Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы диагностирования бортовых радиотехнических устройств 16
1.1. Особенности конструкций бортовых радиотехнических устройств 16
1.2. Виды дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств и причины их возникновения. Методы контроля технического состояния и диагностирования БРТУ 22
1.3. Программные средства моделирования физических процессов радиотехнических устройств 26
1.4. Анализ методов и средств диагностирования радиотехнических устройств 35
1.5. Постановка задачи диссертационной работы 60
1.6. Выводы по главе 63
Глава 2. Метод диагностирования дефектов бортовых радиотехнических устройств 64
2.1. Анализ и формирование требований к методу диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств 64
2.2. Разработка метода диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств 65
2.3. Математическое моделирование влияния дефектов конструкций радиотехнических устройств на выходные характеристики 67
2.4. Критерий выявления дефектов конструкций радиотехнических устройств 72
2.5. Метод идентификации дефектов конструкций 77
2.6. Выводы по главе 80
Глава 3. Подсистема «Integrity» для диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств 81
3.1. Требования к подсистеме диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств 81
3.2. Разработка алгоритмов функционирования программных модулей подсистемы «Integrity» 88
3.3. Определение состава и разработка структуры подсистемы автоматизированного диагностирования дефектов конструкций радиотехнических устройств 95
3.4. . Описание подсистемы «Integrity» 98
3.5. Разработка руководства пользователя подсистемы «Integrity» 99
3.6. Выводы по главе 113
Глава 4. Методика автоматизированного диагностирования радиотехнических устройств. Результаты экспериментальных исследований и внедрение в промышленность 114
4.1. Разработка методики диагностирования радиотехнических устройств 114
4.2. Установка для диагностирования дефектов конструкций радиотехнических устройств 118
4.3. Экспериментальные исследования конструкций радиотехнических устройств 120
4.4. Оценки возможностей и ограничений применения разработанного метода диагностирования
4.5. Результаты апробации разработанных методов на примере блока космической аппаратуры 137
4.6. Выводы по главе 153
Заключение 154
Литература 156
Приложение 168
- Виды дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств и причины их возникновения. Методы контроля технического состояния и диагностирования БРТУ
- Разработка метода диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств
- Разработка алгоритмов функционирования программных модулей подсистемы «Integrity»
- Установка для диагностирования дефектов конструкций радиотехнических устройств
Введение к работе
Противоречие между возрастающей сложностью бортовых радиотехнических устройств (БРТУ) и необходимостью оценки их технического состояния порождает проблему диагностирования устройств.
За последние десятилетия этой проблеме посвящено значительное число работ как у нас в стране, так и за рубежом. Большой вклад в развитие теории диагностики электронных средств внесли Пархоменко П.П., Согомонян Е.С., Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Гаскаров Д.В., Киншт Н.В., Новиков B.C., Лихтциндер Б.Я., Ксенз СП., Синдеев И.М., Данилин Н.С. и др. ученные. Метрологичесие аспекты диагностирования разработаны в работах Сычева Е.И. Вопросы контролепригодного проектирования освещены в известных монографиях Норенкова И.П., Вермишева Ю.Х.
Диагностирование бортовых радиотехнических устройств является неотъемлемой частью процесса их разработки, производства, испытаний и эксплуатации. Целью диагностирования является поддержание качества БРТУ на требуемом уровне и обеспечение максимального эффекта от использования.
При разработке и изготовлении конкретного БРТУ ему придается ряд показателей, которые в совокупности определяют качество радиотехнического устройства. Каждому из этих показателей предъявляются определенные требования, вытекающие из условий применения БРТУ. Несоответствие хотя бы одного из этих показателей установленным требованиям свидетельствует о наличии дефекта.
Таким образом, прежде чем допустить изготовленное радиотехническое устройство к использованию необходимо проверить тем или иным способом его соответствие установленным требованиям по всей совокупности рассматриваемых показателей.
Такая проверка осуществляется путем сопоставления измеренных значений тех или иных показателей свойств БРТУ с их заданными, расчетными значениями. В дальнейшем, при эксплуатации устройства тоже необходимо диагностировать с тем, чтобы своевременно выявлять дефект в случае его возникновения и принять необходимые меры к его устранению или уменьшению его вредных последствий.
По мере возрастания сложности бортовых радиотехнических устройств функции диагностирования также значительно усложняются. Зачастую производители ограничиваются лишь контролем работоспособности (т.е. проверкой соответствия основных выходных характеристик) БРТУ, при этом возможен пропуск в эксплуатацию заведомо неисправных, потенциально ненадежных радиотехнических устройств.
Это связано с тем, что возможны неисправности бортовых радиотехнических устройств из-за дефектов в виде выхода значений внутренних (например, электрических или конструктивных) параметров БРТУ за допустимые границы. Подобного рода дефекты в начальный момент эксплуатации устройств могут не сказаться на его основных выходных характеристиках вследствие их взаимной компенсации, однако электрические, температурные и механические режимы работы элементов радиотехнических устройств будут нарушены, вследствие чего возрастет их интенсивность отказов. Такие отклонения внутренних параметров БРТУ называют скрытыми дефектами и, как правило, требуют разработки специальных методов их диагностирования, так как традиционными методами не выявляются.
Таким образом, актуальной является задача выявления дефектов бортовых радиотехнических устройств при их производстве и эксплуатации. Решение этой задачи предполагает наличие математической модели диагностируемого БРТУ и методов и средств ее исследования, которые зависят от свойств бортового радиотехнического устройства, целевого содержания процедуры диагностирования и условий его осуществления.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности бортовых радиотехнических устройств путем выявления скрытых дефектов БРТУ методами диагностирования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены задачи:
1. Анализ состояния проблемы диагностирования скрытых дефектов БРТУ.
2. Разработка метода неразрушающего диагностирования БРТУ.
3. Разработка метода идентификации дефектов бортовых радиотехнических устройств.
4. Разработка программного обеспечения для диагностирования бортовых БРТУ и рекомендаций по его применению.
5. Разработка методики диагностирования БРТУ по амплитудно-частотным и акустическим характеристикам.
6. Проведение экспериментальных исследований, апробация и внедрение результатов работы в промышленность.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода и объектно-ориентированного программирования, теория вероятностей и математической статистики, теории оптимизации, математического моделирования и технической диагностики, а также численные методы решения уравнений и экспериментальные методы исследования.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. Разработан метод автоматизированного диагностирования конструкций БРТУ, основанный на математическом моделировании устройств и отличающийся от известных совместным использованием электрических, амплитудно-частотных и акустических диагностических признаков.
2. Разработан метод идентификации дефектов конструкций БРТУ, отличающийся от известных применением коэффициента корреляции в качестве критерия сравнения измеренных в процессе диагностирования характеристик тестируемых устройств с их расчетными характеристиками, полученными ранее (на стадии проектирования) путем математического моделирования или натурного эксперимента конструкций при наличии дефектов.
3. На основе разработанных методов и программного комплекса создана методика, охватывающая стадии проектирования, производства и эксплуатации БРТУ, отличающаяся от известных формированием базы неисправностей на этапе проектирования путем математического моделирования механических характеристик, что позволяет своевременно определять эффективное размещение интегрируемых вибродатчиков в наиболее уязвимых местах конструкций устройств.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод диагностирования БРТУ основанный на сравнении измеренных электрических, амплитудно-частотных и акустических характеристик, и позволяющий позволяет повысить глубину выявления скрытых дефектов конструкций.
2. Метод идентификации дефектов конструкций БРТУ позволяющий определять тип дефекта за счет вычисления порогового значения критерия подобия путем математического моделирования.
3. Методика диагностирования БРТУ позволяющая выявлять скрытее дефекты конструкций устройств за счет принятых мер по обеспечению диагностируемости этих дефектов на стадии проектирования.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанные методы, методика и программный комплекс «Integrity» позволяют повысить качество БРТУ за счёт своевременного выявления скрытых дефектов.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе методы, программное и методическое обеспечение использовались при выполнении гранта по хоздоговору № 8/ЛТ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства ФГУП «НИИЭМП», РКК «Энергия» им. СП. Королева, Избербашский радиозавод им. Плешакова П.С., а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики.
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 3 международных и 5 российских конференциях, а также ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ с 2006 г. по 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в т.ч. 15 тезисов докладов и материалов конференций по итогам научных мероприятий, 3 статьи, из них 1 в журнале, рекомендованном в списках ВАК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения. Общий объем диссертации доставляет 163 страниц с 6 таблицами и 126 иллюстрациями (рисунки, диаграммы экранные формы и т.д.). Список литературы содержит 122 наименования. Приложения — 5 страниц.
В первой главе показано, что вследствие воздействия деградационных процессов радиотехнические устройства (РТУ) объективно стремиться перейти в другое, «худшее» состояние. Это стремление должно «парироваться» ремонтно-восстановительными процедурами. Прежде чем воздействовать на БРТУ, надо определить его техническое состояние.
Однако, противоречие между расширением круга решаемых БРТУ задач, ростом их сложности и плотности монтажа, повышением требований к массогабаритным показателям и показателям надежности и качества с одной стороны и необходимостью проверки технического состояния, а именно соответствия между проектом и реальным образцом радиоэлектронного устройства с другой стороны порождает проблему диагностирования БРТУ.
Для решения проблемы диагностирования в рамках диссертационной работы предложен подход, основанный на комплексировании диагностической информации об электрических, механических и акустических характеристиках БРТУ.
В главе проведен анализ конструкций блоков БРТУ. Для современных БРТУ характерны дефекты, приводящие как к неисправностям электрических схем, так и к нарушениям целостности конструкций устройств, которые также приводят к преждевременным отказам по основным электрическим характеристикам.
Например, отрыв приклеенного к стенке жгута на момент проверки не всегда может быть обнаружен при измерениях параметров выходных электрических сигналов, однако в процессе эксплуатации возможен отрыв вследствие этого одного или нескольких из проводников жгута от контактной площадки. Таким образом, произойдет обрыв одной из электрических цепей схемы. Причем заведомо нельзя сказать в какой из электрических цепей.
При плотной компоновке бортовой аппаратуры на практике имеют место также случаи механических соприкосновений элементов соседних печатных узлов при вибрационных колебаниях на определенных резонансных частотах, что в некоторый момент может привести к замыканиям электрических цепей соседних печатных узлов.
Если на печатных узлах БРТУ реализованы плоскостные СВЧ узлы (фазовращатели, линии задержки и др.), то при механических воздействиях и связанных с этим возникающих колебаниях печатных плат заметно искажаются характеристики электрических сигналов, проходящих через эти узлы. Кроме всего прочего, механические воздействия вызывают в ряде случаев значительные изменения электрических сигналов в следствии пьезо-, тензоэффектов. Сами полупроводниковые приборы и др. активные электрорадиокомпоненты начинают «шуметь». Все это подтверждает мысль о существенном взаимном влиянии электрических и механических процессов протекающих в современной бортовой аппаратуре с её чрезвычайно высокой плотностью компоновки размещения и монтажа комплектующих элементов, чрезвычайно жёсткими ограничениями по массогабаритным показателям, жёсткими условиями эксплуатации, высокими требованиями к надежности, качеству и конкурентоспособности.
В части выявления дефектов приводящих к неисправностям электрических схем у нас в стране и за рубежом получены на протяжении последних десятилетий, как теоретические так и прикладные результаты позволяющие на практике достаточно эффективно решать задачи оценки технического состояния электрических схем.
В части обнаружения и локализации дефектов, приводящих к нарушениям целостности конструкций бортовой аппаратуры вопросы диагностики недостаточно проработаны. Результаты, которые на сегодня получены рядом авторов, имеют либо строго теоретический характер, что затрудняет их применение в конкретных случаях, либо носит очень частный характер, что в свою очередь не позволяет применять их для широкого класса бортовой аппаратуры.
При испытаниях, выведении на орбиту , отстыковке ступеней и приземлении из-за высоких механических нагрузок в БРТУ космической аппаратуры (КА) возникают дефекты конструкций. Это приводит к изменению механических характеристик устройства. В работах В.Б. Карпушина и Н.И. Каленковича показано влияние виброшумов на функционирование и надежность БРТУ. В диссертации приведены типы дефектов, как правило, возникающих в конструкциях БРТУ и методы диагностирования, покрывающие их.
Анализ методов контроля и диагностики выявил низкую эффективность существующих методов визуального осмотра, разрушающих испытаний и неразрушающего контроля. Наиболее эффективными представляются неразрушающие методы, основанные на диагностировании механических амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и акустических сигналов (АС).
Однако существующие на сегодняшний день методы неразрушающего контроля и диагностирования по механическим и акустическим характеристикам не применимы для РТУ, так как разработаны исходя из
-11 специфики машиностроения. Повышение эффективности диагностирования БРТУ по электрическим, механическим и акустическим характеристикам возможно за счет автоматизированного контроля при анализе трех диагностических признаков: электрических характеристик, механических амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и акустических сигналов (АС).
Проведенный в диссертации анализ современных GAE-систем показал возможность их применения для диагностического моделирования.
Проведенные в диссертации исследования метрологических и функциональных характеристик современных средств испытаний аппаратуры на механические воздействия подтвердило возможность их использования в качестве технологической основы диагностирования скрытых дефектов по результатам обработки электрических, механических и акустических сигналов.
С учетом проведенных исследований сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе на основании проведенного в первой главе анализа существующих методов диагностирования РТУ и типов, возникающих в них дефектов, сформулированы требования к методу диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических средств.
На основании требований разработан метод диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств. Разработанный метод основан на математическом моделировании механических режимов в конструкциях БРТУ. На этапе проектирования строится математическая модель БРТУ. Эта модель БРТУ используется для моделирования АЧХ и AG при различных неисправностях устройства. Для. моделирования механических процессов используются программные комплексы, такие как: АСОНИКА-М, АСОНИК-ТМ, ANSYS, NASTRAN и др. При этом каждой неисправности соответствуют определенные значения параметров устройства, отличные от допусковых значений параметров БРТУ. Полученные путем математического моделирования АЧХ и АС соответствующие различным дефектам сохраняются в базе неисправностей (БН).
При диагностировании БРТУ на устройство вибростендом подаются механические воздействия. АЧХ устройства в контрольных точках измеряется вибродатчиками, а АС микрофоном. После измерения АЧХ интерполируется и приводится к единой частотной сетке. АС полученный с микрофона походит через Фурье преобразователь, интерполируется и приводится к единой частотной сетке.
Для проверки работоспособности метода во второй главе поведен эксперимент путем математического моделирования в подсистеме АСОНИКА-ТМ. Результаты эксперимента подтвердили возможность диагностирования с использованием разработанного метода.
Полученные в эксперименте путем моделирования характеристики использовались для выбора критерия выявления дефектов конструкций РТУ . Анализ результатов расчетов проведенных с использованием известных методов позволил предложить в качестве критерия максимальное значение коэффициента подобия. Так как коэффициент подобия позволяет определять верный диагноз при больших значениях погрешностей эксперимента и моделирования (на 5-10%).
Предложенный критерий укажет на наиболее схожую из характеристик, хранящихся в БН. В том случае если в конструкции присутствует дефект ранее не промоделированный, то диагноз будет неверный. Для решения этой проблемы в диссертации предложен метод идентификации дефектов конструкций.
На основании разработанного метода диагностирования, предложенного критерия выявления и идентификации дефектов конструкций бортовых РТУ сформулированы выводы.
В третьей главе представлены требования, модули и алгоритмы для разработки программного комплекса автоматизированного диагностирования РТУ «Integrity» по АЧХ и АС, в основу которого положены разработанные методы диагностирования дефектов конструкции по АЧХ и АС и идентификации дефектов конструкции.
В главе отражены следующие вопросы создания программного комплекса: анализ основных требований к комплексу; разработка структурной схемы и алгоритма функционирования комплекса; разработка модели базы данных (БД); программная реализация комплекса.
На основе анализа требований, предъявляемых к программному комплексу, получена его структура и связь с внешними устройствами и оператором.
Структурное разбиение комплекса на ряд модулей выполнено в соответствии с основными задачами, которые решаются программным комплексом в процессе его функционирования. Программные модули решают частные задачи по реализации отдельных методов и вычислительных процедур. Такая структура комплекса позволяет эффективным образом дополнять комплекс другими функциональными блоками и программными модулями, расширяющими его возможности, а также использовать уже имеющиеся блоки, входящие в состав системы АСОНИКА.
Разработанная версия программного комплекса обладает следующими основными характеристиками:
1. Комплекс позволяет на этапе проектирования РТУ рассчитать пороговое значение РТУ КА и заранее сформировать БН за счет импорта АЧХ из известных программ моделирования механических характеристик.
2. На этапе производства и эксплуатации ПК позволяет в рамках испытаний проводить автоматизированный контроль РТУ КА и хранить результаты испытаний в БД для последующего учета при диагностировании деградационных процессов.
3. Затраты машинного времени при работе комплекса определяются моделью ПЭВМ, количеством дефектов и сеткой частот и составляют от десятков секунд до десятков минут.
4. Ограничения, накладываемые на условия эксплуатации и область применения комплекса: функционирование комплекса может осуществляться на ПЭВМ.
5. Для практического использования программного комплекса при производстве РТУ разработан комплект эксплуатационной документации.
В четвертой главе на основе метода диагностирования, метода идентификации дефектов и разработанной подсистемы «Integrity» разработана инженерная методика диагностирования устройств . Она охватывает этапы разработки, выходной контроль и эксплуатацию.
В методике необходимо выполнить последовательность следующих операций: 1) ввести в «Integrity» индивидуальные названия дефектов, возникающих в конструкции РТУ КА; 2) ввести в Integrity индивидуальные названия и места расположения КТ; 3) путем математического моделирования рассчитать АЧХ при исправном состоянии РТУ КА; 4) полученные АЧХ импортировать в «Integrity» БН; 5) рассчитать АЧХ РТУ КА, поочередно внося дефекты в математическую модель; 6) полученные АЧХ внести в БН; 7) измерить АС при исправном состоянии макета РТУ КА; 8) полученные АЧХ внести в БН; 9) измерить АЧХ РТУ КА, поочередно внося дефекты в макет; 10) ввести в ПО Integrity номинальные значения и допуска на геометрические и физико-механические параметры РТУ КА, количество і реализация; 11) ввести в математическую модель і-раз полученные ранее значения параметров; 12) рассчитать i-раз АЧХ и импортировать в Integrity; 13) рассчитать в Integrity минимальное значение критерия подобия НПодоб; 14) установить оснастку и РТУ на вибростенд; 15) установить датчики; 16) ввести значения воздействий в соответствии с программой испытаний; 17) измерить АЧХ и АС; 18) импортировать полученные при испытаниях АЧХ и АС в «Integrity»; 19) запустить диагностирование по АЧХ и АС в «Integrity».
Результатом автоматизированного диагностирования РТУ по предложенной методике является диагноз, выдаваемый подсистемой «Integrity».
Разработанная методика позволяет в рамках CALS-технологий проводить моделирование характеристик РТУ при различных неисправностях и заносить их в БН на этапе проектирования.
Для экспериментальных исследований конструкций РТУ при наличии дефектов был разработан и создан макет, схожий с конструкцией РТУ . Макет имеет жесткое основание, кожух и ПУ, прикрепленный к основанию с помощью шпилек.
Макет подвергался гармоническим вибрациям в диапазоне от 20 до 2000 Гц. В конструкцию макета РТУ КА вносились различные неисправности. Вибродатчик размещался в геометрическом центре кожуха и в геометрическом центре ПУ. В результате эксперимента были получены АЧХ и АС при различных видах дефектов.
Анализ результатов эксперимента показал, что: 1) при наличии в конструкции РТУ постороннего предмета АЧХ не меняется; 2) при размещении вибродатчика в геометрическом центре кожуха АЧХ меняется, однако при размещении вибродатчика на ПУ изменение АЧХ более существенно; 3) при наличии в конструкции РТУ постороннего предмета имеется существенное изменение АС; 4) использование подсистемы «Integrity» позволило определить вид дефекта в конструкции макета РТУ .
Эксперимент позволил дать оценки возможностей и ограничений применения разработанного метода диагностирования.
По результатам натурного эксперимента и в главе сформулированы выводы о достоинствах и недостатках разработанного метода.
В заключении отражены основные результаты, полученные при решении задач, поставленных в диссертационной работе.
Виды дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств и причины их возникновения. Методы контроля технического состояния и диагностирования БРТУ
Под воздействием внешних условий и внутренних процессов деградации меняется техническое состояние РТУ - S(t). Под воздействием процессов износа и влияния внешних условий в элементе изделий РТУ может возникнуть отклонение параметров от нормы (дефект). Продолжение воздействия приводит к увеличению отклонения от номинального состояния.
Параметр элемента, имеющего дефект, отныне не соответствует по своему значению нормативным, установленным на него технической документацией, или близок к этому несоответствию. Аппаратура имеющая-дефект, переходит из исправного состояния в неисправное.
Вибрации и удары приводят к преждевременному изнашиванию элементов радиоаппаратуры, появлению усталостных явлений или разрушения. Под действием вибраций нарушается первоначальная настройка регулируемых радиоэлементов. При действии вибрации на соединительные кабели в нем появляются заряды, вызываемые трением в материале кабеля.
Изменение коэффициента индуктивности возникают при действии вибрации на устройство, содержащее индуктивные токосъемы.
Действие звукового давления на элементы РТУ аналогично действию вибрации, так как оно возбуждает механические колебания деталей и узлов. В транзисторах возникает микрофонный эффект, происходит возбуждение колебаний корпуса радиоэлемента. Во многих случаях нарушение функционирования аппаратуры является следствием явления механических резонансов, вызываемых внешними вибрациями в деталях. Вибрации в РТУ влияют на тепловую картину за счет перехода кинетической энергии в потенциальную, которая проявляется как нагрев элементов конструкций. Изменение температуры влияет на параметры элементов РТУ: - снижается коэффициент усиления транзисторов; - увеличиваются обратные токи полупроводниковых переходов; - возрастает величина проводимости утечки; - изменяется емкость конденсаторов из-за изменения величины проводимости утечки и снижается их электрическая прочность; - высыхают и коробятся изоляционные материалы и прокладки, снижается термомеханическая прочность термореактивных пластмасс; - растут величины сопротивления металлических резисторов и потерь на перемагничивание и т.д.; - увеличивается внутреннее сопротивление полупроводников, снижается электрическое сопротивление металлов. 1 Воздействие температуры может приводить как к внезапно возникающим, так и постепенным изменениям, которые часто) оказываются необратимыми.
Действие вибрации может приводить к скрытым или трудно контролируемым нарушениям функционирования БРТУ. При этом разрушений или необратимых отказов может и не быть, что значительно затрудняет выявление причин, вызывающих нарушение функционирования, и требует тщательного контроля работы всех элементов аппаратуры.
В результате действия вибраций и ударов могут возникать механические повреждения элементов, нарушаться контактные реле, целость паек, резьбовых и других соединений. Для мощных контактов даже небольшое ослабление их и связанное с этим увеличение переходного сопротивления ведет к нагреву, а иногда даже к оплавлению и выгоранию контакта.
На полупроводниковые приборы большее влияние оказывают акустические сигналы, так как область резонансов полупроводниковых приборов лежит в области 10-30 кГц. Это связано с большой жесткостью и маленькой массой полупроводниковых элементов.
Особое внимание стоит уделять вибрационным характеристикам материалов, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию вибраций и нагреву.
Действие вибрации на БРТУ и его элементов в любом случае снижает надежность её работы. Поэтому исследования действия вибрации с целью уменьшения их действия на аппаратуру тесно связаны с исследованиями повышения надежности работы БРТУ.
Разработка метода диагностирования дефектов конструкций бортовых радиотехнических устройств
На основе сформулированных в п. 2.1. требований предлагается метод диагностирования дефектов БРТУ, блок-схема которого представлена на рис. 2.1. В разработанном методе анализируются три вида диагностических признаков: 1) электрические характеристики; 2) механические амплитудно-частотные характеристики; 3) акустические сигналы. Это позволяет выявлять скрытые дефекты, возникающие в конструкциях БРТУ и влияющие на надежность и функционирование устройства.
Математическая модель БРТУ (рис. 3 бл. 6) наследуется с расчетов электрических и механических режимов работы на этапе проектирования. Для расчета U(t), А(со) (АЧХ) и В(со) (АС) формируется список дефектов qj (рис. 3 бл. 9) и допуски на параметры Q (рис. 3 бл. 10). Допуски на параметры необходимы для расчета порогового значения выходной характеристики. Для этого при расчете (рис. 3 бл. 7) используется численный метод Монте-Карло. Рассчитанные в блоке 7 характеристики, соответствующие различным неисправностям, записываются в базу неисправностей (БН) в виде функций U(t), А(со) и В(а ).
При диагностировании на БРТУ (бл. 2) подаются тестовые электрические сигналы (бл.З) и механические воздействия (бл.1). Далее в контрольных точках измеряются напряжения U(t). В местах крепления электрических, механических и акустических датчиков измеряются электрические U(t), механические амплитудно-частотные А(о)) и акустические B(t) характеристики. В блоке предварительной обработки (рис. 3 бл. 8) полученные характеристики интерполируются и приводятся к единой частотной сетке. Временные диаграммы (АС и ускорения при ударе) проходят Фурье преобразование, интерполяцию и приводятся к единой частотной сетке.
Для определения типа дефекта в конструкции БРТУ рассчитывается коэффициент корреляции между характеристикой полученной путем эксперимента и каждой из параметрами полученными при моделировании для данной контрольной точки. Максимальное значение коэффициента корреляции определяет тип дефекта. По результатам,расчетов в блоке 11 интерпретируется диагноз в блоке 13.
После определения технического состояния конструкции БРТУ проводится диагностирование по электрическим характеристикам.
Для проверки разработанного метода проводился эксперимент путем математического моделирования механических характеристик. Для-моделирования механических процессов рассматривался ряд программных продуктов к отечественных (АСОНИ-М, АСОНИ-ТМ), так и иностранных (ANSYS; MSC NASTRAN). Учитывая дороговизну зарубежных программных продуктов, была выбрана подсистема АСОНИ-ТМ.
В качестве объекта диагностирования был выбран «ПУ питания блока управления антенными переключателями». На рис. 2.2 показан внешний вид «ПУ питания» построенного в подсистеме АСОНИК-ТМ. На рис. 2.3. представлена структура ПУ.
В модель ПУ питания вносились следующие неисправности: 1) без дефектов; 2) увеличена длина печатного узла по оси X на 10 мм; 3) увеличена длина печатного узла по оси У на 10 мм; 4) изменен вариант установки ЭРИ ТІ; 5) отсутствие ЭРИ; 6) отсутствие точки крепления. Контрольная точка размещалась в геометрическом центре ПУ. Результаты эксперимента также показали изменение АЧХ.
Полученные при эксперименте путем математического моделирования результаты использовались для поиска наилучшего критерия обнаружения дефекта конструкции РТУ. Были рассмотрены такие методы сравнения к метод наименьших квадратов, критерий % квадрат, метод максимального подобия, коэффициент корреляции и д.р.
В Таблице 2.1 приведены значения, рассчитанные по методу наименьших квадратов и по коэффициенту корреляции. Значения рассчитываются между АЧХ каждой ситуации и АЧХ, снятой экспериментальным путем. Коэффициент корреляции меняется от 0 до 1, чем ближе к единице значение коэффициента, тем больше сходство между АЧХ. Для критерия наименьших квадратов, чем больше значение метода, тем больше сходство.
Для линейно зависимых функций коэффициент корреляции равен 1. Для сравнения АЧХ и АС коэффициент корреляции является критерием более подходящим, так к коэффициент корреляции не зависит от амплитуды входного воздействия. МНК при различии АЧХ и АС только по амплитуде, но не по форме, будет накапливать разницу между амплитудами и может привести к ложному ответу. На рисунке 2.17 изображены две линейно-зависимые АЧХ, разница их лишь в том, что АЧХ 1 сдвинута по оси Y вверх на 3g. Вертикальными линиями между кривыми изображена разница. Если провести расчёт по методу наименьших квадратов, то значение будет равно 11,34. При этом коэффициент корреляции выдаёт значение 1, т.е. полное сходство функций.
Разработка алгоритмов функционирования программных модулей подсистемы «Integrity»
Требования к функциональным возможностям подсистемы вытекают из предметной- области его применения — процессов автоматизированного моделирования механических процессов в БРТУ и его диагностирования.
Подсистема диагностирования БРТУ по АЧХ и АС разрабатывалась с учетом требований описанных в п. 3.1. укрупненная схема» алгоритма подсистемы диагностирования представлена на рис. 3.2. Многие блоки этого алгоритма представляют собой объединение модулей подпрограммы, состоящие из собственных алгоритмов.
Блок 2. рис. 3.2 соединение с БД, при котором в БД передаются логин и пароль. Блок 3. создание БН с единовременной передачей данных в БД В блоках 4, 5, 8: происходит ввод наименования БРТУ, видов дефектов и контрольных точек. Блок 6. определение диагностического признака (АЧХ, АС или комплексное диагностирование).
Блок 7. расчет параметров математической модели с учетом допусков. Расчет параметров происходит случайным образом по нормальному закону распределения. Блок 9. диагностическое моделирование БРТУ. Оно осуществляется с привлечением программных комплексах моделирования физических процессов протекающих в БРТУ.
Блок 10. после многократного моделирования характеристик при разных значениях параметров модели эти характеристики импортируются в модуль расчета порогового значения критерия подобия. Далее все операции выполняются на этапе диагностирования (выходного контроля) Блок 11, 12. импортирования АЧХ и АС в подсистему. Блок 13. запуск расчета диагностирования.
Для определения контрольных точек имеет значение влияние неисправностей на признак дефекта. В Блоке 2. на рис. 3.3. проводится расчет (импорт) порогового значения критерия подобия. Блок 3. происходит загрузка модели БРТУ в программу математического моделирования. Блок 4. ввод контрольных точек в модель через интерфейс программного комплекса моделирования. Блок 4. далее в модель поочередно вносятся неисправности, и для каждой неисправности рассчитывается АЧХ и АС. Блок 5. для каждой рассчитанной характеристики проверяется условие идентифицируемости дефекта. Блок 7. если результаты не устраивают оператора, то изменяется место размещения {блок 4).
Блок 2. построение математической модели осуществляется из интерфейса специализированных программ моделирования физических процессов в БРТУ (блок 3.). Блок 4. в модели определяются КТ. Блок 5. ввод номинальных значений параметров в модель. Блок 6. запуск расчета в программном комплексе моделирования физических процессов. Блок 7. рассчитанные характеристики приводятся к единой частотной сетке и записываются в БД (блок 9). Блок 8. далее в модель вносятся неисправности, и расчет характеристик повторяется для каждой неисправности.
На основе перечисленных требований, метода диагностирования по АЧХ и АС, положенного в основу программного комплекса, и разработанных алгоритмов функционирования была разработана структура подсистемы «Integrity». Разработанный метод диагностирования БРТУ предполагает взаимодействие подсистемы с имеющимися на сегодняшний день программными комплексами математического моделирования физических процессов. Полученные при испытаниях АЧХ и АС импортируются в подсистему из файлов созданных смежным программным обеспечением. На рис. 3.7 изображена структура подсистемы и взаимосвязь с внешними программными комплексами и средствами.
Для расчета допусковых порогов на АЧХ и АС необходимо получение случайной величины. Для этого в подсистеме разработан модуль (рис. 3.7. бл. 6) позволяющий генерировать случайную величину по равномерному и нормальному законам распределения. Автоматизированный расчет допусков на параметры модели происходит в бл. 10. Полученные значения параметров вводятся в математическую модель БРТУ.
Рассчитанные характеристики передаются в модуль конвертации данных (бл.8). После конвертации характеристики передаются в модуль взаимодействия с БД (бл. 2). Для расчета порогового значения критерия подобия характеристики передаются в бл. 5. Результаты расчета порогового значения критерия подобия, передаются в блок взаимодействия с БД.
При диагностировании, измеренные АЧХ и АС передаются в модуль конвертации. Запись полученных характеристик в БД производится в модуле взаимодействия с БД. Измеренные и рассчитанные характеристики из БД передаются в модуль расчета (бл. 3). Рассчитанные значения коэффициентов подобия передаются в модуль интерпретации (бл. 7). Результатом интерпретации является отображение оператору результатов диагностирования в интуитивно понятном виде. Если при диагностировании выявлена неисправность, но вид дефекта неизвестен, то характеристики передаются в модуль обучения (бл. 1).
Установка для диагностирования дефектов конструкций радиотехнических устройств
Структурная схема испытательной установки для снятия АЧХ показана на рис. 4.7. Вибростенд задает входное воздействие амплитудой lg в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц. Источник питания Б5-46 предназначен для задания постоянного напряжения 5 В на вибростенде. С помощью звукового генератора ГЗ-33 задается частота вибраций основания вибростенда от 20 Гц до 2000 Гц.
Усилитель предназначен для усиления гармонического сигнала, поступающего с генератора. С помощью вольтметра ВЗ-13 измеряется напряжение с вибродатчика в процессе испытаний.
Для исследования акустических шумов использовался пьезоэлектрический чувствительный микрофон, который закреплялся на корпусе прибора. Для записи звука использовался персональный компьютер с необходимым программным обеспечением (рис. 4.8).
Для изучения влияния нарушения целостности конструкции на АЧХ было необходимо провести исследования в этой области. В связи с ограниченностью доступа к БУАП, был изготовлен макет блока этажерочного типа с примерно теми же массогабаритными характеристиками.
Конструкция (рис. 4.9, 4.10) представляет собой блок со стальным основанием, внутри которого на 4-х стойках установлена печатная плата (размерами 160х 1 ООх 1 мм). Печатная плата закрепляется на стойках с помощью гаек. Корпус блока выполнен из алюминия и крепится к основанию с помощью 8-ми винтов.
Для снятия амплитудно-частотных характеристик устройство устанавливалось на 4 шпильки, которые закреплены на основании вибростенда. Виды рассматриваемых дефектов Дефекты, вносимые в макет БРТУ: а - ослабление на полоборота верхней гайки крепления печатной платы к стойке; б - отсутствие верхней гайки крепления печатной платы к стойке; в - отсутствие верхней и нижней гаек крепления печатной платы к стойке; г - нахождение внутри устройства постороннего предмета: капли припоя.
Плавно изменяя частоту сигнала со звукового генератора от 20 Гц до 2000 Гц фиксируются значения частоты и показания вольтметра в районе резонансов (начало резонансного пика, частота и амплитуда резонанса, конец резонансного пика). Производится пересчет показаний вольтметра (U [В]) в значения амплитуды виброускорения (G = //1,5 [g]). Выключаются все приборы. Снимается корпус исследуемого устройства. В конструкцию устройства вносится один из перечисленных в п. 2 дефектов (А, Б, В, Г).
Для дефекта Б появился новый» резонанс на частоте 215 Гц и значительно уменьшились амплитуды виброускорений на резонансных частотах 364 Гц и 510 Гц. Для дефекта В также появился новый резонанс на частоте 206 Гц, значительно уменьшились амплитуды виброускорений на резонансных частотах 363 Гц и 1140 Гц, а также изменилась амплитуда и частота резонанса в районе 500 Гц. При дефекте Г изменения АЧХ не обнаружено. Из временных диаграмм акустического шума можно сделать выводы о том, что при наличии постороннего предмета возрастает амплитуда шума по сравнению с исправным образцом устройства. Причем, чем больше масса предмета, тем больше амплитуда акустического шума. Анализ АЧХ, снятых с корпуса устройства, показывает, что для данного типа конструкции с использованием данного оборудования возможно определение наличия дефекта в конструкции.
Как видно из графиков АЧХ с печатной платы, по сравнению с АЧХ для исправного изделия, при возникновении дефекта появляются дополнительные резонансы и довольно значительно меняется амплитуда виброускорения на имеющихся резонансных частотах. Таким образом, этот способ контроля целостности позволяет не-только качественно, ответить на вопрос с наличии дефекта, но и идентифицироватвид дефекта.
По анализу АЧХ устройства нельзя выявить дефект F в виде нахождения внутрш корпуса постороннего предмета (капли припоя; винта и др.). Такие дефекты наиболее эффективно» выявлять путем анализа акустического шума, снятого микрофоном, установленным на корпусе. устройства.. Как видно из результатов, амплитуда акустических колебаний; у дефектных устройств: (при дефекте F) от 1,5 до 10 раз больше акустического шума у исправного устройства. Анализ акустических колебанию
Для дальнейшего изучения акустического сигнала был: проведен ряд экспериментов; В - качестве инструмента, анализирующего акустический сигнал было предл ожено; использовать Вейвлет-анализ и разложение вряд Фурье.. Используемое оборудование и программное обеспечение
Механические воздействия; на основание блока осуществляется с использованием; вибростенда. В ходе эксперимента использовался разработанный макет БРТУ. Для; записи акустических шумов и последующего анализа использовался ПЭВМ" и микрофон: Для- анализа звука применялись следующие программы: a) Adobe Audition. 1.0 б) Sound Forge 7.0 в) Analysis Center Version 3.5.
Приведенные выше программы позволяют достаточно качественно производить запись акустических колебаний, и проводить. Фурье анализ и Вейвлет-анализ сигналов. Известно; что акустические колебания: характеризуются следующими параметрами: 1) амплитудой колебаний 2) частотой колебаний. 3) спектром колебаний.
Необходимо учитывать, что подаваемые механические колебания вибростенда также лежат в области звуковых колебаний, что приведет к дополнительным частотным спектрам на спектрограмме. В данном случае, частота вибростенда задана 350 Гц, соответственно на спектрограммах выделена частота 350Гц. Ниже приведен результат эксперимента, в котором проверяется значительность шумов вносимых колебаниями дефектного элемента и шумов, вносимых окружающей средой.
