УДК 519.879.5
Затылкин А.В., Таньков Г.В. , Бобров А.А.
ПГУ
ИНДУКЦИОННЫЙ ВИБРОМЕТР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОГО И МОДАЛЬНОГО АНАЛИЗА КОНСТРУКЦИЙ РЭС
Аннотация. Предложена конструкция датчика сейсмического типа, отличающаяся от известных тем, что не вносит излишнюю массу в исследуемую систему, позволяя повысить достоверность измеряемой величины (виброускорение). Разработана схема электрическая принципиальная виброметра, работоспособность которой была отлажена в среде имитационного моделирования ISIS Professional
7. В основе схемы лежит современный микроконтроллер ATmega8. Разработана конструкция устройства. Предложенное решение было доведено до практической реализации.
Ключевые слова: вибрация, стойкость, испытания, конструкция, внешние воздействия, отказ.
Конструкции современных радиоэлектронных средств (РЭС), устанавливаемых на подвижных носителях, работают в условиях сложных внешних воздействий. По статистике из-за механических воздействий происходит до половины всех отказов в бортовых РЭС [1,2]. Таким образом, тема предлагаемой на конкурс работы является актуальной.
Наряду с теоретическими методами актуальным является разработка технических средств, позволяющих повысить эффективность диагностики РЭС на устойчивость к воздействию вибраций. Был проведен анализ современных виброметров. Большинство из них имеют большую массу измерительного элемента, что приводит к искажению исследований. Другие виброметры зарубежных производителей имеют высокую стоимость и тем самым малую распространенность. Поэтому была разработана модель индукционного виброметра, не вносящего излишнюю массу в исследуемую систему, что позволяет повысить эффективность диагностики РЭС.
Работа имеет практическую и теоретическую направленность. Она может быть полезна при оценке динамических характеристик (собственных форм и частот) элементов конструкций РЭС.
Изделия современной радиоэлектронной промышленности относятся к сложным наукоемким изделиям, к которым предъявляются высокие требования по физическим и эстетическим показателям, закладываемые на этапах жизненного цикла. Соблюдение этих показателей на протяжении этапа эксплуатации невозможно без всестороннего исследования моделей проектируемых изделий [3].
Научные проблемы, связанные с проведением анализа сложных технических систем, отражены в работах А.И.Дивеева, Ю. Н.Кофанова, Е.Н.Маквецова, И.П.Норенкова, Д.А.Поспелова, Н.А.Северцева, И.Такахары, С.У.Увайсова, П.Уинстона и других отечественных и зарубежных ученых.
Развитие современных средств исследования математических моделей радиоэлектронных средств (РЭС), технологий быстрого прототипирования физических моделей создало необходимые предпосылки для проведения анализа разрабатываемых устройств опытно-теоретическим методом, позволяющим внести уточнения в проектное решение за счет исследования как математических, так и физических моделей, которое осуществляется как программными, так и аппаратными средствами.
Зачастую производители ограничиваются контролем работоспособности (т.е. проверкой соответствия основных выходных характеристик) РЭС, при этом возможен пропуск в эксплуатацию заведомо неисправных, потенциально ненадежных устройств.
Это связано с тем, что возможны неисправности бортовых радиотехнических устройств из-за дефектов в виде выхода значений внутренних (например, электрических или конструктивных) параметров РЭС за допустимые границы. Подобного рода дефекты в начальный момент эксплуатации устройств могут не сказаться на его основных выходных характеристиках вследствие их взаимной компенсации, однако электрические, температурные и механические режимы работы элементов радиотехнических устройств будут нарушены, вследствие чего возрастет их интенсивность отказов. Такие отклонения внутренних параметров РЭС называют скрытыми дефектами и, как правило, требуют разработки специальных методов их диагностирования, так как традиционными методами не выявляются [4].
Таким образом, актуальной является задача разработки диагностических средств позволяющих выявить скрытые дефекты РЭС, на этапах их разработки, производства и эксплуатации.
Для получения информации о воздействии вибрации в процессе испытаний используют виброизмерительные преобразователи, размещаемые в двух или более специфических точках. Измерительная точка располагается на поверхности объекта испытания.
Вибрацию можно охарактеризовать перемещением, скоростью или ускорением в определённых точках колеблющейся конструкции. Существует три основных типа сейсмических датчиков: сейсмометр,
датчик вибрационной скорости, акселерометр. Акселерометр часто является наиболее подходящим датчиком для измерений вибраций и ударов по ряду причин. Измерение ускорения всегда позволяет определить скорость и перемещение путем одно- или двухкратного интегрирования, тогда как обратная операция нежелательна из-за уменьшения отношения сигнал/шум, присущего дифференцирующим устройствам. Кроме того, датчики ускорения являются измерительными приборами, которые осуществляют абсолютные измерения и не требуют какой-либо точки отсчета. Напротив, датчики перемещения измеряют перемещение какого-либо подвижного элемента объекта относительно этого объекта, который может двигаться или быть неподвижным.
В предлагаемой работе применяются индукционные вибропреобразователи прямого действия, предназначенные для измерения скорости вибросилового воздействия линейных и угловых перемещений. Выходной сигнал вибропреобразователя может быть проинтегрирован или продифференцирован во времени с помощью электрических интегрирующих или дифференцирующих устройств. После этих преобразований сигнал становится пропорциональным соответственно перемещению или ускорению [5].
Конструкцию индукционного вибропреобразователя можно разделить на магнитную и подвижную системы. Магнитная система состоит из постоянного магнита и магнитопровода с воздушным зазором. Подвижная система состоит из катушки медного провода намотанной на бумажном каркасе, подвесов подвижной системы, стержневого толкателя для приёма виброскорости.
Отличительной особенностью данного вибродатчика является внешнее закрепление по отношению к объекту исследования (ОИ), способствующее снижению влияния массы и упругости подвижной системы на точность измерения. Вибродатчик входит в точечный контакт с объектом исследования посредством стержневых толкателей, осуществляющих необходимое нажатие на поверхность. Амплитуда сил вибровоздействия для систем с малыми потерями в несколько раз меньше инерционных сил, поэтому они в расчете необходимой силы прижатия толкателя не являются определяющими.
1
Таким образом, взаимодействие ОИ с внешней средой осуществляется лишь статическими силами и силами инфранизких частот, обеспечивающими пространственную стабилизацию положения системы. Для сил частот исследуемого диапазона система оказывается виброизолированной, что обеспечивается наличием во всех взаимодействующих с системой устройствах упругого промежуточного звена с малой жесткостью, практически полностью отражающего колебания.
Опытным путём установлено, что напряжение снимаемое с катушки вибродатчика при номинальных перемещениях не превышает 1 мВ [6]. Для аналогово-цифрового преобразования необходим сигнал напряжением от 100мВ до 1В. Для усиления сигнала до необходимого уровня предназначен данный усилитель структурная схема которого изображенный на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема устройства
Вибродатчик (рис. 2) состоит из неподвижной и подвижной системы соединенных с помощью крепежных элементов (12,13,14). Неподвижная система состоит из кожуха (10) с крышкой (11), в котором размещены один постоянный магнит (2) и магнитопровод (3) с воздушными зазорами. Подвижная система состоит из измерительной катушки (4) медного провода намотанной на бумажный каркас (5), мембран подвижной системы (6), чувствительного элемента (1) для приема вибрационного воздействия .
Вибродатчик внешне закреплен по отношению к объекту исследования, что способствует снижению влияния массы и упругости подвижной системы на точность измерения.
Применяемый вибродатчик предназначен для измерения скорости вибросилового воздействия линейных и угловых перемещений.
Схема электрическая принципиальная разработанного устройства показана на рисунке 3. Усилитель состоит из двух каскадов - дифференциального и неинвертирующего усилителя.
Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Дифференциальный усилитель широко применяется для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах, когда от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, и во многих случаях также большое входное сопротивление.
' п
-=ь
R8
-=Ь
jpFp
FO01RXO) пост FO2(NT0) FD3NF РЛ(ХО/Щ FF5C1 FO5(AN0 FO (АН) CPU Atmegad (ADS)F0 (OF PC (AF2F2 (AC3 PC (AOi/SOAFi (AOC/5SL)F5 RST F6
F0SP
FBtCCA)
P2SS/SB)
FFBCTS/C ARF :
FB4IMSO) a vs :
F5SCK) Vc:
F6(XTALFTTSF) GO
foxtail/uss UNO
Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная
R3
R7
R2
m2
UU2
UU3
2
3
5
10
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
ZQ1
0
3
С2
2
Разработанная схема была отлажена в среде имитационного моделирования ISIS Professional 7.
Разработанное устройство построено на базе микроконтроллера ATmega8. ATmega8 - маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega8 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия [7].
Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами.
Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе.
Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разрядного RISC ЦПУ с внутрисистемной самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме Atmega8 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.
К выводам порта D подключен буквенно-цифровой индикатор на две строки по 16 символов на базе контроллера HD44780. Контроллер HD44780 фирмы Hitachi фактически является промышленным стандартом и широко применяется при производстве алфавитно-цифровых ЖКИ-модулей. Аналоги этого контроллера или совместимые с ним по интерфейсу и командному языку микросхемы, выпускают множество фирм, среди которых: Epson, Toshiba, Sanyo, Samsung, Philips. Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Эти модули можно встретить в самых разнообразных устройствах: измерительных приборах, медицинском оборудовании, промышленнном и технологическом оборудовании, офисной технике - принтерах, телефонах, факсимильных и копировальных аппаратах.
Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении. Возможность оснащения ЖКИ-модулей задней подсветкой позволяет эксплуатировать их в условиях с пониженной или нулевой освещенностью, а исполнение с расширенным диапазоном температур (-20°С...+70°С) в сложных эксплуатационных условиях, в том числе в переносной, полевой и даже, иногда, в бортовой аппаратуре.
Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая 8 линий данных DB0...DB7, линию выбора операции R/W, линию выбора регистра RS и линию стробирования/синхронизации Е. Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания 5 В - GND и Vcc.
Для снижения помех вместо классического линейного источника питания использованы 2 аккумуляторных батареи типа Крона напряжением 9В. Существуют аккумуляторы данного форм-фактора иностранного производства. Они имеют чуть меньшую толщину корпуса. При рабочем расчётном напряжении в 8,4 В, свежезаряженными они могут короткое время давать 11,5 В и выше, что обусловлено особенностями составляющих их Ni-MH аккумуляторных элементов. Использование двуполярного источника питания с абсолютным отсутствием пульсаций позволили значительно расширить динамический диапазон за счет снижения помех удвоенной частоты сети.
Модель индукционного виброметра представляет собой блок конструкцию типа «коробка с крышкой», внутри которой установлена печатная плата с РЭ, а так же буквенно-цифровой индикатор, разъемы для соединения кабелем с измерительным элементом и элемент управления (рис. 4). Основным несущим элементом конструкции является корпус. Плата закреплена к основанию корпуса с помощью четырех винтов М3-6дх6.109.30ХГСА по ГОСТ 11644-75.
Блок представляет собой конструкцию типа «коробка с крышкой», внутри которой размещена печатная плата с ЭРИ, и разъемом.
Корпус блока имеет форму коробки, выполнен методом горячего прессования. На передней панели устройства расположены: гнездо питания 12В, гнездо выходного напряжения, кнопка включения прибора, штекер TRS 3.5 Jack, разъем для подключения к стенду. По бокам корпуса предусмотрены выступы для винтов, крепящих крышку к корпусу.
3
Рисунок 4 - Модель индукционного виброметра с измерительными элементами
Крышка представляет собой пластину, изготовленную из стали. Крышка крепится к корпусу 6 винтами.
Отвод тепла от радиоэлементов, производится с помощью радиатора, что является вполне достаточным для обеспечения номинального теплового режима.
Крышка и корпус изготавливаются из светло-серой стали 10КП.
Данная марка стали является легким, прочным и сравнительно недорогими материалом, что, в свою очередь, обеспечивает выполнение пунктов технического задания относительно массы, надежности и стоимости конструкции.
Целесообразность применения именно этих материалов диктуется техническими соображениями, сокращает капиталовложения.
Экономичность выражается в уменьшении себестоимости, затрат на материалы и трудоемкости.
Плата изготавливается из фольгированного стеклотекстолита СФ1-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78, используется комбинированный позитивный метод. Комбинированный метод изготовления печатных плат является наиболее распространенным и представляет собой комбинацию технологических приемов травления фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Он имеет две разновидности: позитивный вариант, негативный вариант.
При позитивном методе экспонирование рисунка схемы производится сверление и металлизация отверстий. Затем рисунок схемы и металлический слой в отверстиях защищаются слоем гальванического серебра или другого металла, стойкого к травлению для меди, после чего производится травление незащищенной меди. Пайка осуществляется припоем ПОС-61 ГОСТ 21930-76. Электромонтаж внутри блока выполняется проводом МЛТП-0,24 ТУ16.505.185-71. , МС - 0,24 ТУ16.505.185-71.
Важное место в разработке РЭС занимает вопрос управления исследованиями моделей разрабатываемых изделий [7]. Особенно эффективно, в условиях единичного производства, применение опытно-теоретического метода [12, 15].
При изготовлении РЭС неизбежно появление технологических дефектов, которые подразделяются на явные и скрытые (латентные). Явные дефекты приводят к немедленному отказу оборудования. Скрытые латентные дефекты к немедленному отказу не приводят, но снижают надежность и качество оборудования. Они могут привести к отказу оборудования на этапах ввода в эксплуатацию, и что еще хуже, в ходе эксплуатации оборудования. Именно поэтому на этапах производства является актуальным применение оригинальных методов обнаружения и локализации латентных технологических дефектов методами неразрушающего визуального (оптического) контроля и диагностики [16-18].
Для обеспечения надежной работы РЭС необходимо обеспечить надежную работу входящих в них простых элементов, это зависит от умения оценивать ожидаемое воздействие внешней среды [1921].
Проводное соединение между катушкой вибродатчика и входным дифференциальным каскадом витой парой заключенной в экранирующую оплётку. Витая пара — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Со стороны усилителя оплетка распаивается на общий контакт разъема типа Jack, соединенный с корпусом и средним выводом аккумуляторов. Со стороны вибродатчика оплётка распаивается на лепесток механически и электрически связанный с корпусом. Использование дифференциального каскада с таким соединением позволяет значительно снизить наводки на соединительный кабель.
Проводное соединение выходной цепи тоже выполнено на разъёме типа Jack, но не витой парой а обычным экранированным проводом.
Разработанное устройство применяется для исследования конструкций и элементов РЭС, так же для модального анализа и снятия амплитудно-частотных характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева и др. Под общ.ред. В.А. Шахнова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.
2. Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств. Учебник / Юрков Н.К. - Пенза: Изд-во
Пенз. гос. ун-та, 2010. - 717 с.
3. ГОСТ 30630.1.1-99 Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Определение динамических характеристик конструкции.
4
4. Затылкин, А. В. Внешние механические воздействия как источник возникновения дефектов/ А. В. Затылкин, В. С. Юдин, Д. А. Голушко, // Испытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в рамках Всерос. науч. школы «Методики, техника и аппаратура внешних испытаний» / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. - Пенза :Изд-во ПГУ, 2011. - С. 30-31.
5. Рындин Д.А. Система генерации тестового сигнала для исследования динамических характери-
стик элементов конструкций РЭС / Рындин Д.А., Таньков Г.В., Затылкин А.В. // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. Н. К. Юркова. -
Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Вып. 17. - 290 с.
6. Затылкин, А.В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе
проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии: научно-технический журнал - Астрахань: Издательский дом «Астраханский
университет», 2012. - № 1(17). - С. 138-142.
7. Яценков В. С. Микроконтроллеры Microchip с аппаратной поддержкой USB. / Яценков В. С. -М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 400 с.
8. Затылкин, А.В. Метод связанных систем в моделировании процесса обучения /
A. В. Затылкин, В. Б. Алмаметов, И. И. Кочегаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. № 4 (9). - С. 56-61.
9. Затылкин, А.В. Инновации в образовательных учреждениях и интерактивные программы обучения / А.В. Затылкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - С. 340-344.
10. Затылкин, А.В. Система адаптивного тестирования на основе нечеткого логического вывода / А.В. Затылкин // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 2 / под ред. Н. К. Юркова. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - С. 133-135.
11. Архитектура ИКОС с внешним объектом изучения / А.В. Затылкин, Н.К. Юрков, И.Д. Граб,
B. Б.Алмаметов, В.А.Трусов // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1./
Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008, с. 211-213.
12. Лысенко, А.В. Структура и программно-информационное обеспечение информационноизмерительного лабораторного комплекса / А.В. Лысенко, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130. № 5. С. 169-173.
13. Лысенко, А.В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385-391.
14. Затылкин, А. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н.К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. № 5. - С. 94-99.
15. Затылкин, А.В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В. Затылкин, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та,
2012. - С. 365-366.
16. Држевецкий А.Л., Григорьев А.В. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов. — «Метрология» (прил. к ж. «Измерительная техника»), 1995,
вып. 4, C. 11-18.
17. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Граб И.Д. Уровни предпочтений в системе распознавания электронно-дифракционных картин. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том
1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010, С. 396-399.
18. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л. Критерий обнаружения объектных фрагментов штрихового
изображения в полутоновом. — Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в
2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011, С. 310-312.
19. Затылкин, А.В. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А. В. Затылкин, А.В. Лысенко, Д.А. Голушко, Д.А. Рындин, Н.К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. Спецвыуск - С. 63-67 С.
20. Юрков, Н.К. Измерение параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников на фиксированной частоте/Н.К.Юрков, М.В.Клюев, Е.В. Исаев //Измерительная техника, 2012, № 11, с. 2932
21. Юрков, Н.К. Синтез автоматизированной системы оценивания качества пилотирования на авиационном тренажере/Н.К.Юрков, А.И.Годунов, Ю.Г. Квятковский //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 58-64
22. Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Селиванов В.Ф. «Исследование влияния размещения радиоэлементов на механические характеристики печатной платы» // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Труды международного симпозиума В 2-х томах. Том 1. /Под ред. Н.К. Юркова.—Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007- С. 128-130 .
23. Кочегаров И.И. «Межсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания РЭС» // Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества: Материалы научно-практической конференции.-М.:МИЭМ, 2004- С. 130-136.
24. Алгоритм прямого перебора с применением теории графов для прогнозирования отказов сложных РЭС / Кочегаров И.И., Стюхин В.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 130-131.
25. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во
ПГУ, 2013. - 108 с.
5