保无人机（被测物体）置于箱体内的测试台上。同时考虑可能有更大尺寸的植保无人机测试需求，特意将玻璃墙和玻璃门设计成可拆卸的铆合结构，这样根据实际测试需求，箱体可以被拆卸并进行快速组装，其外形大小可以向上下和左右扩展，以满足未来的测试扩展需要[9]。

2.2 喷嘴装置设计

根据国标的要求，IPX5 和IPX6 的喷嘴喷水口是一个内表面光滑无故障的圆锥体，内径大小分别为φ6.3 mm 和φ12.5 mm 的喷嘴，喷嘴结构如图2 所示。

图2 喷嘴结构图

虽然国标规定了喷嘴产生的水流从机壳（植保无人机）的所有方向喷溅，但该标准并没有对喷嘴装置与试品的喷射角度和方向做出明确的规定[10]。实际上，植保无人机的外壳具有不规则形状，其孔隙和接缝的方向可能是上、下、左、右等任意方向。因此，在测试过程中，喷嘴的喷射角度、方向、距离以及植保无人机外壳测试面的不规则形状会导致产生很大的进水差异，从而影响试验结果[11]。为解决这个问题，需要在箱体内固定喷嘴的位置和方向，并且试验台应该能够根据需求调整转速，以实现对植保无人机（被测物体）所有方向的喷溅。经过不断测试和调整，我们确定了以下方案：在距试验台2.5～3.0 m 的方向设置一个移动喷嘴架的喷嘴装置，该喷嘴架上有2 个喷嘴，分别对应着IPX5 和IPX6的防水等级试验，其内径大小分别为φ6.3 mm 和φ12.5 mm。该喷嘴架可以通过调整架子上的螺栓高度来调整喷嘴的高度，并且可以通过调整喷嘴与喷嘴架的螺丝来调整喷嘴的喷射角度，从而实现了对植保无人机全方位的喷溅要求。

2.3 试验台设计

试验台是根据试验标准的要求进行设计和安装的。试验台位于箱体内，底部设置4 个万向轮，并配备锁死机构，可在箱体内移动并停止，以保证喷嘴与放置在试验台上的被测物体之间的水平距离在2.5～3.0 m 之间。试验台的高度可根据实际需要进行机械升降。转盘直径为1 000 mm，采用不锈钢材质制作。转盘旋转采用PLC 可编程控制器输出，并由电机带动涡轮减速旋转，从而控制旋转速度。转盘的调速输出范围为0～100 rad/min，可在控制柜上根据需要调节转盘的转速，从而实现植保无人机（被测物体）所有方向的喷溅。试验台具有安全性能良好的特点，试验箱体采用优质不锈钢材料制作，结构紧凑，密封性好，能够有效地避免液体和气体泄漏。试验台配备了安全保护装置，包括紧急停止按钮和过载保护装置，可以在紧急情况下迅速停止试验，保障人员和设备的安全。

2.4 试验水输入和排出设计

试验水输入和排出的设计是为了确保试验过程中的水源供应和污水排放，该系统主要由水箱、抽水泵和排水口组成。水箱用于储存试验用水，在试验前，自来水通过进水阀流入水箱中。水箱内设有两个电浮子，一个表示“最高”控制水位，另一个表示“缺水”控制水位。试验过程中，水泵会自动将水从水箱中抽取并送往喷嘴处喷洒，以进行试验。在水箱侧壁靠近箱底部的位置设置有排水口，其倾斜角度确保试验结束后和清洁水箱时能有效地排放污水，保障试验的顺利进行。

2.5 水流量调整与测量系统

水流量调整与测量系统主要由PLC 可编程控制器、水泵电机、流量变送器和变频器等组成。该系统的主要功能是根据试验要求自动调节喷嘴出水的压力，以实现指定的流量速率，从而保证试验结果的准确性。水泵电机是该系统的核心部件，通过PLC 控制系统对水流量传感器进行采集，实时控制算法分析来自通信接口的数据信息，并通过变频器对水泵电机进行控制，从而实现对水流量的控制。变频器是一个可实现对水泵电机转速控制的单元，其跟踪控制器发送控制信号，改变水泵电机的转速，从而控制水流量。

水流量调整与测量系统的主要功能是对进入喷嘴前的水流进行局部分流，并通过调节分流水量的大小，使其达到试验规定的要求。水流量由安装在喷嘴前管道中的流量计来完成测量，并在流量计上显示实测数值。该系统的主要作用是确保试验中的水流量和水压达到规定要求，从而保证试验结果的准确性。

2.6 控制系统设计

控制系统主要采用PLC 控制器进行控制，这是可拆卸式IPX5-6 级防水检测系统的核心，系统的所有输入和输出控制点都接入PLC 中，通过编程来实现各种操作和控制。PLC 控制系统包括CPU 模块、I/O 模块和电源模块等组成部分[12]。同时，为了方便日后的检测系统升级，保留了外部设备端口，例如监控显示设备和通信联网接口等。

PLC 可编程控制器和I/O 接口模块安装在控制柜内，PLC 控制系统的核心是中央处理单元CPU，CPU 从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按照指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。PLC 的对外功能，主要通过各种I/O 接口模块与外界联系[13]。

该系统共有两个I/O 模块：模块1 是输入接口，用于接收各种报警信号；模块2 是输出接口，用于各种控制信号的发送，以实现对水流量的控制、试验台旋转、IPX5 试验喷水、IPX6 试验喷水以及报警等各种功能。同时，如果出现故障等问题，PLC 控制器会启动辅助功能，发出警告或执行应急停机等。

3 测试及结果分析

可拆卸式IPX5-6 级防水检测系统具有以下优点：①高度集成：将IPX5 和IPX6 防水等级试验集成在一个箱体内，大大提高了检测效率和准确性。②可拆卸、可移动：箱体和喷嘴装置均采用可拆卸式设计，方便用户进行维护和清洗。此外，箱体具有可移动性，便于用户在不同地点进行测试。③多功能性：除了用于植保无人机的防水测试外，该系统还可用于其他各种需要防水测试的设备。④可扩展性：箱体可根据需要扩展大小，以适应不同大小的设备测试。这种可扩展性使得该系统能够灵活应对多种设备测试需求，并能够为未来的新型设备提供支持。

该系统已完成对植保无人机的防水性能测试。测试条件包括喷嘴内径、与外壳的最大距离、测试时间等，按照表1 中的要求进行设置。防水性能测试主要考核如下内容：①进行IPX5 防水等级试验时，喷头喷出来的水流量是否在（12.5±0.625）L/min 范围内。②进行IPX6 防水等级试验时，喷头喷出来的水流量是否在（100±0.625）L/min 范围内；在进行IPX5 或IPX6防水等级试验时，采用称重法测量水流量参数；使用计量过的电子天平收集喷头在设定值12.5 L/min（IPX5 防水等级测试）或100 L/min（IPX6 防水等级测试）时喷出的水的容积。测试结果如表2 所示。

表2 防水性能测试 单位：L/min

测试数据显示，进行IPX5 和IPX6 防水等级试验时，喷头喷出的水流量均在（12.5±0.625）L/min和（100±0.625）L/min 范围内，符合试验要求。在不同水流量值下，水流量准确度的测试结果在-2.8%～3.7%之间，满足水流量准确度±5%的要求，符合试验要求。该系统可通过改变不同的水流量值，模拟不同的环境测试条件，对植保无人机或其他中大型设备的外壳各方位不同程度地溅水，以检测其防水能力。

4 结论

本文介绍的可拆卸式IPX5-6 级防水检测系统是一种新型试验设备，其箱体具有较大的有效容积，适用于对大型装备如植保无人机进行试验研究。该系统采用合理的结构设计和先进的技术，各项技术指标均满足试验要求，其玻璃门和玻璃墙壁为独立单元设计，可快速拆卸并扩展尺寸以适应不同测试条件和外形尺寸。该系统的研制成功，为植保无人机的环境适应性和产品可靠性的考核提供了科学的试验手段，有助于提高植保无人机的技术水平和性能表现，为植保无人机的安全和稳定作业提供重要保障。