Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор методов контроля толщины немагнитных покрытий 9
1.1. Сравнительный обзор методов контроля толщины покрытий 9
1.2. Особенности неразрушающего контроля методом вихревых токов 16
1.3. Специфика объектов вихретокового контроля 26
1.4. Сравнительный анализ частотных способов отстройки от влияния мешающих факторов 32
1.5. Особенности применения аддитивной коррекции погрешностей в аппаратуре вихретокового контроля 41
Выводы по первой главе 44
Глава 2. Разработка математических моделей процесса контроля толщины покрытия 45
2.1. Математическая модель процесса измерения толщины немагнитных покрытий 45
2.2. Модель процесса контроля фазовых характеристик при допусковом контроле толщины покрытия 52
2.3. Разработка алгоритмов оценки фазовых параметров при развертке частоты возбуждающего сигнала 64
2.4. Оценка возможности применения двухчастотного способа контроля толщины покрытий в резонансном режиме 71
Выводы по второй главе 75
Глава 3. Разработка резонансных способов вихретокового контроля толщины покрытий 76
3.1. Двухпараметровый способ контроля толщины покрытия с разверткой частоты возбуждающего сигнала 76
3.2. Двухпараметровый контроль толщины покрытия со следящей разверткой частоты возбуждающего сигнала 85
3.3. Двухчастотный контроль толщины покрытия с автоподстройкой частоты возбуждающего сигнала 90
3.4. Высокочастотные приборы контроля толщины покрытия с аддитивной коррекцией фазовой погрешности 97
Выводы по третьей главе 1 Об
Глава 4. Разработка и исследование характеристик приборов контроля толщины покрытия 108
4.1. Разработка функциональных узлов экспериментальной установки для допускового контроля толщины покрытия 108
4.2. Разработка высокочастотного блока прибора допускового контроля толщины покрытий малогабаритных деталей 119
4.3. Особенности реализации двухпараметрового устройства резонансного контроля толщины немагнитных покрытий 123
4.4. Многоканальное устройство контроля толщины покрытия с развертывающим частотным преобразованием 130
Выводы по четвертой главе 137
Заключение 138
Список использованных источников 140
Приложение А 149
Приложение Б 150
- Особенности неразрушающего контроля методом вихревых токов
- Модель процесса контроля фазовых характеристик при допусковом контроле толщины покрытия
- Двухпараметровый контроль толщины покрытия со следящей разверткой частоты возбуждающего сигнала
- Разработка высокочастотного блока прибора допускового контроля толщины покрытий малогабаритных деталей
Введение к работе
Актуальность темы. Современная тенденция развития промышленного производства характеризуется повышением требований к качеству выпускаемой продукции, выполнение которых позволяет обеспечить ее высокую конкурентоспособность по сравнению с зарубежными образцами аналогичного назначения. Особая роль в этом плане отводится контролю толщины немагнитных покрытий, применяемых как для защиты изделий от коррозии, так и для получения надежных соединений электрических контактов в различном электротехническом и электронном оборудовании (намоточных проводах, электромагнитных реле, разъемах, штекерах и т. п.).
Необходимость контроля, проводимого для повышения качества толщины немагнитных покрытий, обусловлена тремя основными причинами:
расширением номенклатуры промышленных изделий и товаров народного потребления с антикоррозийным покрытием, применяемым для увеличения износостойкости деталей и в декоративных целях;
введением 100%-го контроля качества изделий в процессах автоматизированного производства конкурентоспособной продукции;
повышением стоимости цветных металлов, используемых для немагнитных покрытий, что приводит к необходимости минимизации производственных затрат и совершенствования технологических процессов нанесения покрытий с неразрушающим контролем их толщины.
В настоящее время для неразрушающего контроля толщины покрытий различных материалов применяются, в основном, вихретоковые методы, позволяющие измерять толщину покрытий в диапазоне от 1 до 500 мкм с помощью накладных или проходных датчиков. Принцип действия большинства вихретоковых приборов контроля основан на измерении амплитудных и фазовых характеристик высокочастотных сигналов, снимаемых с датчиков или с первичных измерительных преобразователей. При этом значения измеряемых параметров зависят от электропроводности, магнитной проницаемости,
5 геометрических размеров и формы изделий, а также от технологического зазора между первичным преобразователем и контролируемой поверхностью. Результаты вихретокового контроля определяются совокупным влиянием перечисленных факторов, что существенно снижает их достоверность.
Вследствие этого для повышения точности косвенных измерений отдельных параметров необходимо применять дополнительные меры по нейтрализации или компенсации целого ряда мешающих факторов.
Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов, влияющих на достоверность допускового контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе, применяют дифференциальный метод. Данный метод реализуется несколькими способами, отличающимися друг от друга разными видами модуляции параметров и операциями обработки измеряемых величин. Наиболее перспективным является способ двухчастотного контроля, согласно которому формируют два возбуждающих сигнала - высокочастотный и низкочастотный, и последовательно во времени подают их на вих-ретоковый преобразователь. По уровню высокочастотного сигнала на выходе преобразователя определяют электрическую проводимость верхнего слоя покрытия, а с помощью низкочастотного сигнала выполняют измерение общей электропроводности покрытия. По результатам обработки амплитудно-фазовых характеристик сигналов на двух частотах судят о толщине контролируемого немагнитного покрытия.
Двухчастотные вихретоковые толщиномеры с разными диапазонами контроля толщины покрытий характеризуются относительной погрешностью порядка ± (1...10)%, которая возрастает при уменьшении толщины немагнитных покрытий до единиц микрометров. С целью расширения функциональных возможностей такие приборы снабжают различными вихретоковы-ми преобразователями накладного и проходного типа, которые изготавливают с учетом геометрических размеров контролируемых изделий.
Повышение достоверности результатов контроля и расширение диапазона измерений двухчастотных приборов практически ограничивается как
методическими, так и инструментальными погрешностями. При возбуждении вихретоковых преобразователей сигналами разной частоты резко изменяется амплитуда выходных колебаний датчика из-за влияния эквивалентной индуктивности обмотки преобразователя и вихретоковых потерь в изделии. Однако наибольший вклад в ограничение достоверности результатов вихре-токового контроля вносит инструментальная составляющая погрешности, связанная с практическими трудностями измерения амплитуды и фазы высокочастотных сигналов малого уровня, особенно в производственных условиях.
Повышение качества выпускаемой продукции с защитным покрытием невозможно без дальнейшего совершенствования аппаратуры контроля и улучшения характеристик вихретоковых толщиномеров. Этим обстоятельством характеризуется актуальность темы исследований.
Целью диссертационной работы является расширение диапазона измерения и повышение чувствительности приборов контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе.
К основным задачам исследований относятся:
теоретическое исследование резонансного метода вихретокового контроля с разверткой частоты импульсов тока, подаваемых на вихретоковые преобразователи, и вычислением информативных параметров по амплитуде и фазе колебаний;
разработка и исследование двухпараметрового способа резонансного контроля с разверткой частоты возбуждающего сигнала и стабилизацией амплитуды колебаний на выходе вихретокового преобразователя для уменьшения влияния зазора на достоверность результатов контроля;
оценка возможностей применения аддитивной и мультипликативной коррекции погрешностей измерений для повышения чувствительности и улучшения качества приборов, применяемых для допускового контроля толщины немагнитных покрытий;
разработка структурных схем и анализ методических погрешностей приборов контроля с резонансным частотным преобразованием.
Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач использовались методы общей теории систем, теория автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория погрешностей измерений, теория функций комплексного переменного, а также методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов и спектральный анализ электрических сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
усовершенствован вихретоковый метод контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе, основанный на применении резонансного режима работы первичных преобразователей с изменением крутизны и направления развертки возбуждающего сигнала в двухтактном режиме работы, обеспечивающий расширение диапазона измерения и повышение чувствительности приборов контроля толщины немагнитных покрытий;
разработаны способ и алгоритмы двухпараметрового контроля толщины немагнитных покрытий, основанные на цифровом измерении амплитуды и резонансной частоты колебаний в моменты изменения знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами вихретокового преобразователя, защищенные патентом РФ на изобретение;
разработаны структуры и алгоритмы работы и приборов допускового контроля толщины немагнитных покрытий с автоматической компенсацией влияния зазора между датчиками и контролируемыми объектами.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены цифровой прибор и установка автоматического контроля толщины немагнитного покрытия в технологическом цикле производства электронной продукции. Разработаны и экспериментально исследованы высокостабильные резонансные вихретоковые преобразователи с минимальным энергопотреблением, которые обеспечивают высокую достоверность результатов неразрушающего контроля.
Результаты проведенных исследований внедрены на ПК "Оптрон" ОАО "Протон" и используются в учебном процессе Академии ФСО России.
8 Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждены на Международной научной конференции "Приборостроение - 2005" (12 - 17.09.2005, г. Мисхор), на Всероссийской научно-технической конференции в ОрёлГТУ" (24.11 - 26.11.2005, г. Орел), на XII Всеросийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (18.04. - 20.04.2007, г. Рязань).
По материалам диссертационных исследований опубликовано 13 работ, в том числе статья в журнале "Заводская лаборатория", и получен патент на изобретение №2305280 от 27.08.2007 "Двухпараметровый способ контроля изделий".
Основные положения, выносимые на защиту:
способ резонансного вихретокового преобразования, обеспечивающий расширение диапазона контроля толщины немагнитных покрытий ферромагнитной основе за счет автоматической стабилизации амплитуды возбуждающих импульсов тока линейно-изменяющейся частоты и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по изменению знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами датчика:
схемотехническая модель процесса допускового контроля толщины покрытия по малым изменениям фазы выходного сигнала вихретокового преобразователя, включенного в систему взаимосвязанных резонансных контуров, возбуждаемых импульсами с линейно-изменяющейся частотой;
структурные схемы и алгоритмы функционирования приборов, служащих для допускового контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитном основании, в которых за счет применения двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала и автоматической коррекции погрешностей преобразования ослаблено влияние зазора на результаты контроля.
Особенности неразрушающего контроля методом вихревых токов
При контроле параметров изделий методом вихревых токов реализуют косвенный метод измерения. При этом используют зависимости амплитуды, фазы, переходных характеристик и частотного спектра токов, возбуждаемых в исследуемом изделии, от его формы и габаритных размеров, физико-механических свойств покрытия и основы, расстояния до измерительного преобразователя, частоты и типа возбуждающего сигнала.
К достоинствам вихретокового метода измерения толщины немагнитных покрытий, нанесенных на ферромагнитную основу, относятся: - возможность дистанционного контроля толщины немагнитных по крытий при отсутствии механического контакта с изделием; - выполнение измерений в реальном масштабе времени; - автоматизация процесса допускового контроля, позволяющая его использовать в условиях крупносерийного производства; - высокая производительность и возможность одновременного контроля нескольких слоев, составленных из немагнитных материалов небольшой толщины (до 100 - 200 мкм) с различной электропроводностью;
Для неразрушающего контроля качества различных материалов (электропроводности или магнитной проницаемости) и технологических свойств изделия (толщины покрытия с учетом геометрических размеров деталей) применяют параметрические вихретоковые преобразователи, выходные сигналы которых зависят от абсолютных размеров изделий и их изменений [3].
При анализе метрологических характеристик устройств контроля эквивалентную схему вихретокового преобразователя представляют в виде набора резистивно-индуктивных элементов. Как правило, в эквивалентной схеме преобразователя учитывают начальные (собственные) индуктивность L и сопротивление обмотки R, зашунтированные сопротивлением нагрузки Ru, и вносимые индуктивность ZBH И сопротивление і?вн (рисунок 1.1, а). Цзых±Д а
Конкретные значения вносимых величин индуктивности ZBH И сопротивления RQH определяются электромагнитными потерями на вихревые токи в контролируемом изделии и существенно зависят от конструкции вихретокового преобразователя и зазора между преобразователем и поверхностью изделия. Поэтому средние (или номинальные) значения вносимых индуктивности ZBH И сопротивления і?вн устанавливают экспериментально по результатам исследований эталонных образцов изделий аналогичной формы.
Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики вихретокового преобразователя увеличиваются с ростом частоты Ув возбуждающего сигнала, причем фазовый сдвиг ф возрастает практически до 90 (рисунок 1.1,6).
Для повышения чувствительности вихретоковый преобразователь возбуждают высокочастотным переменным током /в от источника С большим внутренним сопротивлением. При этом на выходе преобразователя измеряют приращение выходного напряжения AU, которое зависит от суммы вносимых активного і вн и индуктивного Х н j вн сопротивлений [4].
При этом сначала измеряют исходные амплитуду UM\ И фазу фі выходного сигнала преобразователя без контролируемого изделия (при допусковом контроле - на эталонном образце), а затем - амплитуду /м2 и фазу фг напряжения при наличии в зоне контроля испытуемого изделия, после чего вычисляют в аналоговой или в цифровой форме две разности контролируемых параметров.
Точность измерения разностным способом ограничивается кратковременной относительной нестабильностью амплитуды А/в / /в и фазы Афв возбуждающего тока /в- Кроме того, при вычитании близких значений напряжений /мь Uyyi » Af/jvi относительная погрешность измерения амплитуды сигнала увеличивается в U i/AU » 1 раз по сравнению с относительной флуктуацией возбуждающего тока AI#/IQ.
Модель процесса контроля фазовых характеристик при допусковом контроле толщины покрытия
При измерении амплитудно-фазовых параметров выходных сигналов вихретоковых преобразователей, эквивалентных контролируемой толщине немагнитного покрытия, необходимо обеспечивать максимальное энергетическое отношение сигнал/шум. В процессе измерений все компоненты амплитудного спектра импульсов возбуждающего тока I&, подаваемого на вих-ретоковый преобразователь, суммируются с учетом их фазы, вследствие чего на выходе преобразователя образуется пик мощности сигнала, зависящий от электромагнитных характеристик среды, окружающей преобразователь [49].
В общем случае сигнал на выходе вихретокового преобразователя может быть представлен функциональной зависимостью от ряда параметров, приводящих к изменению амплитуды AUM, частоты Аш и фазы Аф электрических колебаний на интервале времени измерения Ат [50]: UBUX=F(T-AT, UM-AUM, со - Асо, ф - Аф). Изменение параметров сигнала вследствие взаимосвязи физических и электрических величин целиком зависит от свойств материала или изделия, оказавшихся в рабочей зоне вихретокового преобразователя. При относительно малых размерах контролируемых изделий изменения амплитудных и фазовых составляющих выходного сигнала преобразователя незначительны и могут зависеть от ряда влияющих факторов (температуры, расстояния до объекта контроля, особенностей технологического процесса), которые относятся к мешающим воздействиям, влияющим на результаты измерений.
Сигналы, отражающие состояние контролируемых параметров материалов и изделий (толщины и электропроводности покрытия, электропроводности и магнитной проницаемости основы, размеров деталей и т. п.) можно рассматривать, с учетом вышеизложенного, как случайный процесс, принимающий заранее неизвестные значения из некоторого множества. Известны два способа априорного описания случайных процессов [51]: путем задания уравнения состояния формирующего фильтра или динамической системы.или путем задания многомерной функции распределения вероятностей непосредственно рассматриваемого случайного процесса. Уравнение формирующего фильтра, отражающее качество материала и функциональные параметры изделия, может быть нелинейным, многомерным, интег-ро-дифференциальным, с переменными или случайными коэффициентами, что соответствует инерционному нелинейному преобразованию, приводящему к негауссовскому распределению процесса на выходе формирующего фильтра. В связи с этим нужно оценить свойства вихретокового преобразователя для случаев измерения информативных параметров при воздействии помех, приводящих к случайным негауссовским изменениям фазы сигнала.
При контроле параметров в узком диапазоне амплитуда выходного сигнала /Ум вихретокового преобразователя мало изменяется, а его частота С в известна. При этом фаза ф(ґ) представляет собой случайный процесс, зависящий от толщины покрытия и ферромагнитных параметров изделия с частично известными статистическими характеристиками. Такое допущение правомерно для вихретоковых преобразователей, используемых для допус-кового контроля толщины немагнитного покрытия, в которых фаза сигнала зависит от электрической проводимости покрытия и основы изделия. Выбор модели изменения фазы Аф(0 выходного сигнала преобразователя в зависимости от контролируемого параметра принято выполнять вероятностными методами. По данным ряда авторов [53 - 57], изменения фазы можно аппроксимировать стационарным гауссовским марковским шумом, имеющим определенную дисперсию флуктуации фазы выходного сигнала.
Однако в общем случае уравнение, описывающее задачу фильтрации изменения фазы Аф(0, не имеет точного решения, поэтому обычно используется приближенный способ, основанный на аппроксимации вероятности W(Atyfj) гауссовской плотностью распределения, которая представляет собой разложение логарифма плотности вероятности в ряд Тейлора около экстраполированного значения фазы Афэл выходного сигнала преобразователя [58].
Применение вихретоковых преобразователей в составе ZC-контура, имеющего высокую добротность, позволяет значительно уменьшить дисперсию фазы и тем самым повысить точность измерения толщины покрытия и достоверность результатов допускового контроля.
В большинстве случаев процесс допускового контроля реализуется в три этапа: сначала измеряются амплитудно-фазовые параметры эталонного образца, затем - параметры контролируемого изделия аналогичной формы, после чего выполняется вычитание результатов двух измерений и их сравнение с допустимыми граничными значениями. Для повышения производительности контроля параметры изделий с эталонной толщиной покрытия могут измеряться только один раз перед началом контроля партии исследуемых образцов, либо они заранее вводятся в память микропроцессорного блока обработки данных для последующего автоматического сравнения с результатами измерений контролируемой толщины покрытия [36].
Разделение во времени процессов измерений эталонной и исследуемой толщины покрытий приводит в ряде случаев к понижению достоверности результатов допускового контроля, обусловленных, в частности, изменением температуры окружающей среды, влиянием случайных помех, шумов и т. п. Радикальным способом, позволяющим уменьшить влияние мешающих факторов на результаты измерений, является одновременная подача возбуждающего сигнала на образцовую и исследуемую детали одинаковой формы с вычитанием или выделением разностных амплитудно-фазовых параметров в реальном масштабе времени. Реализация такого способа возможна, в частности, при подключении двух вихретоковых преобразователей в измерительную систему на основе двух резонансных ZC-контуров со слабой емкостной связью между ними. Практически такие взаимосвязанные ZC-контуры применяются для фильтрации высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах, и позволяют обеспечить равномерность амплитудно-частотной характеристики повысить коэффициент прямоугольности фильтра [59].
Двухпараметровый контроль толщины покрытия со следящей разверткой частоты возбуждающего сигнала
При контроле толщины немагнитного покрытия в условиях технологического производства провода металлокорда требуется учитывать влияние дестабилизирующих факторов. Качество выпускаемой продукции существенно зависит от изменения температуры, от концентрации и химического состава материалов, применяемых при его изготовлении, и т. п. Данные параметры изменяются сравнительно медленно по сравнению со скоростью протяжки провода на разных технологических этапах его производства. В то же время при периодическом выборочном контроле толщины покрытия в процессе протяжки провода металлокорда возможна существенная дисперсия результатов из-за нестабильности зазора между вихретоковыми преобразователями и контролируемой поверхностью провода. Вследствие этого целесообразно реализовать контроль качества продукции по некоторому обобщенному показателю, характеризующему среднее значение толщины покрытия, а не по результатам измерений на отдельных участках поверхности провода.
Учитывая ограничения по точности измерения фазовых параметров высокочастотных сигналов, рассмотренные в первой главе, для контроля качества провода по интегральному показателю модифицирован ранее предложенный способ двухпараметрового контроля. При этом вместо циклической двухтактной развертки частоты импульсов тока, подаваемых на обмотку вих-ретокового преобразователя, выполняеися непрерывное слежение за резонансной частотой параллельного ZC-контура, по изменению которой можно судить о качестве контролируемого покрытия.
Согласно результатам моделирования, приведенным во второй главе, для повышения фазовой чувствительности устройства целесообразно использовать двухконтурную схему подключения эталонного и рабочего вихрето-ковых преобразователей. При этом неподвижный образец провода с образцовым покрытием устанавливается в эталонный преобразователь, который подключается к образцовому ZoCo-контуру, а через рабочий вихретоковый преобразователь, подключенный к ZC-контуру, протягивается контролируемый провод. Для повышения фазовой чувствительности и обеспечения высокой добротности взаимосвязанных LC-контуров необходимо использовать катушки намагничивания без ферромагнитных магнитопроводов, чтобы исключить дополнительные потери на вихревые токи в области высоких частот.
Принцип следящего регулирования частоты возбуждающих импульсов заключается в том, что в непрерывном цикле контроля изменяется направление развертки частоты импульсов при каждом изменении знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами рабочего преобразователя. При этом, в отличие от предыдущего двухтактного способа контроля, амплитудный детектор подключается к выходу рабочего преобразователя, а формирователь импульсов в цепи выделения фазы сигнала - к образцовому вих-ретоковому преобразователю. Такое разделение цепей позволяет сочетать высокую фазовую чувствительность с равномерностью амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне контроля толщины покрытия.
Большинство функциональных узлов, применяемых для следящего регулирования частоты импульсов возбуждающего тока, аналогично по назначению предыдущему случаю. Амплитудным детектором АД и усилителем ДУ выделяется и усиливается сигнал разбаланса Up=Ku(Uuop м) между пороговым значением (С/ПОР 2 В), формируемым источником напряжений ИОН, и амплитудой UM ВЫХОДНОГО сигнала рабочего преобразователя, входящего в состав ZC-контура. Напряжением разбаланса Up регулируется амплитуда импульсов тока /в на выходе преобразователя напряжение/ток ПНТ. Формирователь ФИ преобразует выходной сигнал образцового вихретоково-го преобразователя /вых(0 в импульсы, которые сравниваются по фазе D-триггером с выходными импульсами генератора УТИ. Интегратор ИНТ и аналоговый коммутатор АК служат для линейной развертки частоты импульсов генератора УГИ и для изменения направления развертки в разных тактах.
Если частота /в выходных импульсов УГИ не превышает резонансной частоты связанных 1,С-контуров (/в fp), то разность фаз между входными импульсами тока IQ и выходным сигналом образцового /,оСо контУРа будет положительной (ф 0). При равенстве данных частот в — fp фазовый угол ф резко переходит через нулевое значение (ф = 0), и при дальнейшем повышении частоты импульсов УГИ в fv фаза становится отрицательной (ф 0).
В зависимости от знака разности фаз изменяется выходной сигнал фазового компаратора на .D-триггере - при ф 0 D-триггер находится в высоком (единичном) состоянии, а при фазе ф 0 - в низком (нулевом) состоянии. При каждом срабатывании D-триггер переводит коммутатор АК в противоположное состояние, изменяя полярность напряжения, подаваемого на вход интегратора ИНТ от двухполярного источника напряжения ИОН. При этом выходное напряжение интегратора ИНТ начинает линейно повышаться или уменьшаться, что приводит к пропорциональному возрастанию или снижению частоты /в импульсов на выходе управляемого генератора УГИ. Непрерывность процесса контроля качества покрытия по интегральному показателю позволяет уменьшить скорость нарастания и спада частоты возбуждающих импульсов f& в соседних тактах преобразования и тем самым практически исключить погрешность от "сноса" частоты резонанса А/р.
Наличие зоны фазовой нечувствительности Аф может привести к флуктуации частоты возбуждающего сигнала А/в относительно резонансной Jp при следящем регулировании частоты возбуждающего сигнала. В частности, при частоте резонанса 7Р = 1 МГц средняя длительность периода импульсов возбуждающего сигнала составляет 7в - 1//Р = 1 мке, и при ее относительном изменении от нечувствительности / -триггера на ІфрІТр 0,4 % частота возбуждающих импульсов в режиме слежения может изменяться в диапазоне от 998 до 1002 кГц, или на А/в = 4 кГц, что уменьшает точность измерения.
Разработка высокочастотного блока прибора допускового контроля толщины покрытий малогабаритных деталей
Схемотехнические решения, опробованные при изготовлении экспериментальной установки для измерения толщины покрытия в лабораторных условиях, были использованы при разработке малогабаритного устройства допускового контроля, предназначенного для использования на производстве.
Аналогично экспериментальной установке, в схеме высокочастотного блока допускового контроля реализуется операция вычитания образцовой fQ и резонансной частот (рисунок 4.8). Кроме этого, в автономном устройстве выполняется преобразование разностной частоты Д/р в постоянное выходное напряжение для его последующего измерения цифровым мультиметром. При этом с помощью делителя частоты (ДЧ) формируются низкочастотные импульсы стабильной длительности, зависящей от коэффициента деления частоты КдЧ, которая определяется выражением Ти = Кщ//0. Триггеры Z 5, D6 с элементом "Исключающее ИЛИ" D1 выполняют функцию удвоения частоты. В процессе преобразования разностной частоты в напряжение импульсы стабильной длительности Тц появляются на выходе элемента "Исключающее ИЛИ" D1 по срезу и по фронту импульсов разностной частоты Д/р = fo fp, т. е. два раза в каждом ее периоде. Получаемые на выходе элемента "Исключающее ИЛИ" D1 импульсы усредняются низкочастотным і?фСф-фильтром, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное частоте: 11ф = HJumn-Afp = 2С/пигА/р " дч//о Делитель напряжения на резисторах Rh R2 применен для компенсации начального значения разностной частоты А/Р.НАЧ поэтому показания мультиметра соответствуют ее отклонению Д/р, зависящему от толщины покрытия.
В приборе используется генератор образцовой частоты /Q — 8 МГц с цифровым делителем на микросхеме типа КР1554ИЕ10, имеющей входы предварительной записи, которая задает коэффициент деления частоты К%ц = 8. При установке начального значения разностной частоты Д/р =f0 —fp = 200 кГц, соответствующего нулевой толщине контролируемого покрытия, и применении источника автономного питания с напряжением Unm = 5 В исходное напряжение на выходе 7?фСф-фильтра составляет Ц&.НАЧ = 2-5-200-8/8000 = 2 В.
Практически во всем диапазоне контроля толщины покрытия относительное изменение индуктивности вихретокового преобразователя не превышает AL\/L] ±0,5%, поэтому выходное напряжение высокочастотного блока изменяется максимально на величину Л/ф ±190 мВ. Это позволяет, во-первых, регулировкой потенциометра R2 установить напряжение на выходе резистивного делителя равным начальному напряжению UKI Ф.НАЧ — 2 В, а во-вторых, использовать мультиметр Г-830В на младшем пределе измерения LTIP 200 мВ, обеспечивая его высокую чувствительность (AU= 0,1 мВ) к изменению толщины контролируемого покрытия. Применение мультиметра DT-S30В с двухтактным интегрирующим преобразованием для контроля толщины покрытия в условиях производства позволяет резко ослабить влияние помехи сетевой частоты 50 Гц на стабильность результатов измерений.
Сравнительная простота схемы выносного блока контроля (рисунок 4.8) обеспечена в результате решения нескольких инженерных и технологических задач, связанных с минимизацией погрешности преобразования и уменьшением дисперсии получаемых результатов, а также с уменьшением потребляемой мощности и уровня радиопомех, возникающих при работе прибора.
В частности, расчетная амплитуда высокочастотного напряжения на обмотке возбуждения вихретокового преобразователя составляет Uu 2,5 В, и при резонансном сопротивлении p = JLl/C[ 1 кОм мощность высокочастотного сигнала сравнительно невелика: РЕЧ = / /2р 3,1 мВ. Вследствие этого потребовалось применять электромагнитное экранирование вихретокового преобразователя, а также и всей платы высокочастотного блока, чтобы исключить влияние радиопомех и наводок на результаты контроля. 2 4 б 8 10 12 h,MKM
Особенность допускового контроля толщины покрытия при различной электрической проводимости немагнитных материалов заключается в том, что его практический результат заключается в сравнении измеряемых значений толщины h с допустимыми границами, составляющими 5,5 и 6,5 мкм. При использовании автономного прибора с нелинейными функциями преобразования (рисунок 4.9) для контроля толщины необходимо заранее знать материал покрытия, чтобы сравнивать показания мультиметра (в милливольтах) с заданными для данного материала пределами. В частности, при контроле качества никелированного покрытия тиристорных выводов показания цифрового мультиметра )Г-830 должны лежать в пределах от /МИн = 29 мВ до UMAX 34 мВ. При аналогичной толщине серебряного покрытия выводов светодиодов - в пределах от UMm\= 54 мВ до UMAX = 59 мВ, и т. п.
Экспериментально установлено, что для подавляющего большинства контролируемых покрытий на клеммах и выводах электронных изделий, выпускаемых ПО "Протон", допустимый диапазон изменения напряжения на выходе цифрового мультиметра не превышает AU = UMAX— 4шн (5...7) мВ. С учетом этого при выборочном контроле толщины покрытия микроэлектронных изделий разного типа использовался метод замещения. Сначала в вихретоковом датчике устанавливалась деталь с эталонной толщиной покрытия /гэ, и фиксировалось показание мультиметра /э в милливольтах, а затем вместо образцовой детали размещалось контролируемое изделие, и после измерения С/РАБ выполнялось вычитание полученных напряжений и их сравнение с допустимым диапазоном по простому условию U3 - f/рдБ ± 3 мВ.
В практическом плане применение сравнительно простого и портативного цифрового устройства контроля с автономным питанием позволяет измерять толщину покрытия и оценивать качество изделий на разных этапах технологического процесса без существенных материальных и временных затрат. При этом нелинейность характеристики преобразования сравнительно мало влияет на достоверность результатов допускового контроля вследствие узкого диапазона измерения (в окрестности одной рабочей точки).
Неразрушающий контроль толщины немагнитных покрытий сводится в общем случае к определению дифференциальных параметров, получаемых посредством цифрового измерения и вычитания амплитудных или фазовых значений сигнала на выходе вихретокового преобразователя. При известной или заданной частоте возбуждающего сигнала процесс измерения амплитуды, фазы или частоты резонансного напряжения преобразователя в процессе контроля можно представить в виде непрерывной функции. Характеристики полученной таким образом функции зависят от совокупного влияния контролируемой толщины покрытия и неинформативных параметров [97].
