古安泰工業內窺鏡的靜電問題解析

391

2020.10.20

工業內窺鏡檢測是無損檢測中目視檢測的一種，可在不需拆卸或破壞結構的情況下，對發動機、管道等各種零部件或總成件內部實施檢測，被廣泛應用于航空、汽車、船舶、電氣、化學、電力、醫療、建筑等現代工業領域。

工業內窺鏡作為一種電子產品，在生產、組裝、測試、存放、搬運等過程中，都有可能產生靜電并累積在人體、設備或元件中。與帶靜電物體接觸形成放電路徑，可能會瞬間損壞電子元件或系統，如同云層中儲存的電荷，可瞬間產生劇烈閃電而造成巨大破壞。靜電給電子產品帶來的危害主要有以下三點：

1、靜電吸附灰塵，降低元器件的絕緣電阻(縮短壽命)。

2、靜電釋放(ESD)破壞，造成電子元件不能工作。有些電子元器件也能承受靜電破壞的靜電電壓，但大部分器件的靜電破壞電壓都在幾百至幾千伏，而在干燥的環境中人活動所產生的靜電可達幾千伏到幾萬伏，此時電子元器件就無法承受了。

3、靜電放電產生的電磁場幅度很大(達幾百伏／米)，頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆)，對電子產品造成干擾甚至損壞(電磁干擾)。

那么如何防止靜電放電損傷呢？我們可以改變壞境從源頭減少靜電(比如減少摩擦、少穿羊毛類毛衣、控制空氣溫濕度等)，但這不是我們今天討論的重點。

如何保證設備不受靜電干擾與影響，在產品的設計與PCB Layout中采用合理有效的保護電路及防范措施，實現電路自我保護以避免被靜電損壞？

我們現在討論古安泰工程師在產品設計過程中，針對工業內窺鏡的特點以及使用環境，為提高產品靜電防護能力，都采取了哪些措施，這里以古安泰ME+產品為例，為大家闡述一下。

一、前端探頭部分靜電的防護與處理

工業內窺鏡往往需要在高溫、高濕、高輻射等較為惡劣的環境中工作，甚至會有數十千伏的靜電存在。前端探頭部分包含光學鏡頭系統，圖像傳感器，及圖像處理系統。光學鏡頭部分負責拾取并處理圖像，是整個產品的核心部件之一。而鏡頭部分的圖像傳感器，以及圖像處理電路是對靜電極其敏感的器件，如設計不合理，勢必導致圖像斷續、死機，甚至圖像傳感器及其他電路完全損壞等。

古安泰工業內窺鏡的探頭最小直徑僅1.8mm，其內部結構復雜精密，內部示意圖如圖一, 要在如此狹小的空間內實現靜電防護，我們根據探頭的特點做了以下處理：

圖一

1，探頭外部采用高強度耐磨金屬管套，將外界的電荷導入參考地平面，避免靜電釋放到內部電子元器件，有效保護光學鏡頭以及CMOS傳感器及其他電路。

2，將前端探頭的金屬管套頂部稍微凸出光學鏡頭0.1mm，使得靜電的釋放首先通過金屬管釋放，而不會通過鏡片釋放到內部的電子元器件。

3，前端探頭的CMOS圖像傳感器及圖像處理系統的電路設計中加入防靜電電路，通過內置TVS瞬態抑制二極管保護電子元器件的安全。

4，內部PCB的設計，在有限空間內盡可能用參考地包裹所有的線路與電子元器件，使空氣中的電荷不會釋放到內部線路，盡可能加大參考地的面積，使電荷釋放的路徑阻抗可能小。

內部電路處理與PCB請參考圖二，

圖二

二、信號傳輸部分靜電的防護與處理

管線是工業內窺鏡的重要組成部分，主要功能是信號傳輸，將探頭拾取的圖像信號傳輸到主機。古安泰工業內窺鏡采用高強度四層鎢合金絲耐磨編織管，具有耐磨，抗腐蝕，柔韌性好等特點，管徑有1.8mm~8mm多種規格，長度從1m~10m不等。

前端探頭部分輸出的信號根據不同產品，主要有AV信號，高速USB信號，以及MIPI信號等，由于管線細，傳輸距離遠，信號的傳輸同樣受到靜電的干擾非常大，當傳輸AV信號時，靜電的干擾會照成圖像出現噪點等現象，特別是當為數字信號（高速USB或MIPI信號），靜電會造成圖像出現馬賽克，掉幀，甚至死機等現象。所以信號傳輸部分對靜電的處理尤為重要，主要從以下幾點入手:

1. 信號線的要求

對于AV信號，首先信號線做75歐姆的同軸阻抗匹配，使AV信號在傳輸過程中盡可能降低損耗，提高抗干擾能力，然后將AV同軸信號線連同電源以及光源驅動等其他信號線纏繞，最后加編織屏蔽網，更好的屏蔽外界的干擾，有效阻止靜電的侵入。

對于高速USB信號，同樣首先將USB信號線做90歐姆差分阻抗，同樣使信號在傳輸過程中盡可能降低損耗，提高抗干擾能力，其余參考AV信號線做法。

對于使用到的MIPI信號，情況更為特別，相對于其他信號線這里需要特別注意兩點，第一，同樣有1組或多組100歐姆的差分阻抗線，參考USB線的做法；第二，其中還有一組高速時鐘線也需要單獨屏蔽。這里以MIPI信號線的示意圖為參考，如圖三。