автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная и управляющая система для проведения испытаний конструктивных элементов электронных средств

На правах рукописи

ГОЛУШКО Дмитрий Александрович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ

Специальность 05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 АПР 2015

Пенза 2015 005567267

005567267

Работа выполнена на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юрков Николай Кондратьевич.

Селиванова Зоя Михайловна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (г. Тамбов), кафедра «Проектирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», профессор;

Ведущая организация —

Кострикина Инна Анатольевна, кандидат технических наук, ОАО «НИИЭМП» (г. Пенза), начальник лаборатории метрологического обеспечения.

ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится 21 мая 2015 г., в 12.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Диссертация размещена на сайте ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « 0& » Й^ре/Д 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время к параметрам надежности электронных средств (ЭС), функционирующих в жестких условиях эксплуатации, предъявляются высокие требования. Важнейшим дестабилизирующим фактором, приводящим к отказам ЭС, является внешнее вибрационное воздействие (до 30 % отказов приходится именно на него). В связи с этим в процессе разработки и производства ЭС предусматривается проведение лабораторно-стендовых испытаний на воздействие вибрации с помощью специальных методов и средств испытаний.

Несмотря на значительные достижения в области стендовых испытаний, режимы функционирования ЭС в реальных условиях эксплуатации значительно отличаются от испытательных режимов, что является причиной почти половины отказов, вызванных вибрационными воздействиями.

Научные проблемы, связанные с вибрационными испытаниями и определением динамических характеристик конструкций, отражены в работах О. П. Глудкина, П. И. Остроменского, Е. Н. Талицкого, С. У. Увайсова, Р. Е. Бишопа, Ю. И. Иориша, К. Магнуса, D. S. Steinberg и других отечественных и зарубежных ученых.

Одним из важнейших видов испытаний на воздействие вибрации является испытание для определения динамических характеристик конструкции (испытание 100 по ГОСТ 30630.1.1—99, относящееся к определительным испытаниям).

Существующие методы и средства определения динамических характеристик конструкции не позволяют возбуждать все резонансы в объекте исследования (ОИ) и измерять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с требуемой достоверностью. Поэтому актуальной является проблема повышения эффективности информационно-измерительных и управляющих систем (ИИиУС) для проведения испытания 100, выражающейся в повышении:

— точности измерения (достоверности измерительной информации) за счет бесконтактной индикации резонансов по импедансно-частотной характеристике (ИЧХ), использования испытательного сигнала с переменной скоростью изменения частоты и измерения амплитуды вибрации с регулируемой постоянной времени;

-степени соответствия испытательных режимов вибрации режимам реальной эксплуатации за счет введения фазового сдвига в испытательный сигнал;

- информативности результатов испытаний за счет измерения амплитуды вибрации в фактических центрах пучностей собственных форм и построения адекватной свойствам объекта исследования АЧХ.

Поэтому в общей проблеме повышения надежности ЭС совершенствование методов и средств повышения эффективности ИИиУС, выражающейся в повышении, точности измерения, степени соответствия испытательных режимов режимам эксплуатации и информативности результатов испытаний ЭС, является актуальной научно-практической задачей.

Целью работы является повышение эффективности ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС за счет совершенствования существующих методов и средств лабораторно-стендовых испытаний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ современных ИИиУС для испытаний по определению динамических характеристик конструкции;

2) провести исследование режимов эксплуатации ЭС на объекте оснащения и разработать методику испытания 100, позволяющую повысить соответствие режимов испытаний условиям эксплуатации;

3) провести исследование влияния скорости изменения частоты испытательного сигнала на точность измерения динамических характеристик конструкции и продолжительность испытаний, а также разработать алгоритм формирования испытательного сигнала, позволяющий повысить достоверность измерительной информации в области низких частот, не увеличивая временных затрат;

4) разработать структуру ИИиУС, позволяющую повысить эффективность проведения испытания 100 и получить результирующую АЧХ, наиболее полно соответствующую свойствам объекта исследования;

5) довести теоретические положения до практической реализации и их^ внедрения, а также провести экспериментальные исследования ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы системного анализа, теории автоматического управления, математического моделирования, теории волновых процессов и планирования эксперимента.

Научная новизна и теоретическая значимость работы.

1. Предложена методика проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС, отличающаяся введением необходимого фазового сдвига в испытательный сигнал, бесконтактной индикацией резонансов, измерением амплитуды вибрации в фактических центрах пучностей собственных форм и построением адекватной свойствам объекта исследования АЧХ, что позволяет повысить соответствие испытательных режимов режимам эксплуатации.

2. Разработан алгоритм формирования испытательного сигнала, отличающийся переменной скоростью изменения частоты и регулированием постоянной времени фильтра низкой частоты (ФНЧ) измерителя, что позволяет повысить достоверность измерительной информации в области низких частот без значительного увеличения времени проведения испытаний.

3. Разработана усовершенствованная структура ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС, отличающаяся введением датчика тока в многоканальную вибрационную установку для формирования ИЧХ объекта исследования, резистивной оп-топары в активном сглаживающем фильтре для регулирования постоянной времени, что позволяет повысить эффективность проведения испытаний.

Практическая значимость работы. Теоретические положения диссертации и предложенные методики легли в основу разработанной ИИиУС, позволившей повысить эффективность проведения стендовых испытаний ЭС, о чем имеются акты внедрения в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и научно-производственную деятельность ОАО «НПП «Рубин».

На защиту выносятся:

1) методика проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС, позволяющая повысить соответствие испытательных режимов режимам эксплуатации;

2) алгоритм формирования испытательного сигнала, позволяющий повысить достоверность измерительной информации в области низких частот без значительного увеличения времени проведения испытаний;

3) усовершенствованная структура ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС, позволяющая повысить эффективность проведения испытаний;

4) реализация ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС, позволяющая получить результирующую АЧХ, наиболее полно соответствующую свойствам объекта исследования, что обеспечивает повышение эффективности ИИиУС.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде применения ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС в производственной деятельности ОАО «НПП «Рубин», в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Личный вклад автора в проведенное исследование. Представленные на защиту результаты исследования получены автором самостоятельно. Результаты, опубликованные совместно с другими авторами, принадлежат соавторам в равных долях. Материалы других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2011-2014), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г. Самара, 2012), Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (г. Сочи, 2013), Международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» (г. Прага, 2013), Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образования и науки» (г. Тамбов, 2014), XII Всероссийском совещании по проблемам управления - ВСПУ (г. Москва, 2014), VII Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной науки» (г. Белгород, 2015).

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на экспериментальном подтверждении эффективности предложенных теоретических положений, а также успешной апробации.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 30 работах, из которых 25 статей, в том числе 6 статей - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России, один патент на изобретение, один патент на промышленный образец, три свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура й объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, двух приложений. Основная, часть изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, три таблицы. Список литературы включает 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены современное состояние проблемы и актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Приведены краткое изложение содержания и основные результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современных методов и средств испытаний для определения динамических характеристик конструкции.

Установлено, что испытание 100 является первым этапом цикла испытаний на стойкость к внешним воздействующим факторам, на основе результатов которого выбираются методы и режимы дальнейших испытаний.

Ошибочное определение динамических характеристик конструкции опытного образца может привести к его недоиспытанности на стендовых испытаниях и возникновению отказа на этапе натурных испытаний использования изделия по назначению. В этом случае неизбежны значительные затраты на повторное проведение всего цикла испытаний. Поэтому вибрационное воздействие, воспроизводимое при испытаниях, наиболее полно должно соответствовать реальным условиям эксплуатации.

Кроме того, если до начала испытаний на вибропрочность и виброустойчивость известны значения всех резонансных частот, возможно снижение вибрационных нагрузок во время испытаний, что позволит снизить продолжительность виброиспытаний и увеличить долговечность изделия.

Современные виброиспытательные установки при воздействии вибра-' ционного испытательного сигнала подвергают ОИ только инерционному воздействию, что является причиной недостаточной эквивалентности стендовых испытаний и реальных условий эксплуатации. Поэтому для возбуждения всех собственных частот с достоверными амплитудами колебаний необходимо подвергать ОИ деформационному воздействию, при котором его точки крепления совершают противофазные упругие колебания.

Во второй главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование колебаний точек крепления конструктивных элементов ЭС.

В ходе проведения теоретического эксперимента исследовались колебания четырех точек, имитирующих точки крепления ЭС, разноудаленных от источника вибрации. Проведенные расчеты показали, что на частотах выше 1000 Гц между точками крепления исследуемого образца наблюдается существенная разность фаз - более 60° (рисунок 1).

600 5« 480 420

Д1 ОТ") 360

-,1<грао) 300

Т^(град) 24„ 180 120 60 О

I 10 100 1х103 IxIO4

Частота, Гц

Рисунок 1 - Зависимость величины фазового сдвига в наиболее удаленных точках крепления объекта исследования от частоты внешнего вибрационного воздействия

Для проверки полученных теоретических выводов проведены натурные эксперименты, в ходе которых получены и проанализированы реальные акселерограммы в точках крепления ЭС объекта оснащения. В качестве объекта оснащения использована транспортная база на гусеничном ходу, соответствующая группе исполнения 1.4.1 по ГОСТ РВ 20.39.304-98, используемая в качестве универсального шасси для оснащения ЭС (далее по тексту — объект оснащения).

Измерения проводились в элементах крепления ЭС к объекту оснащения (крепежных бонках) в движении по грунтовой дороге в течение 10 мин. Акселерограммы, измеренные в крепежных бонках, расположенных на расстоянии 26 см друг от друга, представлены на рисунке 2. На них явно видны участки с противофазным движением точек крепления (5.14.387-5.14.388), что указывает на наличие деформационной составляющей в верхней части диапазона вибрационного воздействия, обусловленное относительным фазовым сдвигом точек крепления. Однако результаты проведенного эксперимента указывают на то, что даже в нижней части частотного рабочего диапазона (до 500 Гц) есть существенные фазовые смещения, вызванные динамическими деформациями контура крепления ЭС. На рисунке 3 показаны акселерограммы двух точек крепления на расстоянии 26 см после обработки цифровым ФНЧ с частотой среза 500 Гц.

Рисунок 2 - Акселерограммы точек крепления ЭС на 2 кГц 7

f

1 \ /.

//

X'' // // i

___ п

Рисунок 3 - Акселерограммы точек крепления ЭС на 500 Гц

Если среда распространения вибрации представляет собой составную конструкцию, в которой стыкуемые поверхности соединяются друг с другом под разными углами, есть несколько источников вибрации (гусеницы,-двигатель, трансмиссия) и направления распространения волн от них различны, то в отдельные моменты времени точки крепления перемещаются противофазно даже в низкочастотном поддиапазоне.

Проведены экспериментальные исследования АЧХ при введении фазового сдвига точек крепления пульта управления электропитанием (далее - ОИ).

На рисунке 4 показаны две АЧХ, снятые в двух точках, расположенных на основании корпуса ОИ (кривые 1 и 2), и ИЧХ, снятая с одного из вибраторов (кривая 3), при синфазном возбуждении. По оси У показан коэффициент динамичности, по оси Х- частота в герцах в логарифмическом масштабе.

Частотные характеристики |

Частота, Гц

¡1! ' 10И

Рисунок 4 - АЧХ, полученная при использовании вибростенда при синфазном воздействии

Под частотными характеристиками понимаются АЧХ и ИЧХ. АЧХ в данном случае - это зависимость коэффициента динамичности от частоты в контрольной точке. Так как в узловых точках амплитуда колебаний обращается в нуль, АЧХ, измеренная в произвольной точке, обладает неполной информативностью о колебательных свойствах системы, а ИЧХ лишь косвенно указывает на значение амплитуд, то в совокупности (при использовании ИЧХ для определения резонансных частот, а АЧХ для определения амплитуд резонансных кривых) они позволяют получить более точную информацию о характере вибрации исследуемой системы.

На рисунке 5 представлены частотные характеристики в тех же точках, но полученные при противофазном возбуждении. Нетрудно заметить, что резонансные свойства на двух графиках отличаются. При синфазном воздействии преобладают одни собственные формы, при противофазном -другие. Таким образом, можно сделать вывод о том, что каждый из представленных графиков не в полной мере соответствует действительности.

Частотные характеристики

Частота, Гц

Рисунок 5 - АЧХ, полученная при использовании разработанной многоканальной виброиспытательной установки

В третьей главе разработана методика испытания 100. Рссмотрены принципы возбуждения колебаний различных объектов, собственная форма которых определяется двумя целочисленными параметрами и]у, каждый из них равен числу пучностей волны вдоль соответствующих сторон.

В работе приведено теоретическое обоснование возбуждения симметричных форм колебаний пластины только при нечетных значениях обоих параметров и ]у, поэтому при передаче вибросилового воздействия пластине

для возбуждения несимметричных форм необходимо осуществлять фазовый сдвиг в точках ее крепления. Из четырех точек крепления две будут колебаться синфазно, а остальные - противофазно. Таким образом, возможны три варианта противофазных колебаний пар точек крепления: синфазны противолежащие по диагонали точки, синфазны точки вдоль оси ОХ, синфазны точки вдоль оси О У. При введении указанного фазового сдвига в испытательный сигнал обеспечивается возбуждение всех резонансов ОИ.

Далее рассмотрен процесс бесконтактной индикации резонансов. При измерении вибраций используют виброизмерительные преобразователи (ВИП), которые закрепляют на поверхности ОИ. Однако присоединение дополнительной массы к измеряемому объекту влияет на величину измеряемой вибрации. Поэтому дополнительная масса должна быть сведена к минимуму, особенно когда объект измерения обладает высокой упругостью или имеет малую массу. Бесконтактная индикация резонансов конструкции по ИЧХ отличается отсутствием влияния средств измерения на объект исследования и заключается в следующем:

1. Определяется дискретный спектр собственных частот путем плавного изменения частоты синусоидальных колебаний в требуемом частотном диапазоне по ГОСТ 30630.1.1-99 с приложением постоянной силы, вырабатываемой возбудителем и направленной на конструкцию.

2. Обеспечивается сила, передаваемая толкателем на постоянном уровне при помощи электромагнитной обратной связи (ЭМОС). Пьезоэлектрический датчик сигнала ЭМОС закрепляется на нижней радиальной пружине подвижной системы вибростенда.

3. Измеряется полное сопротивление возбуждающей обмотки вибростенда, после чего передается его величина на регистратор, синхронизированный с частой генератора.

4. Осуществляется визуализация полученной ИЧХ в логарифмическом масштабе по частоте и линейном по амплитуде на всем исследуемом диапазоне частот.

Отличительной особенностью бесконтактного определения резонансных частот по ИЧХ является полное отсутствие влияния массы средств измерения на ОИ. Индикация резонансов по вершинам кривых ИЧХ точна и показательна, но имеет серьезный недостаток - ни величину виброперемещения, ни амплитуды ускорения по ИЧХ в достаточно точных пределах определить невозможно. Однако полученные значения резонансных частот сами по себе являются основными динамическими характеристиками ОИ.

Однако для более полного описания поведения конструкции необходимо знать максимальные амплитуды колебаний, которые следует измерять в центре пучности собственной формы. Математическое моделирование современными пакетами САПР на персональных и серверных ЭВМ не позволяет с достаточной точностью определять центры пучностей таких сложных объектов, как пульт управления питанием, поэтому центр средней

пучности необходимо определять экспериментально в процессе измерения в такой последовательности:

1. Определить шаг смещения по оси ОХ и ОУ- 1Х и 1У соответственно, на текущей резонансной частоте равный 1 % от полуволны, по оси X:

/ -р р -р _р -У°'01 (I)

1х - % ~ ги - м/ чн - ■ >

А

шаг смещения по оси У:

^•0,01

1У = Ра ~ Ра = рм ~ рт = -• (2)

Ь

2. Измерить амплитуду А0/ в предполагаемом центре пучности. При первичном измерении - в центре пучности компьютерной модели САПР или геометрическом центре основания ОИ. Использовать ВИП индукционного типа, установленный на системе позиционирования виброиспытательной установки.

3. Сместить измеритель на величину, равную 1Х и 1У, в направлении осей ОХ и ОУ и измерить амплитуду Аы в четырех точках Р„, вблизи предполагаемого центра пучности /о/.

4. Определить, соответствует ли контрольная точка фактическому центру пучности по следующему условию:

Ло,-4„-<0,01Лл,-, (3)

где Л„, - амплитуда колебаний в четырех близлежащих точках измерения на расстоянии 1хи1ув направлении осей ОХ и ОУ соответственно.

При соблюдении указанного условия следует прекратить измерения, считая фактическим центром пучности текущую контрольную точку. В противном случае перейти к следующему пункту.

5. Вычислить направление роста амплитуды стоячей волны как векторную сумму разностей амплитуд между предполагаемым центром и близлежащими точками вдоль осей А'и Уна расстоянии 1Х и 1У.

5.1. Модули векторов изменения амплитуды собственной формы определять как

Ы = Ло /-««/> (4>

где и = 1...4.

5.2. Началом векторов считать точки Рп,.

5.3. Векторы определять направленными от центральной точки Р0„ если разность аг0, - а„, положительна, и направленными к центральной точке Р01, если разность а0! - ап1 отрицательна.

5.4. Направлением увеличения амплитуды стоячей волны считать направление максимального по модулю вектора из векторов Б2ь Бл„

5га- = шах[| |; 11;|Щ,1;1|], (5)

где 5,, = аи + а2,; 52(- = а2,• + ам; = ам + ам; Бм = ам + аи.

6. Сдвинуть измеритель в направлении увеличения амплитуды 6.1. При выполнении условия

установить шаг сдвига ВИП, равный

(7)

6.2. При выполнении условия

(8)

1х

установить шаг сдвига ВИП, равный

/, =1уу}\ + Ща.

(9)

6.3. Далее перейти к выполнению п. 2.

Таким образом, при измерении колебаний в центрах пучностей собственных форм амплитуда соответствует максимальному значению вибрации на текущей частоте, что и необходимо для определения значений амплитуд частотного спектра.

В разных точках поверхности на одной частоте амплитуда различна, и при исследовании заданного частотного диапазона полученные графики тоже будут различаться. Некоторые амплитуды будут занижены, а некоторые резонансы могут вообще никак не проявиться. Это связано с попаданием датчика первичной информации в области узлов собственных колебаний, которые зависят от частоты.

Получить такую АЧХ, амплитуда резонансов которой соответствует максимальным колебаниям ОИ, невозможно проводя измерения в одной точке. Для получения адекватной АЧХ во всем диапазоне частот путем совмещения резонансных кривых, соответствующих действительности, на один график необходимо выполнить следующие действия:

1. Определить резонансные частоты согласно» требованиям ГОСТ 30630.1.1-99 в соответствии с целевой группой исполнения по ГОСТ РВ 20.39.304-98 в зависимости от назначения и условий эксплуатации ОИ.

2. На каждой резонансной частоте /„ необходимо измерять только фрагмент АЧХ в диапазоне от ^ - 1 до /„ + 1 в центре пучности формы, соответствующей /„.

3. Создать графические представления резонансных кривых.

4. Произвести совмещение резонансных кривых на один график. Из двух значений амплитуд, соответствующих разным резонансным кривым на одной частоте, на график наносится только одно максимальное. Линии графика, продолжающиеся после пересечения резонансных кривых ниже полученной совмещением фрагментов результирующей АЧХ, являются технологической информацией, их изображать не следует.

Таким образом, методика формирования адекватной АЧХ заключается в проведении ряда измерений в центрах пучностей собственных средств ОИ и в построении по полученным данным АЧХ.

Для применения предложенных теоретических положений на практике разработана методика проведения испытаний для определения динамических характеристик конструкций ЭС, диаграмма которой представлена на рисунке 6.

Система управления многоканальной виброиспытательной установкой

Рисунок 6 - Диаграмма ШЕРО методики определения динамических характеристик конструкции

Значения характеристик внешних факторов, действующих на аппаратуру, устанавливают в соответствии с классификационными группами и данными, приведенными в таблицах разделов 5-11 ГОСТ РВ 20.39.304-98, исходя из анализа условий ее функционирования.

Суть методики состоит в возбуждении резонансов на всех собственных формах в установленном диапазоне частот путем введения в вибрационное воздействие разности фаз в продольном, поперечном и диагональном направлении ОИ и определении оптимальной точки измерения частотных характеристик для устранения искажений, связанных с попаданием в узловые точки колебаний. Корректировка точки измерения осуществляется в результате анализа полученных амплитуд в процессе проведения испытаний.

В четвертой главе разработан алгоритм управления многоканальной вибрационной установкой, отличающийся формированием испытательного сигнала с переменной скоростью и измерением амплитуды вибрации с регулированием постоянной времени, и на основе предложенного алгоритма разработана усовершенствованная структура ИИиУС.

Для определения динамических характеристик конструкции методом плавного изменения частоты ГОСТ 30630.1.1-99 регламентирует выбирать значение скорости изменения частоты, равное одной-двум октавам в минуту. Если проводить сканирование широкого диапазона частот (например, от 10 Гц до 1 кГц и более) с такой скоростью за одну итерацию и одним устройством, то на низких частотах сглаживающий фильтр преобразователя не обеспечивает эффективного усреднения, на выходе появляются значительные пульсации и погрешность постоянного уровня. ГОСТ 30630.1.1-99 при испытаниях для определения динамических характеристик на частотах ниже 10 Гц допускает при значениях частот от 1 до 50 Гц устанавливать значение скорости изменения частоты 10 Гц / мин. В поддиапазоне 40-50 Гц это обоснованно, так как увеличивается время измерения.

Несмотря на то, что обычно усреднение в преобразователе в эффективное значение осуществляется простым ЯС-фильтром, реакция на скачкообразное изменение входного сигнала не описывается экспоненциальной функцией.

Таким образом, при допустимой точности в 1 % в рабочем поддиапазоне (средние частоты) время установления при снижении уровня составит приблизительно Ют.

Количество периодов в определенном частотном поддиапазоне за время измерения:

м = ^измС/н (10)

2

Таким образом, скорость изменения частоты при частотах, значения которых составляют менее 160 Гц в каждом поддиапазоне фиксированных частот, равна

^ич-(/нР+/в)(3,31оёА). (П)

84 Ун

При скорости изменения частоты, равной одной октаве в минуту, на поддиапазоне от 10 до 20 Гц Л^ составит 900 периодов измеряемого сигнала. Экспериментальные исследования по анализу колебательных характеристик ЭС показали, что на интервале 1/60 октавы при резонансах с высокой добротностью изменения уровней АЧХ достигают 1 дБ. Иными словами, за' время установления, равное 1 с, измеряемый сигнал может измениться на 10 %. При скорости изменения частоты одна октава в минуту быстродействия преобразователя с временем установления 1 с недостаточно. Кроме того, за одну секунду в испытательном сигнале (10-20 Гц) уложится в среднем 15 периодов, что явно недостаточно для преобразования в эффективное значение с приемлемой погрешностью.

При проведении испытаний за одну итерацию одним устройством с получением в результате непрерывного спектра частот конструкции в заданном частотном диапазоне необходимо при формировании испытательного сигнала на низких частотах уменьшить скорость изменения частоты до значения 100 периодов за поддиапазон, равный 0,01 октавы. Такая скорость изме-

нения частоты соответствует скорости одна октава в минуту на частотах в области 100 Гц. При частотах, значения которых составляют менее 100 Гц, испытания предлагается проводить методом ступенчатого изменения частоты по ГОСТ 30630.1.1-99 путем плавного изменения значения частоты от нижней фиксированной частоты fH до следующей более высокой фиксированной частоты ./в за время прохождения каждого диапазона /тм:

5000

'ИЗМ~(Л^Л)" (12)

Для повышения быстродействия с увеличением частоты предлагается в соответствии с управляющим сигналом генератора устанавливать постоянную времени, равную десяти периодам во всем диапазоне частот испытаний: х = 10Г.

Реализовать формирование испытательного сигнала предлагается генератором прямого синтеза на 8-разрядном микроконтроллере. Схема алгоритма генератора представлена на рисунке 7.

Один период синусоидальных колебаний сохранен в памяти программ 256 значениями. Эти значения необходимо загрузить в ОЗУ, чтобы впоследствии передать их в соответствующий порт ввода-вывода по указателю Accum. Формирование нуля на выходе осуществляется передачей в порты ввода-вывода значения IF в бесконечном цикле. Запуск генератора производится командой Start, полученной по последовательному интерфейсу в цикле программы или по прерыванию. Accum — это аккумулятор фазы, состоящий из трех 8-разядных регистров. В младший регистр добавляется слагаемое AF, определяющее текущее значение частоты.

Фазовый сдвиг л-го канала определяется 8-разрядной переменной ср, добавляемой к старшему регистру аккумулятора непосредственно перед передачей в порт значения из ОЗУ. Условие Т = 1 определяет, закончилось ли формирование одного периода колебаний. Если да, то необходимо заново рассчитать значение AF. Если нет, то следует установить значение сигнала, управляющего значением т, выдачей в порт двух старших регистров AF. Цикл необходимо задать так, чтобы количество тактов в разных ветках было одинаковым. На частотах выше 160 Гц скорость постоянна, равна одной октаве в минуту и зависит от значения AF:

A^=AF„_,+ß, (13)

„ 160-2 B-m .... где ß = —--. (14)

*clock

На частотах ниже 160 Гц AF текущей итерации увеличения частоты и равно

(15)

где Fn — нижняя фиксированная частота диапазона частот, в котором находится текущая частота, по ГОСТ 30630.1.1-99. Таким образом, чем ниже

частота, тем меньше скорость изменения частоты. Условие = необходимо для выхода из цикла при завершении формирования испытательного сигнала.

Рисунок 7 - Схема алгоритма формирования испытательного сигнала

Структура многоканальной виброиспытательной установки для проведения испытаний по определению динамических характеристик конструк-

тивных элементов ЭС, позволяющая реализовать предложенный алгоритм, представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структура ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС

Многоканальная виброиспытательная установка осуществляет передачу вибросилового воздействия в точках крепления исследуемого образца (объекта исследования). Стабилизация испытательного сигнала происходит электромеханической обратной связью, источником которой является сам вибратор. Таким образом, при фиксации амплитуды, на разных частотах регистрируя приложенную силу, бесконтактно определяют значения резонансных частот.

Вибродатчик индукционного типа во время измерения амплитуд вибрации при поиске центров пучностей входит в точечный контакт с исследуемым образцом посредством стержневых толкателей, осуществляющих необходимое нажатие на поверхность. Отличительной особенностью используемых вибропреобразователей является внешнее закрепление по отношению к ОИ, способствующее снижению влияния присоединенной массы и упругости на результаты измерений.

Генератор формирует четырехканальный испытательный сигнал плавающей частоты с необходимым фазовым сдвигом и сигнал управления постоянной времени, который синхронизирован с изменяющейся частотой. АЦП дискретизирует 64 значения аналогового выпрямленного и отфильтрованного сигнала и передает усредненное значение в ЭВМ для дальнейшей обработки и визуализации. Для снижения погрешности усреднения в ФНЧ используется управление величиной постоянной времени, реализованное на резистивной оптопаре.

В пятой главе приведена практическая реализация ИИиУС, состоящей из системы управления, многоканальной вибрационной установки и индукционного ВИП прямого действия. Описано устройство и принципы функционирования многоканальной вибрационной установки, состоящей из системы позиционирования и вибровозбудителей. Приведено описание системы управления многоканальной виброиспытательной установкой и системы позиционирования. Рассмотрена процедура калибровки ИИиУС, заключающаяся в приведении выходной величины, отображаемой на графике, к эталонной величине виброскорости, приложенной к первичному виброизмерительному преобразователю, и приведении амплитуды виброускорения вибровозбудителя к величине эталонного синусоидального электрического сигнала генератора испытательного сигнала. Основные технические характеристики ИИиУС:

- количество вибровозбудителей - 4;

- рабочий частотный диапазон - от 10 Гц до 5 кГц;

- неравномерность АЧХ вибровозбудителей - 1 дБ;

- максимальная амплитуда ускорения — 10

- максимальные размеры объекта испытаний — 320 х 220 х 120 мм;

- максимальная масса объекта испытаний - 200 г.

Далее приведены результаты экспериментальных исследований эффективности ИИиУС в виде сравнительного анализа частотных характеристик «Пульта управления электропитанием», представленных на рисунке 9.

Частотные характеристик и Щёк

ш 8 I г 6 га х - К ' =£ X §! Я1 1 X , & . 2 0 —- ■ ; ! 1 \ ■ АЧХ и АЧХ И8

1 /Г 1 1 | ; ......

1 / 1, Л * /А // \ 1/ \ | ! 1 ! | } 1! II 1| 1 Ъ ) 1 . 1

• 1 /; \ ...... т 1 Л % V 1 1 V 21 1 I 1 1 IV \\? V Л » 1 / •II н ~~—

1 1 --1— V р Л 4 \ Ч' II ____ _ }

Частота, Гц

Рисунок 9 - Сравнительный анализ частотных характеристик вибростенда ВС 132 и разработанной ИИиУС

Кривая 1 получена на разработанной ИИиУС при использовании методики проведения испытаний для определения динамических характеристик конструктивных элементов ЭС и алгоритма формирования испытательного сигнала. Кривая 2 получена на вибростенде ВС132 при классическом закреплении ОИ на вибростоле.

На графике видно, что отдельные резонансы на вибростенде ВС132 возбуждаются со значительно меньшими амплитудами. На частоте 200 Гц амплитуда, полученная на вибростенде ВС 132, на 75 % ниже амплитуды, полученной на разработанной ИИиУС. Согласно ГОСТ 30630.1.1-99 резонанс регистрируется при амплитуде колебаний, превышающей амплитуду, точек крепления в два и более раза. Таким образом, точность определения количества резонансных частот ОИ повышена на 15 % по сравнению с синфазным возбуждением от вибростола ВС132. Кроме того, точность определения значений резонансных частот ИИиУС в низкочастотной области повышена на 5 %, что объясняется улучшенным усреднением при измерении и отсутствием пульсаций из-за увеличенного времени прохождения низкочастотной области частотного диапазона.

В заключении обобщены результаты исследования и сделаны выводы по работе.

В приложениях представлены копии документов, подтверждающих внедрение результатов работы, наличие патентов и свидетельств о регистрации электронных ресурсов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ условий эксплуатации ЭС и современных ИИиУС для определения их динамических характеристик, с помощью которого выявлено несоответствие испытательных режимов и режимов эксплуатации.

2. Разработана методика проведения испытания 100 по ГОСТ 30630.1.1-99, отличающаяся повышенным соответствием режимов испытаний условиям эксплуатации, что позволило увеличить точность определения амплитуд вибрации используемого ОИ на отдельных резонансных частотах до 75 %, а также повысить информативность измеренных частотных характеристик за счет отображения на одном графике всех резонансных кривых ОИ.

3. Разработан алгоритм формирования испытательного сигнала с переменной скоростью изменения частоты и динамическими параметрами ФНЧ, позволяющий повысить точность определения резонансных частот ОИ на 5 % в области низких частот без значительного увеличения времени проведения испытаний.

4. Усовершенствована структура ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных элементов электронных средств, позволяющая повысить эффективность проведения испытания 100, выражающуюся в повышении точности измерения, степени соответствия испытательных режимов режимам эксплуатации, информативности результатов испытаний.

5; Разработана и реализована ИИиУС для проведения испытания 100, позволившая зафиксировать два дополнительных резонанса ОИ, имеющего шесть резонансных частот в рабочем диапазоне частот.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Голушко, Д. А. Методика поиска ненадежного элемента в РЭА специального назначения / Д. А. Голушко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Вопросы радиоэлектроники. - 2011. - Т. 1, № 2. - С. 123-128.

2. Голушко, Д. А. Модель изменения технического состояния электронной аппаратуры / В. И. Тутушкин, Д. А. Голушко // Вопросы радиоэлектроники. -

2011.-Т. 1, № 2. - С. 128-132.

3. Голушко, Д. А. Методика исследования радиоэлектронных средств опытно-теоретическим методом на ранних этапах проектирования / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, А. В. Лысенко // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2012. - № 7 (38). - С. 91-96.

4. Голушко, Д. А. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А. В. Затылкин, А. В. Лысенко, Д. А. Голушко, Д. А. Рындин,, Н. К. Юрков // XXI в.: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : период, науч. изд. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. - Спецвыпуск С. - С. 83-87.

5. Голушко, Д. А. Анализ акселерограмм, полученных в различных точках крепления бортовых электронных средств / Д. А. Голушко // Вопросы радиоэлектроники. - 2015. - № 1. - С. 64-69.

6. Голушко, Д. А. Исследование особенностей возбуждения собственных частот в конструктивных элементах электронных средств / Д. А. Голушко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Вопросы радиоэлектроники. - 2015. - № 1. - С. 66-76.

Публикации в других изданиях

7. Голушко, Д. А. Внешние механические воздействия как источник возникновения дефектов / А. В. Затылкин, В. С. Юдин, Д. А. Голушко // Испытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в рамках Всерос. науч. шк. «Методики, техника и аппаратура внешних испытаний» / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - С. 30-31.

8. Голушко, Д. А. Анализ современного виброиспытательного оборудования для исследования динамических характеристик конструктивных элементов РЭС / Д. А. Голушко // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. -Вып. 17.-С. 89-94.

9. Голушко, Д. А. Исследование влияния деформационной составляющей внешнего вибрационного воздействия на надежность радиоэлектронных средств / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, Д. А. Рындин // Надежность и качество: тр. Меж-дунар. симп.: в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. -С. 42-43.

10. Голушко, Д. А. Вибровозбудитель сейсмического типа для проведения, испытаний ЮС на стойкость к внешним вибрационным воздействиям / Д. А. Го-

лушко, А. И. Долотин, Н. А. Ястребова // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 2. - С. 38-41.

11. Голушко, Д. А. Методика работы с программой расчета систем амортизации бортовой радиоаппаратуры / Д. А. Голушко, Д. В. Ольхов // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. - М. : Моск. ин-т электроники и математики НИУ ВШЭ, 2013. - Т. 1. — С. 389-391.

12. Голушко, Д. А. Моделирование влияния внешних механических воздействий на АЧХ бортовых РЭС / Д. А. Голушко, Н. К. Юрков, А. И. Долотин // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. - М. : Моск. ин-т электроники и математики НИУ ВШЭ, 2013. - Т. 1. - С. 392-394.

13. Голушко, Д. А. Исследование динамических характеристик стержневых элементов конструкций РЭС волновым методом / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, Д. А. Рындин // Инновационные информационные технологии. - 2013. - Т. 3, №2.-С. 129-135.

14. Голушко, Д. А. Способ имитационного моделирования вибровоздействий на самолетную РЭА / Д. А. Голушко, Г. В. Таньков, Н. К. Юрков // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 5-1. - С. 26-28.

15. Голушко, Д. А. Методика проведения испытания электронных средств на стойкость к внешним вибрационным воздействиям с учетом их конструктивных особенностей / Д. А. Голушко // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. - Т. 1. - С. 373-376.

16. Голушко, Д. А. Методика работы с программным обеспечением по расчету динамических параметров систем амортизации бортовой радиоаппаратуры / Д. А. Голушко, Д. В. Ольхов // Современные информационные технологии. -2014. - № 19 (19). - С. 100-103.

17. Голушко, Д. А. Моделирование влияния внешнего вибрационного воздействия на бортовую РЭА / Д. А. Голушко, Г. В. Таньков, Н. К. Юрков // Актуальные вопросы образования и науки : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2014. -Ч. 11. - С. 67-70.

18. Голушко, Д. А. Исследование частотного спектра механических колебаний сложных технических систем подвижных объектов / Д. А. Голушко // Надежность и качество сложных систем. — 2014. - № 4 (8). — С. 83—88.

19. Голушко, Д. А. Методика исследования динамических характеристик технических систем на основе рассогласования фаз внешнего вибрационного воздействия / Д. А. Голушко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2014. -№ 4 (8). — С. 88-93.

20. Голушко, Д. А. Интерфейс взаимодействия многоканального виброиспытательного оборудования с программной средой управления исследованиями / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, Д. А. Голушко // XII Всероссийское совещание по проблемам управления - ВСПУ-2014 [Электронный ресурс]. - М. : Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2014. - С. 7203-7208.

21. Golushko, D. A. Modeling the introduction of mechanical influences in the design of radio-electronic facilities / A. V. Zatylkin, G. V. Tankov, D. A. Golusho // Innovative Information Technologies : Materials of the international scientific-practical conference. - M. : HSE, 2014. - P. 2. - P. 512-514.

22. Голушко, Д. А. Информационно-измерительная и управляющая система для проведения определительных испытаний конструктивных элементов электронных средств / Д. А. Голушко, Г. В. Таньков, Н. К. Юрков // Теоретические и прикладные аспекты современной науки : сб. науч. тр. по материалам VII Меж-дунар. науч.-практ. конф.: в 10 ч. - Белгород : ИП Петрова М. Г., 2015. - Ч. III. -С. 18-19.

23. Голушко, Д. А. Методика управления многоканальным виброиспытательным стендом / Д. А. Голушко, А. В. Лысенко, А. Г. Царев // Алгоритмы, методы и системы обработки данных : электрон, науч. журн. - Муром, 2014. -№ 4. -

URL: http://am¡sod.ru/indcx.php?option=com_content&v¡ew=article&id=274:amisod-2014-04-29-golushko-lysenko-tsarev&catid=30:amisod-2014-04-29 (дата обращения: 16.03.2015).

24. Голушко, Д. А. Позиционирование ВИП в информационно-измерительной и управляющей системе для проведения определительных испытаний Г Д. А. Голушко // Теоретические и прикладные вопросы науки и образования : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : ООО «Консалтинговая компания "Юком"», 2015. - Ч. 15. - С. 32-35.

25. Голушко, Д. А. Калибровка информационно-измерительной системы для проведения определительных испытаний конструктивных элементов ЭС / Д. А. Голушко // Международный студенческий научный вестник. - 2015. -№ 1. -URL: www.eduherald.ru/122-11982 (дата обращения: 16.03.2015).

Патенты

26. Способ определения спектральных колебательных характеристик конструктивных элементов РЭС и установка для его реализации : пат. на изобретение 2536325 Рос. Федерация : МПК G 01 М 7/06 / Голушко Д. А., Затылкин А. В., Лысенко Н. К., Таньков Г. В., Юрков Н. К. - № 2012130735 ; заявл. 05.02.2013 ; опубл. 10.08.2014, Бюл. № 3 5.

27. Пульт управления электропитанием : пат. на промышленный образец 85800 Рос. Федерация / Вяль А. А., Гранин В. В., Голушко Д. А., Пайгин В. П. -№2012501216; заявл. 19.04.2012; опубл. 16.07.2013.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

28. Программа моделирования динамических процессов в упругих стержневых элементах конструкций электронных средств в условиях внешних вибрационных воздействий «VibroScan v.1.0» : свидетельство № 2013610536 / Затылкин А. В., Рындин Д. А., Лысенко А. В., Голушко Д. А., Юрков Н. К. -№2012660061 ; заявл. 21.11.12.

29. Программный модуль обработки измерительной информации, полученной' с датчиков виброскорости индукционного типа : свидетельство № 2014663051 / Затылкин А. В., Рындин Д. А., Голушко Д. А., Лысенко А. В., Юрков Н. К. -№ 2014661075 ; заявл. 30.10.2014.

30. Программный модуль формирования управляющего сигнала для вибростенда четырехканального : свидетельство № 2015610303 / Голушко Д. А., Затылкин А. В., Юрков Н. К. - № 2014619037 ; заявл. 08.09.2014.

Научное издание

Голушко Дмитрий Александрович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор К 77. Мухина Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой

Распоряжение № 5/27-2015 от 18.03.2015. Подписано в печать 19.03.2015. Формат 60х84'/i6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 148. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru