Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных направлений повышения эффективности методов тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронных устройств 17
1.1 Функциональный узел радиоэлектронного устройства как объект тепловой диагностики 18
1.2 Методы тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства 26
1.3 Технические средства тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронных устройств 39
1.4 Цели и задачи исследования 44
2 Математическое обеспечение процесса тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства 46
2.1 Состав и структура математического обеспечения процесса тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства 46
2.2 Математическая модель формирования теплового образа функционального узла радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования 48
2.3 Математическая модель формирования эффективного теплового излучения функциональным узлом радиоэлектронного устройства 52
2.4 Математическая реализация тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронных устройств 63
2.5 Основные выводы главы 72
3 Метод и алгоритмы тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства 74
3.1 Методика и алгоритм тепловой диагностики на этапе эскизного и технического проектирования функциональных узлов радиоэлектронного устройства 74
3.2 Методика и алгоритм тепловой диагностики на этапе создания экспериментального образца функциональных узлов радиоэлектронного устройства 81
3.3 Методика и алгоритм тепловой диагностики на этапе серийного производства функциональных узлов радиоэлектронного устройства 84
3.4 Методика обоснования требований к аппаратуре бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей 90
3.5 Основные выводы главы 99
4 Применение разработанного метода тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства 101
4.1 Структурная схема процесса тепловой диагностики функциональных узлов
101
4.2 Результаты тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования
4.3 Результаты тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на этапе создания экспериментального образца 114
4.4 Результаты тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на этапе серийного производства
4.5 Основные выводы главы
Заключение
Литература
- Методы тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства
- Математическая модель формирования теплового образа функционального узла радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования
- Методика и алгоритм тепловой диагностики на этапе создания экспериментального образца функциональных узлов радиоэлектронного устройства
- Результаты тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования
Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние и перспективы развития радиоэлектронных устройств (РЭУ), применяемых в области связи, телекоммуникаций, вычислительной техники, характеризуются постоянным повышением уровня производительности, улучшением эксплуатационных свойств, миниатюризацией конструкции и, как следствие, увеличением плотности компоновки отдельных радиоэлектронных модулей (функциональных узлов). При этом одним из важнейших параметров, характеризующих качество РЭУ, является их надежность. Одним из главных путей достижения высоких надежностных характеристик разрабатываемых РЭУ является процесс диагностики элементов как отдельно взятых, так и в составе его функциональных узлов. Актуальность диагностики элементов обусловлена необходимостью учета физических процессов, влияющих на надежностные и электрические характеристики устройства на всех этапах проектирования, производства и эксплуатации РЭУ. Одним из таких процессов, позволяющих оценить надежность функциональных узлов (например, печатных плат), является тепловой процесс, устанавливающий тепловые режимы элементов РЭУ, которые могут являться индикатором их аномальной работы. В связи с этим процесс проектирования современных РЭУ должен включать процедуру получения информации о тепловых режимах элементов функциональных узлов РЭУ на этапе эскизного и технического проектирования, разработки экспериментальных образцов (ЭО) и при серийном производстве. Получение такой информации возможно на основе математического моделирования и (или) проведения экспериментальных исследований.
На сегодняшний день в условиях развитой системы математического моделирования и наличия высокопроизводительных средств измерения существует ряд нерешенных задач в области технологии создания высоконадежных РЭУ. В качестве таких нерешенных задач необходимо отметить следующие:
при наличии дорогостоящих программ по расчету тепловых режимов элементов РЭУ их практическое применение существенным образом ограничено или становится невозможным ввиду необходимости использования большого количества исходных данных;
отсутствует единая технология тепловой диагностики элементов на основе анализа их теплофизических характеристик в процессе их эскизного и технического проектирования, разработки ЭО и серийного производства;
отсутствует единый методический подход к решению задач математического моделирования тепловых образов функциональных узлов РЭУ и расчета их надежностных характеристик;
в интересах повышения надежностных характеристик РЭУ не решены вопросы сопоставительного анализа результатов математического моделирования и экспериментальных исследований на этапах создания РЭУ;
недостаточно полно решены вопросы методического обеспечения тепловой диагностики РЭУ на основе тепловизионных измерений.
В связи с этим для повышения эффективности и качества создания РЭУ необходимо решить задачу создания метода бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей на этапах их проектирования и производства путем анализа их тепловых образов. Решение такой задачи возможно на основе сочетания математического моделирования и результатов натурного измерения тепловых процессов в функциональных узлах РЭУ, а также реализации процедуры диагностики,
направленной на оценку достоверности проектных решений, технический прогноз надежности и разработку рекомендаций по конструктивному исполнению РЭУ.
Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки современной технологической схемы диагностики, методов, математических моделей, алгоритмов и программных средств, направленных на повышение надежности элементов функциональных узлов РЭУ путем решения задач тепловой диагностики элементов функциональных узлов РЭУ в процессе эскизного и технического проектирования, создания ЭО и серийного производства.
Работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема и обработки информации» в рамках ГБ НИР 2010.17 «Разработка и совершенствование методов автоматизированного конструкторского и технологического проектирования современных радиоэлектронных средств» и ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных средств».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка метода бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей на основе анализа их тепловых образов, полученных путем математического моделирования и (или) экспериментальных исследований в процессе эскизного и технического проектирования, разработки экспериментальных (опытных) образцов и серийного производства. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ состояния и обосновать основные направления разработки методов тепловой диагностики радиоэлектронных модулей, в качестве которых рассматриваются функциональные узлы РЭУ в виде печатных плат с обоснованием возможности решения задач диагностирования по их тепловым образам.
-
Разработать математические модели формирования тепловых образов функциональных узлов РЭУ, обеспечивающие возможность диагностики элементов на основе анализа их тепловых характеристик (истинных и радиационных температур).
-
Разработать метод диагностики элементов радиоэлектронной аппаратуры на основе теоретических расчетов их тепловых характеристик и результатов теплового контроля.
-
Разработать структурную схему процесса тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на основе расчетных и (или) измеренных значений их тепловых характеристик в процессе эскизного и технического проектирования, разработки ЭО и серийного производства.
-
Провести экспериментальные исследования, направленные на подтверждение достоверности результатов работы и разработанных программно-методических средств.
-
Осуществить внедрение разработанного метода тепловой диагностики в практику производства РЭУ.
Методы исследования. Исследования выполнены с использованием современных методов теоретической фотометрии, геометрической оптики, компьютерной графики и методов математического моделирования тепловых процессов на основе теории теплопроводности и теплообмена.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
математическая модель формирования тепловых образов, разработанная в предложении квазистационарного теплового режима элементов функционального узла, обеспечивающая решение задач диагностики элементов радиоэлектронной аппаратуры на основе анализа их тепловых характеристик, рассчитанных с учетом их термодинамического состояния, оптических характеристик поверхности и условий внешнего (фонового) облучения;
методика оценки соответствия тепловых режимов элементов функциональных узлов РЭУ их номинальным значениям, отличающаяся от известных тем, что в предложенной методике реализован способ тепловой диагностики на основе применения расчетно-экспериментальных методов, включающих процедуру распознавания тепловых образов функциональных узлов РЭУ, основанную на вычислении функции сходства между эталонным и диагностируемым тепловыми образами, описанными векторами признаков, содержащими информацию о геометрическом расположении элементов функциональных узлов РЭУ и их тепловых характеристиках;
методика обоснования требований к аппаратуре бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей, содержащая процедуру определения совокупности требований по ее назначению, выполняемым функциям, техническим характеристикам и условиям применения. Обоснование требований к аппаратуре бесконтактной диагностики осуществлено на основе расчетных соотношений, анализа технических достижений в области создания тепловизионной техники и государственных стандартов;
структура процесса и состав процедур диагностики функциональных узлов РЭУ на основе анализа их тепловых характеристик, отличающиеся комплексным подходом к решению задач диагностики элементов в процессе их проектирования и производства, содержащим методы математического моделирования и экспериментальных измерений тепловых характеристик.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработаны метод, способы и алгоритмы, позволяющие комплексно решать задачи создания высоконадежных РЭУ за счет своевременной диагностики тепловых режимов элементов и выявления потенциально ненадежных элементов на этапах проектирования и производства. Применение разработанных метода, способов и алгоритмов диагностики элементов РЭУ в процессе их проектирования и производства обеспечивает повышение качества проектных решений и надежности разрабатываемых РЭУ при существенном сокращении времени и стоимости их диагностики.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик и программно-методических средств использовались при разработке ЭО радиолокационных станций и оптико-электронной аппаратуры для решения задач тепловой диагностики функциональных узлов данной аппаратуры и внедрены в ОАО «НИИ «Кулон» и ЗАО «Реагент», а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» направления подготовки 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств», магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения» (лабораторный практикум). На основе результатов работы изданы методические указания к лабораторной работе «Метод математического моделирования тепловых образов радиоэлектронных элементов на печатной плате».
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2009)» (Сочи, 2009); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2010)» (Сочи, 2010); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика-2011)» (Сочи, 2011); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2011» (Пенза, 2011, 2013), Конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 учебно-методическая разработка и подана 1 заявка на патент. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: математическая модель процесса формирования эффективного теплового излучения поверхности конструкции [1, 3, 7, 8]; математическая модель формирования излучения объекта в ИК диапазоне длин волн [4]; методика диагностики печатных плат на основе теоретических расчетов и экспериментальных данных [2, 9, 10, 11]; синтеза тепловых образов элементов радиоэлектронных средств [8. 12]; методика распознания объекта тепловизионными средствами наблюдения [13]; основные задачи, структура и математическое обеспечение формирования эффективного теплового излучения поверхности объекта с учетом влияния полостных отверстий [5].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 120 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 144 страницах, содержит 41 рисунок, 11 таблиц.
Методы тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства
Современное состояние развития радиоэлектронных устройств (РЭУ) характеризуется высоким уровнем их технических и эксплуатационных характеристик. Данный уровень прежде всего обусловлен постоянным повышением производительности цифровых устройств, миниатюризацией конструкций и увеличением плотности компоновки функциональных узлов РЭУ. Высокая конкурентная борьба на рынке промышленной и бытовой радиоэлектроники требует существенного повышения надежности разрабатываемых РЭУ при минимальных финансово-экономических затратах. Одним из основных направлений повышения надежности РЭУ является его диагностика на всех этапах создания РЭУ: эскизного и технического проектирования, разработки экспериментального образца и серийного производства. Среди наиболее эффективных видов диагностики является термографический контроль, который позволяет оценить уровень надежности РЭУ или провести дефектацию элементов функциональных узлов РЭУ за счет фиксации и анализа их теплового режима (тепловая диагностика).
К сожалению, на сегодняшний день при большом количестве программно-методических комплексов (ProEngeneer, АСОНИКА-Т, ТРиАНА, BetaSoft, Thermodel, ANSYS, Flotherm, Package Thermal Designer) позволяющих рассчитывать тепловые режимы работы от отдельно взятого радиоэлемента до устройства в целом, практически отсутствует единый методический подход к тепловой диагностике РЭУ, позволяющий ее вести от момента проектирования до серийного производства и обеспечивать возможность задания оптимальных характеристики отдельных узлов, устройств и комплексов РЭУ в интересах повышения их надежности за счет поддержания требуемых тепловых режимов. 1.1 Функциональный узел радиоэлектронного устройства как объект тепловой диагностики
В современных условиях одним из важных требований, предъявляемых к РЭУ, является высокая надежность и качество выпускаемой техники, т.е. возможность сохранять способность к выполнению своих функций в заданных условиях эксплуатации. Поэтому в настоящее время во всем мире ведется поиск методов и средств повышения качества и надежности РЭУ, выполняемых на основе функциональных узлов, в качестве которых используются печатные платы. Печатные платы являются основными узлами, применяемыми при построении конструктивных узлов, блоков и комплексов РЭУ.
Технология создания РЭУ является многоэтапным процессом и, как правило, содержит: - эскизное и техническое проектирование, включающее процедуру разработки электрических принципиальных схем, схем размещения элементов на печатной плате и др., на основе которых разрабатывается экспериментальный образец; - создание экспериментального образца, для отработки технологии создания опытного и серийного образца; - серийное производство. При этом каждый этап может сопровождаться наличием дефектов, что в конечном итоге приводит к изменению требуемых технических характеристик РЭУ или нарушению его работоспособности.
Анализ результатов промышленного производства таких функциональных узлов РЭУ как печатные платы показал, что при их проектировании и производстве от 10 до 30% смонтированных элементов на печатных платах, работают в режимах, не отвечающих требованиям по надежности [19, 20, 21, 22-24]. Несмотря на то, что сейчас технология изготовления компонентов РЭУ достигла высокого уровня, не исключается возможность наличия в них различного рода дефектов, в том числе и на стадии производства. Данные недостатки прежде всего определяются ошибками в конструкторской и технической документации, отсутствием на предприятии полного входного контроля элементов, нарушением процедуры подготовки радиоэлементов к сборке, не правильными условиями хранения и транспортировки радиоэлементов, низким уровнем технологии изготовления, недостаточной квалификацией персонала и другими причинами.
В интересах снижения временных и финансовых затрат на поиск и устранение дефектов целесообразно проводить диагностику на всех этапах технологического процесса создания РЭУ.
В настоящее время существует большое количество различных способов диагностики РЭУ, реализующих контактные и бесконтактные методы [6]. Одним из перспективных и эффективных методов диагностики РЭУ является бесконтактный метод, основанный на регистрации электромагнитного излучения в инфракрасной области спектра (далее по тексту - теплового излучения), сформированного элементом или их совокупностью в составе функционального узла, блока или устройства. Тепловое излучение элемента отражает физические процессы, прежде всего электрические и тепловые, протекающие в функциональном узле и обусловлено следующими факторами:
Математическая модель формирования теплового образа функционального узла радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования
Этап проведения измерений предусматривает получение измеренных значений истинных температур, полученных контактным способом с помощью устройств, предназначенных для измерения температур (контактные термометры, термопары и т.п.), и радиационных температур, полученных бесконтактным способом с помощью пирометрических и тепловизионных устройств. При этом следует заметить, что для проведения анализа соответствия измеренных значений истинных и радиационных температур заданным (номинальным) значениям, (особенно это касается процедуры автоматического анализа) формируется тепловой образ РЭУ. Процедура формирования теплового образа по результатам контактных измерений и с помощью пирометрических устройств является весьма трудоемкой и в условиях высокой плотности монтажа практически нереализуемой. В то же время формирование теплового образа с помощью тепловизоров осуществляется автоматически, что делает их единственно возможным средством теплового контроля, пригодным для ведения тепловой диагностики РЭУ в условиях непосредственного тепловизионного наблюдения и в условиях автоматической диагностики. Этап проведения анализа на соответствие эталонных и полученных экспериментальным путем тепловых образов РЭУ, сформированных на основе измеренных значений истинных и (или) радиационных температур, как правило, осуществляется на основе сравнения измеренных значений истинных и (или) радиационных температур элементов РЭУ с их эталонными (номинальными) значениями, находящими в соответствующих базах данных, полученных либо по результатам математического моделирования, либо натурных измерений. Соответствие измеренных и эталонных истинных и (или) радиационных температур элементов РЭУ позволяет сделать вывод об его оптимальном конструктивном исполнении с точки зрения соблюдения заданного теплового режима. В случае несоответствия измеренных и эталонных (номинальных) значений истинных и (или) радиационных температур элементов должна проводиться корректировка конструктивных решений для достижения номинального теплового режима элементов и функционального узла в целом.
Сам процесс диагностики прежде всего направлен на выявление неисправных или элементов РЭУ с пониженным уровнем надежности (эксплуатационные параметры элементов не соответствуют номинальным значениям) и корректировка схемотехнических и конструкционных решений в интересах обеспечения номинальных значений тепловых режимов элементов. Состав критериев, характеризующих оптимальный тепловой режим элементов и методы их формирования, рассмотрен в [6, 47, 48, 51, 53, 77, 81, 82, 92]. В качестве основных рекомендовано применять такие, как: средняя истинная температура, перегрев, среднее квадратичное отклонение истинной температуры. Использование данных критериев в методиках и алгоритмах, направленных на оценку эффективности теплового проектирования узлов и устройств различных типов рассмотрены в [47, 48, 51, 81, 82, 93], однако, при достаточно полной проработке вопросов расчета тепловых характеристик РЭУ, недостаточное внимание уделено решению диагностических задач, призванных существенным образом повышать уровень надежности РЭУ при проектировании и производстве. Сложившееся ситуация требует создания соответствующего математического обеспечения в части описания тепловых образов с помощью энергетических и геометрических признаков, необходимых для решения задач автоматизации процесса диагностики, а также математического описания процедуры принятия решения при проведении сравнительного анализа рассчитанных и (или) измеренных тепловых образов РЭУ с эталонными.
Кроме того, для повышения эффективности теплового проектирования РЭУ на основе решения задач тепловой диагностики, а также их автоматизации как одного из этапов теплового проектирования требуется разработка ряда математических моделей, обеспечивающих выполнение следующих функций: - на этапе эскизного и технического проектирования - формирование тепловых образов функциональных узлов РЭУ, обеспечивающих расчет их истинных температур для дальнейшего использования в качестве исходных данных, для реализации процедуры тепловой диагностики; - на этапе создания экспериментального образца и серийного производства -формирование тепловых образов функциональных узлов РЭУ в виде распределения истинных температур, полученных на основе измеренных значений радиационной температуры с помощью пирометрических и тепловизионных, средств для дальнейшего использования в качестве исходных данных для реализации процедуры тепловой диагностики; - на этапах эскизного и технического проектирования, а также создания экспериментального образца и серийного производства - реализация алгоритма тепловой диагностики, обеспечивающего процедуру сравнительного анализа рассчитанного или измеренного теплового образа с эталонным, позволяющего сделать вывод о неисправности и (или) о нарушении теплового режима отдельно взятого элемента или функционального узла в целом.
Методика и алгоритм тепловой диагностики на этапе создания экспериментального образца функциональных узлов радиоэлектронного устройства
Аналогичность или совпадение признаков исследуемого и эталонного из библиотеки образов объектов определяется на основе совпадения численных значений признаков с учетом заданных величин доверительного интервала. Учитывая, что в вектор вторичных признаков входят координаты энергетических центров излучения (Xji,Yji) и энергетические параметры в виде значения радиационной (истинной) температуры соответствующего центра излучения t0 ji, энергетические параметры описываются некоторыми интервальными характеристиками, например доверительными интервалами. Наличие доверительных интервалов обусловлено тем, что для нормальной работы элементов существует рабочий диапазон температур, который позволяет обеспечивать работу элемента с заданными характеристиками надежности, а с изменением энергетического состояния радиоэлемента площадь энергетического центра может быть «размыта». Сделать оценки, определяющие численные значения доверительных интервалов элементов вектора признаков распознавания можно на основе статистических исследований тепловых образов функциональных узлов РЭУ.
Физический смысл вероятности сходства Рс носит двойственный характер. С одной стороны, расчет вероятности сходства Рс обеспечивает окончательный выбор эталонного образа для проведения сравнительного анализа, с другой стороны, обеспечивает исходной информацией для расчета надежностных характеристик отдельно взятых элементов. Предполагается, что исправность объекта определяется исправностью всех составных элементов объекта, т.е. Рс=1. В случае Рс 1 объект либо неисправен, либо находится в состоянии пониженной надежности. Локализация неисправности и выявление элемента с пониженной надежностью (температурный режим не соответствует установленным нормам) осуществляется на основе анализа вектора признаков М, сформированного в двоичном коде, элементам которого присваивается значение единица, если относительные доверительные интервалы численных значений соответствующих признаков, принадлежащих исследуемому объекту и объекту из библиотеки образцов, пересекаются, и ноль - в противном случае. Значение А определяется в результате подсчета числа совпадений соответствующих признаков в векторе М, а S - не совпадений.
Выбор предложенного методического подхода для расчета вероятности сходства объектов по их тепловым образам определяется его простотой и достаточной точностью. Применение эвристических методов расчета вероятности сходства объектов по сравнению со статистическими менее трудоемки как в подготовке исходных данных, так и в проведении последующих расчетов с применением ЭВМ при достаточно низкой погрешности. Использование предложенного методического подхода может служить основой для разработки средств и способов, предназначенных для проведения операций автоматического определения эталонных тепловых образов объекта.
По результатам сравнительного анализа осуществляется процесс расчета надежностных характеристик отдельно взятого элемента и функционального узла. В качестве количественного показателя надежности используется величина вероятности безотказной работы. Процедура расчета надежности предполагает первоначальное выделение элементов, где вторичным признакам (в виде температур) присвоено нулевое значение, т.е. несоответствие измеренных (расчетных) энергетических параметров эталонным значениям. Для выделенных элементов осуществляется расчет вероятности безотказной работы Рбр по формуле[115]: Р бРі=е Т Т\ (2.4.3) где от i - параметр экспоненциального распределения для i-го элемента, у которого энергетический параметр не соответствует номинальному значению, численно равный интенсивности отказов этого элемента; з - заданное время наработки на отказ. Вероятность безотказной работы функционального узла рассчитывается как произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов по формуле[115]: Р =Пе ОТ Тз . (2.4.4) При этом следует заметить, что интенсивность отказа элемента с учетом его теплового режима ЛОТІ определяется по формуле [115]: (2.4.5) где Лот б - базовое значение интенсивности отказов конкретного типа элементов[115]; Kt - коэффициент, учитывающий тепловой режим элемента [115]. В общем случае Кt является функцией рабочей температуры элемента Траб и величины перегрева данного д. В конечном виде вероятность безотказной работы элемента будет иметь следующий вид[115]:
Реализация процесса тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на этапах эскизного и технического проектирования, разработки экспериментальных образцов, а также серийного производства в виде методик и алгоритмов будет представлена в третьей главе диссертационной работы.
1. Предложен состав и структура математического обеспечения процесса тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на всех этапах их разработки и производства, позволяющего решать задачи анализа и формирования при выполнении теплового проектирования.
2. Разработана математическая модель формирования теплового образа функционального узла радиоэлектронного устройства на основе реализации аналитического метода расчета температурного поля с локальными источниками в виде распределения термодинамических (истинных) температур, которая позволяет обеспечивать проведение тепловой диагностики на этапе эскизного и технического проектирования путем проведения сравнительного анализа эталонных и рассчитанных значений термодинамических температур элементов с последующим расчетом надежностных характеристик разрабатываемого функционального узла.
3. Разработана математическая модель формирования эффективного теплового излучения функциональным узлом РЭУ, учитывающего собственное и переотраженное тепловое излучение в конкретных спектральных диапазонах электромагнитного излучения, которая позволяет обеспечивать проведение тепловой диагностики как при создании экспериментального образца функционального узла РЭУ, так и при его серийном производстве путем проведения сравнительного анализа эталонных и рассчитанных тепловых образов РЭУ с распределением радиационных и (или) истинных температур по поверхности функционального узла РЭУ с последующим расчетом его надежностных характеристик.
4. Предложена математическая реализация процесса тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ, предусматривающая нахождение эталонного образа из библиотеки и сличение исследуемого теплового образа с эталоном с целью выработки заключения о степени соответствия исследуемого и эталонного образов в интересах проверки теплового режима каждого элемента функционального узла, а также расчета надежностных характеристик как отдельно взятого элемента, так и функционального узла в целом.
Результаты тепловой диагностики функциональных узлов радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования
Для проведения тепловой диагностики экспериментального образца блока питания, включающей проведение сравнительного анализа тепловых режимов элементов, зарегистрированных тепловизионным средством с их номинальными значениями, необходимо провести пересчет радиационных температур элементов в их истинные значения. Данный пересчет осуществляется в соответствии с формульными зависимостями, представленными в разделе 2.3, исходя из того, что тепловизионные измерения проводились в лабораторных условиях, характеризующихся постоянным значением величины облучающего фона. В данном случае принято, что тепловое излучение облучающего фона определяется температурой окружающей среды tос. Тепловизионные измерения проводились в спектральном диапазоне 8…14 мкм при температуре окружающей среды tоc =+220С и угле визирования в = 10 град. Исходные данные и результаты расчета надежностных характеристик представлены в таблице 4.7.
В результате проведенной с помощью тепловизора тепловой диагностики блока питания установлено, что вероятность его безотказной работы Рбр фу =1.0. Относительная погрешность пересчета радиационных температур в истинные, в соответствии с выражением 2.3.15, не превышает 19%. Повышение точности расчетов может быть связано с возможностью получения более достоверных данных о значениях коэффициента теплового излучения поверхности элементов. В настоящей работе значения коэффициентов теплового излучения є взяты из справочных данных [97], а не измерены в натурных условиях.
Кроме того, на предприятии разработчике экспериментального образца малогабаритной радиолокационной станции с синтезированной апертурой бокового обзора (РСА БО) ОАО «НИИ «Кулон» с применением методического обеспечения. разработанного в рамках исследования проведена тепловая диагностика отдельных функциональных узлов. В состав диагностируемых узлов включены: МФ-1 303 Д - модуль оцифровки и формирования радиоголограмм, УПЧ БМ-1 402Э - модуль усилителя промежуточной частоты и СВЧ БВ-1 402 Э - модуль усилителя сверхвысоких частот.
Элементы модулей МФ-1 303 Д и УПЧ БМ-1 402 Э с повышенным тепловым излучением (1-аналого-цифровой преобразователь с радиатором, 2- микропроцессор, 3- микросхема, 4,5- ямбы) К анализируемым элементам относятся компоненты микропроцессорной техники и в связи с этим согласно предложенной методике в разделе 3.1 вероятность безотказной работы Рбрэ данных элементов может быть описана зависимостью, представленной на рис. 4.18. При этом принято, что для расчета вероятности безотказной работы микропроцессорных элементов Рбрэ константа , зависящая от типа элемента равна В=0.21, базовая интенсивности отказов z =0.023 10-6. Для определения номинальных значений истинной температуры микропроцессорных элементов принято, что номинальным значением температуры считать такое, при котором вероятность безотказной работы равна 0.99, а это равно tо = 42 0С. Согласно требованиям Заказчика вероятность безотказной работы модулей должна быть не менее 0.97.
Согласно проведенным расчетам модули МФ-1 303 Д и УПЧ БМ-1 402 Э не удовлетворяют требованиям Заказчика. В связи с этим рекомендовано проведение дополнительных мероприятий, направленных на применение дополнительных средств охлаждения. В качестве таких средств предложено применение принудительного охлаждения в виде вентиляционного охлаждения. Результаты применения принудительного охлаждения представлены в виде тепловизионных изображений модулей МФ-1 303 Д и УПЧ БМ-1 402 Э под воздействием вентиляционного охлаждения (см. рис. 4.19)
Результаты расчетов надежностных характеристик элементов и модулей МФ-1 303 Д и УПЧ БМ-1 402Э приведенные в таблице 4.19, показывают, что в результате применения вентиляционного охлаждения основные тепловыделяющие элементы снизили термодинамическую температуру, тем самым повысили свою вероятность безотказной работы и модуля в целом.
Таким образом, проведенная тепловая диагностика, проведенная с применением тепловизионной аппаратуры, позволила выявить температурные аномалии в разрабатываемых модулях экспериментального образца РСА БО и разработать, а также проверить рекомендации по повышению вероятности его безотказной работы. Результаты тепловой диагностики и ее актуальность подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы, приведенными в приложении 1,2.
Процедура тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на этапе серийного производства предусматривает проверку соответствия тепловых режимов элементов на основе анализа тепловых образов серийно производимого и эталонного функциональных узлов. В интересах проверки работоспособности методики и алгоритма тепловой диагностики на этапе серийного производства предлагается сформировать банк данных эталонных образов функциональных узлов в виде набора их векторов признаков Vр {N, NO}.В качестве исходных данных для формирования базы данных эталонных векторов признаков функциональных узлов взяты тепловые образы, представленные в разделах 4.2, 4.3. В качестве исходных данных для формирования векторов признаков серийных функциональных узлов принят тепловой образ блока питания, представленный в разделе 4.3. При этом, с целью реализации процедуры дефектации элементов, один из серии тепловых образов блока питания (2-й из серии образцов) представлен для условий, когда отдельные элементы этого блока питания работали в условиях повышенных параметров питающего напряжения. Результаты обработки тепловизионных изображений в виде совокупности векторов признаков Vp{N,NO}, описывающих эталонные и серийные образцы, представлены ниже.
