Электронный измеритель амплитуды УЗ-вибраций

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Государственный Университет

Информатики и Радиоэлектроники

Кафедра: современных электронных технологий

Факультет: компьютерного проектирования

КОМПЛЕКТ ДОКУМЕНТОВ

на технологическую инструкцию проведение

измерений электронным измерителем УЗ-вибраций

Разработал (П.В. Фалькович)

Руководитель (В.Л. Ланин)

Нормоконтролер (С.И. Саковец)

Содержание

Введение

1 Анализ методов и устройств для измерения УЗ - колебаний

2 Анализ технического задания

3 Выбор функциональных элементов, материалов и деталей, расчет компоновочных характеристик

3.1 Выбор функциональных элементов

3.2 Выбор материалов и деталей

3.3 Расчет компоновочных характеристик

4 Расчет показателей надежности проектируемого устройства

5 Разработка печатной платы и передней панели

6 Анализ технологичности конструкции прибора

7 Разработка технологической инструкции на применение прибора

8 Технико-экономическое обоснование

9 Охрана труда и экологическая безопасность

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Расчет технологичности конструкции

Приложение Б. Комплект документов на технологическую инструкцию измерений электронным измерителем УЗ-вибраций

Приложение В. Справка об исследовании патентной и научно-технической литературы.

Приложение Г. Перечень элементов на схему электрическую принципиальную электронного измерителя УЗ-вибраций.

Приложение Д. Спецификация на сборочный чертеж платы измерителя.

Приложение Е. Спецификация на сборочный чертеж электронного измерителя вибраций.

Введение

Прогресс в технологии РЭА достигается сейчас совершенствованием инструментов, оборудования, используемых материалов, а также путём разработки новых, более эффективных технологических процессов. Перспективным является применение перспективных методов электрофизического воздействия на процессы пайки, включая использование энергии ультразвуковых /УЗ/ и электромагнитных колебаний, инфракрасного /ИК/ и видимого излучений, электронного и ионного лучей.

При эксплуатации УЗ аппаратуры в целях интенсификации различных технологических процессов, необходимо проводить систематический контроль амплитуды колебаний излучателей ультразвука.

Для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний, в основном, используют приборы на основе оптических, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерырывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов.

Эти недостатки устранены в разработанном приборе, в основу которого положен принцип регистрации амплитуды по изменению амплитуды электрических колебаний, генерируемых пьезоэлементом.

Прибор предназначен для измерения амплитуды колебаний и настройки в резонансный режим работы УЗ технологического оснащения процессов пайки, сварки, очистки и др.

Доклад

Темой данного дипломного проекта является разработка электронного измерителя амплитуды УЗ-вибраций.

В настоящее время для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний используют контактные и бесконтактные методы на основе оптических приборов, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов и серийно промышленностью не выпускаются. Таким образом, была поставлена задача, сконструировать прибор, который мог бы с высокой точностью измерять амплитуду УЗ-вибраций.

Способ измерения амплитуды механических колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента, основан на преобразовании амплитуды механических колебаний в электрическое напряжение.

Для автоматического контроля колебаний, при котором отсутствует перестановка датчика, и изменения измерительного зазора малы, предложено устройство, позволяющее получить стабильную чувствительность.

К устройству подключается выносной вибродатчик, который при контакте с поверхностью работающего УЗ-инструмента, преобразовывает механические колебания последнего в электрический сигнал синусоидальной формы. Датчик вибраций включает металлический волновод, жестко соединенный с ручкой из изоляционного материала. Во внутренней полости ручки на расстоянии, равном j/4 от не рабочего торца волновода (j - средняя длинна УЗ-колебаний в материале волновода для исследуемых частот), жестко, например методом пайки, закреплена упорная пластина, а между ней и демпфером из материала с низкой акустической добротностью расположен пьезоэлектрический преобразователь, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-21 в форме кольца диаметром 10-20 мм.

Электрическое напряжение с обкладок пьезоэлемента снимается с помощью латунных контактов и по высокочастотному кабелю передается на измеритель. Рабочий конец датчика оканчивается иглой, изготовленной из высокопрочной инструментальной стали, и припаянной к торцу волновода припоем ПСр45. Снаружи внутренний объем ручки, где размещен пьезоэлектрический преобразователь, защищен прокладкой из термостойкокой резины.

Напряжение с датчика поступает на измеритель вибраций, который состоит из: делителя входного напряжения, усилителя-дискриминатора, детектора средневыпрямленного напряжения, источника образцового напряжения, внутреннего генератора, инвертора зажигания символов запятой, аналогово-цифрового преобразователя, индикатора (см чертеж - А1).

Напряжение электрического синусоидального сигнала с датчика, приведенное входным делителем к интервалу 0-200 мВ поступает на операционный усилитель, который служит для получения линейности детектирования в 1%. Для этого усиление ОУ должно быть не мене 40 дБ. Далее, напряжение, поступившее с датчика, детектируется детектором средневыпрямленных напряжений. На его выходе получаем средневыпрямленное напряжение пропорциональное измеряемому колебанию, который подается на сигнальный вход АЦП. На эталонный вход АЦП с источника образцового напряжения подается опорное напряжение. Преобразователь из аналогового сигнала, полученного с детектора, выделяет цифровой код. Этот код определяется отношением входного напряжения к опорному с учетом фиксированного числа импульсов тактовой частоты АЦП. Тактовая частота преобразователя задается внутренним генератором и должна быть равна 50 кГц. Далее выделенные напряжения с АЦП в виде цифрового кода подаются на ЖКИ.

Корпус состоит из основания и передней панели, на которой расположены табло индикации и включатель питания прибора. Переключатель пределов измерения расположен на левой боковой стенке прибора. На верхней боковой стенке прибора расположен разъем для подключения датчика. Конструкция прибора удобна для пользования и ремонта.

При работе с прибором следует пользоваться технологической инструкцией, а так же соблюдать правила безопасности при работе с ультразвуком.

Экономический эффект от производства прибора составит 117165900 руб. Прибор окупает себя на третьем году производства.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЗ ВИБРАЦИЙ

При эксплуатации ультразвуковой (УЗ) аппаратуры в целях интенсификации различных технологических процессов необходимо проводить систематический контроль амплитуды колебаний излучателей ультразвука и технологического инструмента, которая оказывает определяющее влияние на качество обработки. Для измерения амплитуды ультразвуковых колебаний используют контактные и бесконтактные методы на основе оптических приборов, пьезоэлектрических и индуктивных датчиков. Однако эти приборы не позволяют осуществить непрерывное измерение амплитуды колебаний ультразвуковых инструментов в процессе выполнения технологических процессов и серийно промышленностью не выпускаются.

Способ измерения амплитуды механических колебаний рабочего конца ультразвукового инструмента, основан на преобразовании амплитуды механических колебаний в электрическое напряжение. Данный способ служит для повышения точности измерений при обработке токопроводящих поверхностей. При этом непосредственно через зону динамического воздействия инструмента с обрабатываемой поверхностью пропускают постоянный электрический ток и измеряют в этой зоне длительность нарушения электрического контакта, по которой определяют значение амплитуды механических колебаний.

Для оперативного контроля режимов работы УЗ колебательных систем широко известны приборы, принцип действия которых основан на использовании индуктивного параметрического способа измерения амплитуд колебательных смещений. При таких измерениях на небольшом расстоянии от колеблющейся поверхности располагается датчик-катушка индуктивности, включенная в колебательный контур электрического генератора. Колебания поверхности вызывают соответствующую частотную модуляцию сигнала генератора. Полученная информация обрабатывается частотным детектором. Основной сложностью является зависимость чувствительности прибора от ширины измерительного зазора, которая может изменятся под воздействием случайных факторов. Существует возможность устранения в некоторых пределах этой зависимости посредством соответствующего изменения коэффициента передачи измерительного тракта виброметра в соответствии с изменением средней величины измерительного зазора.

Для автоматического контроля колебаний, при котором отсутствует перестановка датчика, и изменения измерительного зазора малы, предложено устройство, позволяющее получить стабильную чувствительность в некотором интервале изменения зазора.

Устройство состоит: датчик; делитель входного напряжения; усилитель-дискриминатор; детектор средневыпрямленного напряжения; генератор образцового напряжения; внутренний генератор; инвертор зажигания символов запятой; аналогово-цифровой преобразователь; индикатор.

При колебаниях поверхности напряжения на выходе автогенератора изменяется по закону:

(1.1)

где - средняя частота генератора; f - частота колебаний поверхности; @W - амплитуда девиации частоты автогенератора; t - время.

Сигнал на выходе автогенератора несет таким образом информацию о мгновенном расстоянии между датчиком и колеблющейся поверхностью, включая сюда и его среднее значение. На выходе частотного детектора можно получить два сигнала - постоянное или медленно изменяющееся напряжение, зависящее от среднего расстояния между датчиком смещения и колеблющейся поверхностью, а также переменное напряжение УЗ-частоты, амплитуда которого пропорциональна амплитуде смещения :

(1.2),

где - чувствительность.

Экспериментальное исследование зависимости чувствительности S от расстояния r выявило ее нелинейный характер. Обработка экспериментальных данных позволила установить, что в пределах 1-3 мм изменения r ход чувствительности S с расстоянием, может быть аппроксимирован экспоненциальной зависимостью:

(1.3),

где d и B-постоянные.

Изменение же сигнала на выходе частотного детектора описывается функцией:

(1.4),

где Ео - некоторая постоянная величина, которую можно трактовать в качестве сдвига уровня напряжения.

Поскольку амплитуда напряжения УЗ-частоты U_m может быть выражена через чувствительность S в виде U_m=SА₀, то, отнеся ее к величине (Е₀-U₀), получим, что нормированное таким образом напряжение не зависит от среднего расстояния:

, (1.5)

На основе этих предпосылок основано электронное устройство, схему которого был введен каскад, позволяющий получить частное от деления сигнала, соответствующего амплитуде УЗ колебаний, на сигнал, соответствующий среднему значению ширины зазора, т.е. осуществляет приборную реализацию предложенного алгоритма.

Таким образом, предложено и реализовано в виде лабораторного макета новое устройство для бесконтактного параметрического измерения амплитуды УЗ колебаний, чувствительность которого при изменении ширины измерительного зазора на 0,5 мм остается неизменной. Сравнительно малый диапазон измерительных зазоров, для которых применима экспоненциальная аппроксимация зависимости чувствительности, не благоприятствует использованию построенных на этом принципе приборов для абсолютного измерения.

Для создания автоматических систем питания инструмента с помощью акустической обратной связи перспективны новые пьезоактивные материалы - пьезополимеры в виде пленки толщиной 10-20 мкм из поливинилденфторида с примесью фторопласта Ф2МЭ. Пленка изготавливалась методом экструзии с последующей вытяжкой, металлизировалась с обеих сторон алюминием и поляризовалась электрическим полем 600 кВ/см при температуре 70С .

Датчики представляли собой образцы пленки размером 1х1 см, наклеенные в пучность деформации. Ось ориентации пленки совпадала с направлением колебаний вдоль оси стержня. Напряжение на электродах пленки пропорционально средней по ее длине деформации:

, (1.6)

где Х₂ и Х₁-координаты начала и конца пленки по оси, U(Х₂)и U(Х₁)-колебательные смещения в этих точках, q -чувствительность образца пленки к деформации.

Величина q вычисляется из уравнений пьезоэффекта

, (1.7)

где D31-пьезомодуль материала, C11-модуль упругости, E -диэлектрическая проницаемость, E₀=8,8510^-12 Ф/м, t -толщина пленки.

Экспериментально измеренные данные:

d = (12-18)10^-12 Кл/н, на частоте 1 кГц =9,8-10;

модуль упругости (2,0-2,2)10⁹ Н/м.

Чувствительность датчиков по амплитуде на частоте 40-60 кГц была в пределах 100-300 мВ/мкм в зависимости от коэффициента усиления.

Оптический метод измерения амплитуды с помощью микроскопа широко распространен и применяется часто за эталонный, однако он дает большую погрешность при измерении малых амплитуд и неудобен в эксплуатации. Метод, основанный на интерференции лазерного излучения, абсолютный и очень точный, имеет ограничение по динамическому диапазону и является достаточно сложным и громоздким.

Оптические датчики основаны на модуляции колеблющимся объектом светового потока: отраженного от объекта или работающего «на просвет».

Существенным элементом датчика, работающего на «отражение», является световод, представляющий собой два пучка оптических волокон, собранных на одном конце в жгут, торец которого и является чувствительным элементом. На противоположном конце один из пучков совмещается источником света , а другой - подводится к фотоприемнику , преобразующий световой сигнал в электрический.

В приемник луча попадает световой поток, отраженный от поверхности. Зависимость освещенности Е приемного пучка и, следовательно, величина светового тока через фотоприемник от расстояния между чувствительным элементом и поверхностью имеет ярко выраженный максимум.

Диапазон измерительных величин А, мкм 0,1-500

Диапазон частот, кГц 0,05-100

Относительная погрешность, % 5

Диапазон компенсирующих коэффициентов 0,21

Погрешность, вызванная наклоном световода относительно поверхности 0,5

Калибровка датчика «на отражение» проводилась с помощью регенеративной лазерной интерфериционной установки.

Разработан ультразвуковой виброметр для измерения амплитуды механических колебаний объекта, например ультразвуковых преобразователей.

Сигнал с автогенератора, в состав которого входят параметрический датчик смещений и конденсатор, подается на усилитель - дискриминатор, а затем - на частотный детектор. Коммутатор периодически шунтирует конденсатор, что вызывает модуляцию сигнала на выходе частотного детектора. На выходе первого амплитудного

детектора сигнал пропорционален измеряемому колебанию, а на выходе второго амплитудного детектора - величине эквивалентного изменения зазора, определяемой емкостью конденсатора.

Недостатком рассмотренных конструкций виброметров является их сложность и ограниченная область применения.

Для контроля работы ультразвуковых преобразователей с волноводами и концентраторами целесообразнее применять ёмкостные или индуктивные датчики. Принцип одного из методов, на котором основано применение этих датчиков, заключается в ёмкости или индуктивности цепи высокочастотного генератора с частотной модуляцией амплитуды смещения концентратора. Глубина частотной модуляции пропорциональна амплитуде смещения. Другой принцип работы индуктивного датчика состоит в изменении потока в его магнитной цепи, которое происходит при колебаниях волновода. Индуцированное в обмотке датчика напряжение пропорционально смещению преобразователя. Датчики выполнены таким образом, что с их помощью можно измерять колебания на металлических деталях. Датчики устанавливают на расстоянии 0-2 мм от поверхности, что гарантирует получение оптимальных результатов. Электрический выход датчика подсоединяют к юстированному усилителю с прямым считыванием измеряемой величины. В датчиках этого типа сигнал (0,5-100 мВ) пропорционален амплитуде скорости смещения или знакопеременному напряжению в диапазоне частот 16-100 кГц. Индуктивные датчики представляют собой компактный блок, защищённый от истирания и повреждений полиэфирным покрытием, с кабелем, имеющим соответствующий вывод для соединения с измерительным прибором.

Электродинамические датчики основаны на эффекте возникновения вихревых токов в металлическом волноводе, движущемся поле постоянного магнита. Электродинамические датчики разделяются по конструкции на два типа: с накладной катушкой и с проходной. Электродвижущая сила, наводимая в измерительной катушке датчика накладного типа, обусловлена продольной составляющей колебаний стержня, а у датчика проходного типа - пуассоновскими колебаниями.

Электродинамические датчики пригодны для измерения амплитуд смещений и деформаций по длине волноводов, изготовленных из неферромагнитных материалов. В ферромагнитных материалах наряду с электродвижущей силой, обусловленной вихревыми токами, в катушке датчика возникает электродвижущая сила из-за обратного магнитострикционного эффекта, что искажает показания датчика.

Недостатком датчиков такого типа также является то, что их чувствительность сильно зависит от величины зазора. Всё это в некотором отношении ограничивает применение электродинамических датчиков.

Для измерения амплитуд смещений и деформаций с успехом могут быть использованы специальные тензодатчики. Эти датчики размером 33 мм² изготавливали из проволоки сплава ТД-ИМ23ХЮ диаметром 40 мкм в виде плоской пружины. Пружину помещали между двумя листами бумаги размером 55 мм². Изготовленные таким образом тензодатчики наклеивали на поверхность волновода клеем БФ и отжигали в печи по следующему режиму: через каждые два часа температуру отжига от 90C повышали на 20С. Сопротивление тензодатчика измеряли по мостовой схеме.

При измерениях тензодатчики наклеивали в середине полуволнового стержня, где амплитуда деформаций определяется согласно выражению

. (1.8)

Градуировка датчиков была линейной вплоть до амплитуд _m0= 40 мкм, т.е. они, могут быть использованы для измерений _m при больших мощностях звука.

Разработан лазерный доплеровский измеритель (ЛДИ-01) , который позволяет проводить регистрацию и измерение параметров механических колебаний (вибраций) самых разнообразных объектов, деталей и поверхностей:

- измерение осевых и поперечных механических колебаний вращающихся объектов (валов двигателей, станков и т.д.);

- определение и контроль амплитуд колебаний ультразвуковых излучателей различного назначения;

- исследование механических колебаний хрупких и легких конструкций (мембраны, зеркала, оптика);

- изучение вибраций весьма малых участков поверхности в различных направлениях и получение поточечного вибропортрета.

Дистанционный бесконтактный метод измерения механических колебаний, используемый в ЛДИ-01, удовлетворяет требованиям современной промышленности, предъявляемым к данного рода измерениям.

Прибор не требует специальных знаний и дополнительного оборудования при работе с лазерным излучателем, что обеспечивает удобство и надежность в эксплуатации.

В ЛДИ-01 предусмотрен аналоговый выход для подключения осциллографа, анализатора спектра и других приборов, позволяющих получить дополнительную информацию об объекте (тип и устойчивость колебаний, паразитные биения и т.п.).

Достоинством данного прибора является высокая точность измерений, которая гарантируется сравнением вибрационного перемещения с длинной световой волны когерентного источника. Прибор, при необходимости, может измерять колебания сверхмалых амплитуд (от 10 нм до 0,3 мкм).

Недостатком является сложность конструкции прибора и высокая стоимость.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Измерение на расстоянии:

- при использовании световозвращающего элемента (покрытия), м 0,1-10

- от диффузно отражающей поверхности, м 0,1-3

Максимальная виброскорость, м/с 1,0

Диапазон амплитуд, мкм 0,3-10

Частотный диапазон, Гц 10-10

Мощность лазерного излучателя, мВт 0,5

Абсолютная погрешность измерения, мкм 0,1

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Для разработки конструкции и технологии изготовления, какого-либо устройства необходимо проанализировать основные требования к нему и условиям его эксплуатации. По результатам этого анализа можно определить порядок проектирования, перечень необходимых расчетов, заранее предусмотреть наиболее существенные конструктивные решения.

Анализ пунктов технического задания может быть произведен в следующей последовательности:

1) анализ возможности применения той или иной элементной базы для построения устройства с целью обеспечения выполнения им заданных функций;

2) определение основных составных частей проектируемого изделия и их основных конструктивных особенностей;

3) определение необходимости проведения различных конструкторских расчетов;

4) анализ необходимости применения в конструкции решений для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов;

5) определение перечня вопросов, которые должны быть рассмотрены при разработке технологической инструкции к устройству;

6) определение методики расчета технико-экономических показателей проектируемого устройства;

7) определение основных мероприятий по защите обслуживающего персонала.

Как правило, достаточно сложное изделие электронной техники содержит в своем составе широкий набор различных электронных элементов, выполняющих различные функции. В то же время они могут существенно отличаться по своим основным характеристикам, таким, как быстродействие, потребляемая мощность, совместимость по уровням сигналов и др. Поэтому при проектировании должно быть уделено внимание тому, что в составе устройства могут работать элементы с более или менее одинаковыми значениями основных параметров.

Целесообразность применения различных типов печатных плат (двусторонних, многослойных) может быть определена на основании проведения конструкторских расчетов (расчета трассировочной способности плат, элементов печатного монтажа, паразитных связей) с обязательным учетом технико-экономических показателей. Исходя из этого, предлагается использовать в проектируемом устройстве двустороннюю печатную плату. В соответствии с техническим заданием проектируемое устройство предполагается использовать в специально оборудованном помещении, в котором стабильно поддерживаются температура окружающей среды и относительная влажность воздуха. Поэтому специальные методы защиты от климатических факторов не предусмотрены.

При рассмотрении вопросов технологии изготовления аппаратуры обязательным является расчет частных и комплексного показателей технологичности. На основании его можно судить о правильности принятых конструктивных решений и своевременно внести изменения в конструкцию устройства. В связи с тем, что годовая программа выпуска проектируемого устройства невелика (100 штук), и тип производства для данного случая может быть мелкосерийным или, в крайнем случае, серийным, критерием оптимальности технологического процесса может считаться его трудоемкость.

Целесообразность проектирования, и в дальнейшем производства новой техники может быть оценена при расчете годового экономического эффекта при производстве новых средств труда. На основе результатов данного расчета может быть сделано заключение о возможности внедрения в производство разработанного устройства.

Особое внимание при использовании средств вычислительной техники следует уделять рассмотрению вопросов обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала. Наиболее неблагоприятным фактором при работе с измерителем вибраций является влияние ультразвуковых излучений. Поэтому в дипломном проекте предполагается введение специального раздела, посвященного расчету необходимых средств защиты обслуживающего персонала от воздействия неблагоприятных факторов.

Техническим заданием на дипломный проект является разработка конструкции малогабаритного цифрового виброметра с использованием жидкокристаллического индикатора. Цель проекта создание более удобной и компактной модели измерителя в сравнении с предыдущей.

Масса его не должна превышать 0.3 кг, габаритные размеры не должны превышать 150х75х35 мм. Питание должно осуществляться от внутреннего источника тока напряжением 9В10%. Время наработки на отказ - не мене 1000 часов.

Исходя из вышеизложенного виброметр, должен представлять собой малогабаритный измерительный прибор с автономным источником питания, на передней панели которого расположены цифровой жидкокристаллический индикатор, выключатель питания и переключатель пределов.

Необходимо предусмотреть разъем для подключения вибродатчика.

3. ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ, РАСЧЕТ КОМПАНОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1 Выбор функциональных элементов

При разработке схемы электрической принципиальной используем следующие виды элементов:

микросхемы;

резисторы;

конденсаторы;

индикатор;

переключатели.

Разрабатываемый прибор должен быть переносным и малогабаритным. Отсюда можно сделать вывод о применении в блоке электрорадиоэлементов, обладающих минимальной потребляемой мощностью.

Выбор типа диодов проводим, исходя из следующих соображений:

диоды должны быть высокочастотными или универсальными;

должно соблюдаться соответствие электрических параметров диодов схеме электрической принципиальной;

применение диодов по возможности с минимальными типоразмерами.

Этим требованиям соответствуют диоды типа КД - 522Б.

Применение резисторов типа С2-33H-0.125 обусловлено тем, что фактическая рассеиваемая мощность их не превышает 0.125 Вт.

В качестве индикатора применяется жидкокристаллический индикатор, так как он обладает хорошим качеством изображения, сравнительно малой потребляемой мощностью.

Для выбора режимов работы в приборе применены переключатели типа КМ1- и КМ1-. Их выбор обусловлен отсутствием фальшпанели и их установка производится непосредственно на печатную плату.

3.2 Выбор материалов и деталей

Корпус разрабатываемого прибора должен обладать высокой надежностью, иметь малые габариты и вес. Материал, соответствующий данным требованиям - полистирол. Данный материал предназначен для изготовления конструкций средней прочности, к которым предъявляются требования повышенной долговечности при переменных нагрузках..

Для изготовления панели индикации выбираем поликарбонат ПК1 ТУ6-05-1762-81 прозрачный. Данный материал - продукт поликонденсации сложных эфиров угольной кислоты, по прочности, термостойкости и химической стойкости среди других термопластов занимает среднее положение, обладает высокой ударостойкостью, малой текучестью под нагрузкой, стоек к маслам, топливу, воде, растворяется в метиленхлориде, хлороформе, под действием кислот и щелочей не растворяется.

Печатная плата изготавливается из стеклотекстолита марки СФПН 1,5 - 50 ТУ - 6 - 05 - 1776 - 88.

3.3 Расчет компоновочных характеристик

Компоновка - размещение в пространстве или на плоскости различных элементов РЭА - одна из важнейших задач при конструировании. Основная задача, решаемая при компоновке РЭА, - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры.

На практике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовых элементов (радиодеталей) с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, тепловых и других видов связей.

Компоновочные характеристики и документы способствуют лучшему взаимопониманию не только всех разработчиков данного изделия, но и заказчиков, которые могут субъективно сравнивать как подобные, так и разные по характеру системы.

Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели.

При аналитическом определении объемов замещающих фигур стремятся свести их количество к минимуму, а размеры брать такими, чтобы сразу можно было получить значения установочного объема V_уст. Значение V_уст и подобных параметров элементов РЭА можно вычислить, пользуясь выражением

, (3.1)

где КП - компоновочный параметр; K - коэффициент пропорциональности; m - количество компоновочных параметров N_i. Для расчета объема, веса и потребляемой мощности выражение (3.1) можно представить так:

, (3.2)

, (3.3)

, (3.4)

. (3.5)

Здесь V - общий объем изделия; K_v - обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами (иногда используют обобщенный коэффициент увеличения объема K_у, больший единицы, так как K_у = 1/k_v);

V_oi и V_ai - значения установочных объемов однотипных V_o и единичных V_a i-х элементов;

G - масса аппарата;

K_g - обобщенный коэффициент объемной массы изделия;

G'- объемная масса аппарата;

K_п - коэффициент, учитывающий потери P_ПИТ.

Значения k_v лежат в пределах от 0,2 до 1, V_уст - от долей см³ до сотен дм³, K_g - от 1,2 до 3, G_i - от долей грамма до нескольких килограмм, G' - от 0,4 до 1,6 г/см³, K_п - от 1 до 1,2.

Исходными данными для расчета являются:

количество элементов в блоке;

установочная площадь каждого элемента;

установочный объем каждого элемента;

установочный вес каждого элемента;

активная площадь блока;

активный объем блока;

физическая площадь блока;

физический объем блока;

активный вес блока.

Результаты расчета компоновочных характеристик приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.Результаты расчета компоновочных характеристик.

Тип элемента	Количество, шт	Объем, мм3	Площадь, мм2	Масса, г
Конд.0.01 мкФ	2	0.72	0.8	1
0.68 мкФ	1	0.72	0.8	1
0.22 мкФ	1	0.72	0.8	1
0.1 мкФ	1	0.72	0.8	1
0.47 мкФ	1	0.72	0.8	1
100 пФ	1	0.72	0.8	1
ИМС 8 выв.	1	1.0	1.0	3.2
40 выв	1	7.5	7.5	10
Индикатор	1	22.75	22.75	20
Резисторы МЛТ	1	1.3	1.2	0.5
С2-33Н - 0.125	14	0.12	0.37	0.15
СП3 - 19	4	0.72	0.36	0.6
Диоды КД522	2	0.8	0.6	0.16
Транзистоты КП 103 Е	1	0.12	0.12	0.5
КТ 315 Б	1	0.21	0.21	0.8
Переключатель МК1 - I	1	0.6	0.76	0.7
МК1 - II	1	0.84	1.18	1

Общий компоновочный объем - 45.9 см³.

Общая компоновочная площадь - 36.7 см².

Общая компоновочная масса - 50 г.

По результатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиям технического задания. Коэффициент использования объема равен 0.07. Высота установки элементов не превышает в среднем 0,014 м.

4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность РЭС в основном определяется печатной платой, с установленными на ней ЭРЭ, т.к. на ней лежит основная функциональная нагрузка. Надежность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчета, и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления.

На этапе проектирования необходимо учитывать следующие факторы:

- качество применяемых компонентов и деталей. Выбор комплектующих изделий должен быть проведен с учетом условий работы изделия (климатических и производственных). Элементы должны удовлетворять требованиям по своим функциональным свойствам и характеристикам, иметь необходимую механическую и тепловую прочности, требуемую точность и надежность в заданных условиях эксплуатации. Применение в изделии унифицированных компонентов, деталей, узлов и элементов резко повышает надежность изделия;

- режимы работы компонентов и деталей, которые должны соответствовать их физическим возможностям. Компоненты и детали должны использоваться в тех режимах, которые предусмотрены техническими условиями на них;

- доступность всех составных изделия для осмотра, контроля и ремонта или замены. Это является важным условием в поддержании надежности в процессе эксплуатации, так как легкий доступ к компонентам, деталям, узлам и элементам позволяет проводить периодические осмотры и заблаговременно выявлять износившиеся элементы и обеспечивает быстрое восстановление изделия после появления отказа.

На этапе технического проекта необходимым считается проведение поверочного расчета показателей надежности изделия. Обычно определяются следующие показатели надежности:

- средняя наработка на отказ - математическое ожидание наработки изделия до первого отказа;

- вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказа не возникнет;

Расчет показателей надежности, перечисленных выше, может быть проведен по следующей методике. Исходными данными для расчета являются:

- число наименований элементов;

-интенсивность отказов каждого из элементов;

Расчет производится в следующей последовательности:

Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации определяется по формуле:

, (4.1)

где - коэффициент эксплуатации;

К₁ - коэффициент влияния вибраций;

К₂ - коэффициент влияния ударных нагрузок (для стационарной аппаратуры К₁=К₂=1);

К₃ - коэффициент влияния влажности и температуры (для влажности 90…98% при t=30…40С - К₃=2.5;

К₄ - коэффициент влияния давления воздуха (при давлении 61кПа - К₄=1.14);

(Т,К_н) - коэффициент зависящий от температуры поверхности элемента и коэффициента нагрузки.

Суммарная интенсивность отказов электрорадиоэлементов и элементов конструкции электронного измерителя УЗ вибраций:

, (4.2)

где _i - величина интенсивности отказа i - го электрорадиоэлемента и элемента конструкции с учетом заданных для него условий эксплуатации: коэффициента электрической нагрузки, температуры, влажности, технических нагрузок и т. д.;

Среднее время наработки до отказа определяется по формуле:

. (4.3)

Вероятность безотказной работы:

. (4.4)

Среднее время восстановления безотказной работы устройства:

, (4.5)

где t_вi - время восстановления i - го элемента;

n - общее количество элементов устройства.

Вероятность восстановления определяется по формуле:

, (4.6)

где - заданное время восстановления.

Коэффициент готовности определяется по следующей формуле:

. (4.7)

Коэффициент ремонтопригодности можно определить по формуле:

. (4.8)

Вероятность нормального функционирования рассчитывается по формуле:

. (4.9)

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления находят, исходя из формулы:

. (4.10)

По данным таблицы 4.1 произвели расчет. Были получены значения: наработки на отказ, равное 33557 значительно превышает заданное 1000; вероятности безотказной работы равное 0.97. Это гарантирует надежную работу электронного измерителя вибраций.

Таблица 4.1. Значения интенсивности отказов.

Наименование	Кол, шт.	oi 10-6	K1, K2	K3	K4	(T,kн)	Кэ	i
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Резисторы постоянные непроволочные: С2-33Н-0.125 С2-33Н-1.0	14 1	0.7 0.08	1 1	2.5 2.5	1.14 1.14	0.77 0.77	2.2 2.2	0.1 0.1
Резисторы переменные непроволочные: РП1 - 63гМ	4	2	1	2.5	1.14	0.77	2.2	0.1
Конденсаторы керамические: К10 - 7В	8	0.4	1	2.5	1.14	0.7	1.8	0.5
Микросхемы: КР 572 ПВ5 К 544 УД2	1 1	0.5 0.5	1 1	2.5 2.5	1.14 1.14	0.5 0.5	1.6 1.6	0.3 0.3
Индикатор ИЖЦ - 3	1	3.25	1	2.5	1.14	0.7	1.8	0.4
Диоды: КД 522Б	2	0.3	1	2.5	1.14	0.68	1.75	0.5
Транзисторы: КТ 315 Б КП 103 Е	1 1	0.4 0.35	1 1	2.5 2.5	1.14 1.14	0.7 0.7	1.8 1.8	0.4 0.4
Переключатель	2	0.6	1	2.5	1.14	0.7	1.75	0.8
Разъем	1	0.2	1	2.5	1.14	0.7	1.9	1.0
Соединения пайкой	208	8.32	1	2.5	1.14	0.45	1.5	0.1
Плата печатная	1	0.2	1	2.5	1.14	0.7	1.0	0.8

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ И ПЕРЕДНЕЙ ПАНЕЛИ

В настоящее время разработано большое число конструктивно-технологических разновидностей коммутационных плат. В зависимости от числа проводящих слоев платы разделяются на односторонние, двухсторонние, многослойные; по конструктивному исполнению: на жесткие и гибкие платы, а также платы с проводным монтажом.

Односторонние печатные платы выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют в бытовой аппаратуре, блоках питания, устройствах техники связи. Высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные литые платы, на одной стороне которых расположен печатный контакт, а на другой - объемные элементы.

Более надежны в эксплуатации платы с металлизированными отверстиями. Двухсторонние печатные платы имеют проводящий рисунок с обеих сторон диэлектрического или металлического основания, а необходимые соединения выполняются с помощью металлизированных отверстий. Такие платы позволяют реализовать более сложные схемы, обладают повышенной плотностью монтажа и надежностью соединения двухсторонних печатных плат с металлическим основанием, имеют лучший теплоотвод, однако требуют нанесения изоляционного покрытия и сложны в изготовлении.

Основные технические требования к печатным платам .

1. Габаритные размеры ПП не превышают установленных значений для следующих типов: особо малогабаритных - 6090 мм; малогабаритных - 120180 мм; крупногабаритных - 240360 мм; для МПП - 200240 мм.

Толщина ПП выбирается из следующего ряда значений: 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0мм. Допустимые отклонения по толщине не должны превышать: при толщине до 1 мм - 0.15 мм; до 2 мм - 0.20 мм; до 3 мм - 0.30 мм. Печатные платы, как правило, имеют прямоугольную форму с соотношением сторон - 1:1, 1:2, 2:3, 2:5.

2. Плотность монтажа определяется шириной проводников и расстоянием между ними. В соответствии с ГОСТ 23751-79 для печатных плат установлено три класса точности монтажа:

1 - допускающий минимальную ширину и зазоры между проводниками 0.5 мм;

2 - когда минимальная ширина и зазоры между проводниками 0.25 мм на наружных слоях, 0.2 мм - на внутренних слоях плат.

3 - допускающий минимальную ширину проводников и зазоры между ними 0.15 мм.

3. Трассировку рисунка схемы проводят по координатной сетке с шагом по ГОСТ 10317-77 2.5 и 1.25 мм, а так же 0.625 мм.

Минимальные диаметры отверстий, располагаемых в узлах координатной сетки, зависят от максимального диаметра вывода навесного элемента, наличия металлизации и толщины платы.

4. Плотность тока в печатных проводниках наружных слоев плат не должна превышать 20 А/мм².

5. Сопротивление изоляции зависит от материала диэлектрического основания и характера электрических цепей, для стеклотекстолита оно должно быть не менее 10⁴ МОм.

6. Плотность сцепления печатных проводников с основанием не менее 15 МПа.

7. Допустимый уровень рабочего напряжения зависит от расстояния между проводниками: для 2 и 3 классов Uраб - до 50 В, 1 класс Uраб - до 100 В.

8. Контактные площадки должны смачиваться припоем за 3-5 секунд и выдерживать не менее 3-х перепаек. Измеритель амплитуды УЗ-вибраций содержит плату измерителя . В соответствии с ГОСТ 23751-79 плата измерителя относится ко второму классу плотности монтажа. Данная плата двухсторонняя и малогабаритная, так как ее размеры 12570 мм; толщина платы 1.5 мм. Отношение сторон примерно равно 1:2. Плата содержит 212 отверстий, из них 209 металлизированы. Изготавливается комбинированным позитивным методом. Диаметры контактных площадок 1.92, 2.12, 2.32, 2.4 мм. Толщина металлизации отверстий 20 мкм. Значение рабочего напряжения для проводников не превышает 9В.

На плате измерителя размещены все элементы схемы: микросхемы, активные и пассивные элементы.

После изготовления плата покрывается сплавом «Розе». Плата относится ко 2-му классу по плотности монтажа.

Для создания хорошего внешнего вида прибора при конструировании следует, в первую очередь, стремиться к соблюдению соотношений габаритных размеров блока.

Исходные данные для разработки передней панели включают: техническое задание (ТЗ) на разработку устройства РЭА с указанием характеристик внешних условий и особенностей работы оператора; схема электрическая принципиальная с указанием на ней элементов индикации управления и коммутации; описание порядка работы с прибором.

Началу разработки лицевой панели устройства РЭА предшествует анализ исходных данных, который позволяет конкретизировать эти данные и определить их количественные характеристики.

В результате анализа ТЗ на разработку РЭА должны быть определены: особенности установки аппаратуры на объекте и работы с нею (стоя, сидя; режима работы, контроля и ремонта); комфортность внешних условий (тепло, влажность, освещенность, вибрация, шумность и т.п.)

Из анализа особенностей установки аппаратуры определяются:

зоны досягаемости рук оператора (l - расстояние оператора до лицевой панели);

зона обзора (h_гл - высота глаз оператора над лицевой панелью); Z_гор и Z_верт - горизонтальный и вертикальный углы обзора).

Из анализа комфортности внешних условий определяются:

уровень внешней освещенности (Е - освещенность поверхности лицевой панели в люксах (лк));

тепловые условия работы;

уровень влажности (определяет необходимость герметизации лицевой панели и ее элементов;

наличие вибрации и шума, которым подвергается оператор (что ухудшает точность и скорость считывания показателей с индикаторов и определяет требования к конструкции индикаторов и выбору их типа).

По результатам анализа ТЗ моно выполнить следующие расчетные оценки:

определить предельные размеры лицевой панели (максимальные и минимальные размеры длины и высоты);

определить максимально допустимый размер знаков и символов на лицевой панели и индикаторных устройствах;

определить требуемые светотехнические характеристики индикаторных элементов.

Анализ принципиальной электрической схемы позволяет проводить выбор элементов отображения информации, элементов управления, регулировки и коммутации. При этом выбор конкретного типа элемента передней панели должен проводиться на основе комплексного подхода, когда конструктор должен учитывать и согласовывать множество различных, иногда противоречивых характеристик элементов.

Техническое задание на изготовление прибора предполагает эксплуатацию последнего в условиях ультразвука. Оператор, при работе с прибором, находится на расстоянии от него примерно 0.5 м. Измерения могут производиться оператором (в зависимости от того, амплитуду какого УЗ-инструмента измеряем) стоя или сидя.

При разработке передней панели учитываем наличие в электрической принципиальной схеме элементов индикации, регулировки и управления. Элементом индикации, исходя из ТЗ, является жидкокристаллический индикатор ИЖЦ - 3. Органами управления являются переключатели МК1- и МК1-.

Прибор будет эксплуатироваться в нормальных условиях. Максимально допустимые размеры ЛП определяются исходя из горизонтального и вертикального угловых размеров зоны периферического зрения оператора и требуемого расстояния L до ЛП. Максимальная длина ЛП равна:

(5.1)

(м),

где Z_гор- горизонтальный угол обзора ЛП.

Максимальная высота:

(5.2)

(м),

где Z_верт - вертикальный угол обзора ЛП.

Минимально допустимые размеры ЛП определяются из следующих соображений. В соответствии с эргономическими требованиями в поле зрения, ограниченном углом зрения около 10 градусов должно размещаться четыре-восемь элементов ЛП (обычно принимается 6 элементов). Тогда площадь поля зрения S_пз на ЛП, ограниченная указанным углом Z_пз=10 градусов может быть вычислена по формуле:

(5.3)

(м²)

Отсюда при числе элементов N_эл, размещаемых на ЛП, минимальная площадь ЛП, удовлетворяющая эргономическим требованиям, равна

(5.4)

(м²).

Однако площадь ЛП, рассчитанная по формуле 5.4, не учитывает установочной площади отдельных элементов, размещаемых на ЛП. Поэтому для определения минимально допустимых размеров ЛП, необходимо провести оценку суммарной установочной площади элементов:

(5.5)

(м²)

где S_i - установочная площадь отдельного элемента ЛП.

После выполнения оценочных расчетов по формулам 5.4, 5.5 за минимально допустимую площадь ЛП принимаются большая из величин S_{лп min} или S_сумэл. Фактические размеры проектируемой ЛП о площади должны находится в пределах проведенных оценок:

S_{лп min} S_{лп фак} L_max L_min (5.6)

1.3 S_{лп фак} 1.710 ^-2

С целью уменьшения габаритов и веса аппаратуры фактическую площадь ЛП можно выбирать из соотношения

(5.7)

(м²)

где К_лп - коэффициент использования площади ЛП, обычно равный К_лп =0,3 ... 0,6.

Тогда линейные размеры ЛП (L и H) определяются следующим образом. Из стандартного ряда габаритов, рекомендуемых для данного класса проектируемой РЭА, выбирается один из размеров ЛП (обычно стандартная длина Lст). Другой из линейных размеров определяется по формуле:

(5.8)

(м²)

Расстояние между символами (знаками) при проектировании ЛП принимается равным половине ширины символа, а расстояние между символами (знаками), располагаемыми по вертикали, половине высоты. Минимальное расстояние от краев индикаторного устройства до ближайшего знака, отображаемого на нем, должно быть равно ширине или высоте знака. В этом случае размеры индикаторного устройства, располагаемого на ЛП, могут быть определены по формулам:

 (5.9)

H_ин = 2.25 (см)

(5.10)

В_ин= 6 (см)

где Н_ин, В_ин - высота и ширина индикаторного устройства; N_в и N_г - число знаков индикаторного устройства, располагаемых соответственно по вертикали или горизонтали; Н_с, B_c - высота и ширина знака (символа).

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

Под технологичностью конструкции (ГОСТ 18831-73) понимают совокупность ее свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями конструкций изделий того же назначения при обеспечении заданных показателей качества.

Отработка конструкций на технологичность в соответствии с ГОСТ 14.201-73 ЕСТПП включает:

1) комплекс работ по снижению трудоемкости и себестоимости изготовления изделий:

повышение серийности посредством стандартизации, унификации и группирования изделий и их элементов по:

конструктивным признакам;

ограничение номенклатуры элементов и применяемых материалов;

преемственность освоенных в производстве конструктивных решений;

снижение массы изделий;

применение высокопроизводительных типовых технологических процессов и средств технологического оснащения;

2) комплекс работ по снижению трудоемкости, цикла и стоимости ремонта при эксплуатации:

рациональным выполнением конструкций, обеспечивающим удобство технического обслуживания и ремонта;

повышением надежности и ремонтопригодности конструкции.

Вид изделия, объем выпуска, тип производства и уровень развития науки и техники являются главными факторами, определяющими требования к технологичности конструкции изделия. Для оценки технологичности конструкции используются многочисленные показатели, которые делятся на качественные и количественные. К качественным относят взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность и инструментальную доступность конструкции. Количественные показатели согласно ГОСТ 14.201-73 ЕСТПП классифицируются следующим образом:

1) базовые (исходные) показатели технологичности конструкций, регламентируемые отраслевыми стандартами;

2) показатели технологичности конструкций, достигнутые при разработке изделий;

3)показатели уровня технологичности конструкций, определяемые, как отношение показателей технологичности конструкции разрабатываемого изделия к соответствующим значениям базовых показателей;

При выборе показателей технологичности согласно ГОСТ 14.202-73 ЕСТПП учитывают, что они могут быть:

1) по значимости - основными и дополнительными;

2) по количеству характеризуемых признаков - частными и комплексными;

3) по способу выражения - абсолютными и относительными.

Номенклатура показателей технологичности конструкций выбирается в зависимости от базы изделия, специфики и сложности конструкции, объема выпуска, типа производства и стадии разработки конструкторской документации. Значения относительных частных показателей технологичности должны находиться в пределах 0 К 1.

К основным показателям технологичности относятся:

1) трудоемкость изготовления изделия:

T_u=T_i (н/час), (6.1)

где T_i - трудоемкость операции изготовления, сборки, регулировки контроля и испытаний i-й составной части изделия;