автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей на основе анализа их тепловых образов

На правах рукописи

ЛОПИН Александр Викторович

МЕТОД БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДНЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИХ ТЕПЛОВЫХ ОБРАЗОВ

Специальность: 05.12.04. - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«"=»049661

г I МАП 2014

Воронеж -2014

/1

005549661

Работа выполнена в ФГБОУ ский университет»

Научный руководитель

В ПО «Воронежский государственный техниче-

доктор технических наук, профессор Муратов Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Поветко Василий Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Концерн «Созвездие», начальник информационно-аналитической службы

Чепилев Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», доцент кафедры основ радиотехники и электроники

Ведущая организация ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия

им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»,

г. Воронеж

Защита состоится « 26 » июня 2014 г. в 1422 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» www.vorstu.ru

Автореферат разослан «(3» мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

4

Макаров Олег Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 н 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:

1. 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.

2. Разработать математические модели формирования тепловых образов функциональных узлов РЭУ, обеспечивающие возможность диагностики элементов на основе анализа их тепловых характеристик (истинных и радиационных температур).

3. Разработать метод диагностики элементов радиоэлектронной аппаратуры на основе теоретических расчетов их тепловых характеристик и результатов теплового контроля.

4. 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.

5. Провести экспериментальные исследования, направленные на подтверждение достоверности результатов работы и разработанных программно-методических средств.

6. 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 новнзна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

математическая модель формирования тепловых образов, разработанная и предложении квазистационарного теплового режима элементов функциональною 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.

Внедренне 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе показано, что, несмотря на достаточно высокий уровень современных технологий создания РЭУ, в силу объективных причин они обладают отдельными недостатками, приводящими к появлению дефектов на всех этапах проектирования и производства. Поэтому в настоящее время во всем мире ведется поиск методов и средств повышения качества и надежности РЭУ, выполняемых на основе функциональных узлов (печатных плат), которые являются основными составными элементами конструктивных узлов, блоков и комплексов РЭУ.

Установлено, что в интересах снижения временных и финансовых затрат на поиск и устранение дефектов целесообразно проводить диагностику на всех этапах технологического процесса создания РЭУ. В материалах первой главы проведен анализ состояния и обоснованы основные направления разработки методов диагностики функциональных узлов РЭУ с обоснованием возможности решения задач

автоматизированного диагностирования. Показано, что одним из перспективных и эффективных методов диагностики РЭУ, который может использоваться на всех этапах его создания, является метод тепловой диагностики, основанный на сочетании математического моделирования и измерения тепловых образов. В интересах разработки методов тепловой диагностики в первой главе показана физическая сущность процесса формирования тепловых образов элементов функциональных узлов РЭУ и факторы, влияющие на их теплофизические характеристики.

Определено, что математическое моделирование и тепловой контроль (измерение теплового образа) тепловых процессов, протекающих в элементах РЭУ, позволяют осуществлять оценку достоверности проектных решений, делать технический прогноз надежности и разрабатывать рекомендации по конструктивному исполнению РЭУ, обеспечивающие заданные и (или) оптимальные тепловые характеристики элементов, функциональных узлов, блоков и РЭУ в целом.

Показано, что для повышения эффективности проектирования и создания РЭУ на основе комплексного решения задач тепловой диагностики, а также их автоматизации, требуется разработка ряда математических моделей, обеспечивающих формирование тепловых образов функциональных узлов РЭУ в виде распределения истинных и радиационных температур для реализации процедуры тепловой диагностики на этапах эскизного и технического проектирования, создания ЭО и серийного производства. При этом показана необходимость разработки самой процедуры тепловой диагностики.

С учетом проведенного анализа определены направления исследований, составлены требования к математическому и методическому обеспечению тепловой диагностики РЭУ.

Во второй главе рассмотрено математическое обеспечение процесса тепловой диагностики на этапах проектирования и создания РЭУ. Состав и структу ра данного математического обеспечения представлены на рис. 1. Для реализации процесса тепловой диагностики функциональных узлов (печатных плат) РЭУ на этапе эскизного и технического проектирования предложена математическая модель формирования теплового образа печатной платы в виде распределения истинных температур, соответствующих ее элементам и поверхности. Данная математическая модель построена на основе аналитического метода расчета распределения истинных температур для неограниченной пластины с локальными поверхностными источниками теплоты и обеспечивает проведение многовариантных расчетов. Непосредственное формирование теплового образа функционального узла радиоэлектронного устройства на этапе эскизного и технического проектирования осуществляется на основе расчета перегрева его элементов $(х,у). Представленный аналитический метод расчета температурного поля пластины с локальными источниками наиболее адекватно подходит для математического моделирования теплового режима различных узлов РЭУ, включающих как элементарные резисторы, так различные микросхемы и микросборки, установленные на общем основании (плате). При этом данный аналитический метод позволяет рассчитывать истинную температуру любого количества источников с ограниченным набором входных данных при достаточном уровне погрешности.

В интересах реализации процедуры тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на различных этапах эскизного и технического проектирования, создания ЭО и серийного производства разработана имитационная модель формирования эффективного теплового излучения элементов функциональных узлов РЭУ,

Рис. 1. Состав и структура математического обеспечения процесса тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ

позволяющая учитывать собственное и переотраженное излучение. Имитационная модель отражает процесс формирования эффективного теплового излучения поверхностью функциональных узлов с различными оптическими характеристиками и позволяет с приемлемой точностью (в пределах аппаратурной погрешности средств измерения) учесть основные влияющие факторы внешнего фонового теплового излучения и провести расчет истинных и радиационных температур эле-

ментов РЭУ в различных условиях визирования с учетом пространственной ориентации элемента по отношению к направлению визирования аппаратуры теплового контроля а, и переотражения фонового облучения Ч1 (рис. 2).

В конечном итоге спектральная энергетическая яркость элемента как характеристика эффективного теплового излучения определяется следующим выражением: £"(«,ЛЛ>'ос):

^ (а.. Ч», *0 ,/.,/„,) = в^ (/.)+(1 * (О + С (^», (1)

где - коэффициент теплового излучения (КТИ) поверхности элемента для заданного спектрального диапазона ДА;

(г)- энергетическая яркость диффузно-рассеянного излучения, обусловленного фоновым излучением в заданном спектральном диапазоне ДА при температуре Тс, обусловленной облучением небосвода и Солнца;

- энергетическая яркость абсолютно черного тела (АЧТ) при истинной температуре элемента Т0 в заданном спектральном диапазоне ДА;

- энергетическая яркость диффузно-рассеянного излучения, обусловленного облучающим фоном в заданном спектральном диапазоне ДА

г

пп

п V отр * 7 Я-у . у

* (Хв >

0 ■

* О ' Г"

** - Рв 4 ф'"

X

Рис. 2. Геометрическое представление расположения нормали поверхности элемента п„, направления визирования п. средством теплового контроля и направления переотраженного теплового излучения фона ПитР.

Для удобства проведения сравнительных процедур расчет истинных температур элемента через измеренное значение эффективного теплового излучения (радиационных температур) предложено выражение следующего вида:

1 . (2)

Зная величину спектральной энергетической яркости ¿"('о), можно легко с помощью формулы Планка рассчитать истинное значение температуры элемента ^

Полученные выражения (1,2) являются основой для расчёта как радиационных, так и истинных значений температуры поверхности любых элементов РЭУ, находящейся в условиях естественного и искусственного фонового излучения, и могут быть использованы для реализации процедуры тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ.

Для реализации процедуры тепловой диагностики предложено математическое обеспечение, содержащее метод распознавания образов путем сличения исследуемого образа с эталонным на основе сравнения их системы признаков, объединенных в так называемые векторы признаков.

Непосредственно процесс распознавания проводится применительно к следующему алгоритму.

Во-первых, находятся так называемые меры близости в виде значений евклидовых расстояний с1ф элементов векторов первичных признаков из библиотеки эталонных и наблюдаемого образов объектов, которые рассчитываются по формуле

' О)

где \ - номер объекта в библиотеке эталонных образов;

g - количество элементов вектора первичных признаков объекта;

Г]ч- q-й элемент вектора первичных признаков К 3 из библиотеки эталонных образов;

пч - q-й элемент веетора первичных признаков N наблюдаемого объекта;

XV,- весовой коэффициент я-го элемента вектора первичных признаков объекта. удовлетворяющий условию £ Wq = 1.

В качестве элементов вектора первичных признаков объекта выбираются геометрические размеры объекта (функционального узла) и количество вторичных признаков данного объекта. Элементами вектора вторичных признаков объекта являются тип 0 (диод, конденсатор транзистор и т.п.), относительные геометрические координаты отдельно взятых элементов Х^ и их энергетическая характеристика, отражающая тепловой режим

На основе минимальных значений ^ (1^, Ы) идентифицируются наиболее близкие образы из библиотеки эталонных образов.

Во-вторых, для наиболее близких из эталонных образов и наблюдаемого объекта рассчитывается вероятность сходства Рс:

где А - число случаев, когда наблюдаемый объект обладает вторичными признаками, аналогичными объекту из библиотеки образов;

8 - количество элементов вторичных признаков, не соответствующих признакам, аналогичным объекту из библиотеки образов.

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.

По результатам сравнительного анализа осуществляется процесс расчета надежностных характеристик отдельно взятого элемента и функционального узла.

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 Р6р по формуле

р

r6pi —е , Р)

где Кт- коэффициент, учитывающий тепловой режим элемента;

Хотб - базовое значение интенсивности отказов конкретного типа элементов; /3 - заданное время наработки на отказ.

Вероятность безотказной работы функционального узла РфУ рассчитывается как произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов.

Предложенные соотношения положены в основу реализации процесса тепловой диагностики элементов и функциональных узлов в целом.

В третьей главе рассмотрены конкретные методики и алгоритмы тепловой диагностики на каждом из этапов проектирования и создания РЭУ, а также методика обоснования требований к аппаратуре бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей.

Особенностью тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на этапе эскизного и технического проектирования является то, что процесс диагностики может быть осуществлен только по результатам математического моделирования его теплового образа и проведения сравнительного анализа теплового режима каждого из элементов проектируемого узла с его номинальными значениями данного типа элементов.

Реализация вышеуказанных положений тепловой диагностики представлена в виде алгоритма на рис. 3.

Сама процедура сравнительного анализа предусматривает проверку следующего условия:

(6)

где ^ — истинная температура i-го элемента из состава функционального узла с координатами Xj, Yj, обладающая признаком определенного типа элемента 0, ° С;

t,;, - истинная температура эталонного элемента из состава базы данных, обладающая признаком определенного типа элемента 0, ° С;

бг - доверительный интервал возможного изменения номинального значения истинной температуры, °С

В случае невыполнения условия (6) осуществляется «выбраковка» элементов с последующей корректировкой схемотехнических решений.

По результатам поэлементного сравнения осуществляется расчет эксплуатационной интенсивности отказов Хот i > вероятности безотказной работы Ррр -, (Q, X,, Yj ,toj) каждого ¡-го элемента и вероятности безотказной работы функционального узла Р6р фу в целом, которая анализируется на соответствие техническим требованиям по заданному уровню данной величины рЦ^ :

Р < Р77" fn\

Чр фу - гбр фу (7)

В случае выполнения условия (7) принимается решение о соответствии функционального узла заданным техническим требованиям, а невыполнение данного условия требует корректировки схемотехнических решений.

Существенным отличием процесса тепловой диагностики на этапе создания ЭО функционального узла РЭУ от этапа эскизного и технического проектирования является то, что результаты схемотехнических решений проверяются по результатам натурных исследований. В связи с этим для реализации алгоритма тепловой

Рис. 3. Алгоритм тепловой диагностики функционального узла РЭУ на этапе эскизного и технического проектирования

диагностики функциональных узлов м» на этапе создания си предложено проводить с учетом преобразования радиационных температур элементов, полученных с помощью тепловизионного средства, в их истинные значения, используя

выражение (2). Алгоритм тепловой диагностики на этапе создания ЭО, учитывая вышеизложенные особенности, представлен на рис. 4.

По результатам тепловой диагностики принимается решение о соответствии

Рис. 4. Алгоритм тепловой диагностики функционального узла РЭУ на этапе создания экспериментальных образцов

разрабатываемого функционального узла заданным техническим требованиям и занесении теплового образа данного узла в базу данных эталонных образов. Данное решение принимается в предположении, что все элементы данного функционального узла исправны. Одним из важнейших этапов создания РЭУ является процесс серийного производства функциональных узлов. При этом процедура проверки соответствия тепловых режимов элементов осуществляется на основе

анализа тепловых образов серийно производимого и эталонного функциональных узлов.

Алгоритм тепловой диагностики на этапе серийного производства представлен на рис. 5. По результатам тепловизионной съемки серийного образца форми-

Сршияш О. ЗЬ. Т;. 1! - О. X*. V»

Рис. 5. Алгоритм тепловой диагностики функционального узла РЭУ на этапе серийного производства

руется так называемый вектор признаков ур гчи} функционального узла, в состав которого включены первичные (длина Ь и ширина Н функционального узл^ количество вторичных признаков и) и вторичные признаки (признак типа элемента О, координаты элементов X, ,У-, и энергетическая характеристика элементов Т-,).

В случае нахождения эталонного образа по критерию dj —► min осуществляется процедура поэлементного сравнения теплового режима каждого элемента серийного образца с конкретными координатами X|,Yj путем сравнения его радиационной температуры tj с эталонным значением tü ±5, где Xj,Yj = X;, ,Yi3. Величина доверительного интервала 5 определяется для каждого типа элемента. В результате реализации процедуры поэлементного сравнения формируется вектор сходства М, где каждому элементу с координатами X|,Yj присваивается двоичный

признак, единица - если тепловой режим исследуемого элемента соответствует эталонному значению, т.е. tj = ti3 ±S, ноль - если tj Ф tb ±8 (неисправен или имеет пониженный уровень надежности). На основе сформированного вектора сходства М в соответствии с выражением (6) осуществляется расчет вероятности сходства серийного и эталонного тепловых образов, по результатам которого принимается решение об исправности функционального узла: Рс =1 => функциональный узел исправен; Рс => функциональный узел неисправен. Для случая Рс^1 проводится расчет надежностных характеристик как отдельно взятого элемента, так и функционального узла в целом. Рассчитанные значения вероятности безотказной работы элемента Pgpj и функционального узла Рфу сверяются с заданными техническими требованиями.

В рамках реализации процесса тепловой диагностики разработана методика и обоснованы требования к следующим техническим характеристикам теплопнзи-онной аппаратуры: спектральному диапазону принимаемого теплового излучения, диапазону измеряемых температур, размеру поля зрения, мгновенному углу зрения, частоте кадров воспроизведения тепловизионного изображения, температурной чувствительности и условиям функционирования. Обоснование технических характеристик тепловизионной аппаратуры проведено на основе анализа спектральных, пространственно-временных и энергетических характеристик аппаратуры и источников теплового излучения (функциональных узлов РЭУ). Результаты обоснования технических характеристик тепловизионной аппаратуры представлены в виде графических зависимостей допустимых значений соответствующей характеристики.

В четвертой главе рассмотрены структура процесса и состав процедур тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ, которые представлены в виде обобщенной технологической схемы тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на этапах их проектирования и создания, построенной на основе реализации разработанных методик и алгоритмов (рис. 6).

Так, например, с использованием разработанного программно-методического обеспечения сформирован тепловой образ спроектированного блока питания в виде распределения истинных температур по поверхности печатной платы и проведена его тепловая диагностика, соответствующая этапу эскизного и технического проектирования, а также проведена проверка достоверности математического моделирования теплового образа блока питания на основе сличения результатов моделирования и непосредственного измерения истинных температур элементов с помощью контактного термометра.

Установлено, что относительная погрешность математического моделирования теплового образа блока питания, сверенная по результатам экспериментальных измерений, практически для всего диапазона рабочих температур не превышает 10%.

Рис 6. Технологическая схема тепловой диагностики функциональных узлов на всех этапах проектирования и серийного производства

В ходе создания ЭО малогабаритной радиолокационной станции с синтезированной апертурой бокового обзора (РСА БО) ОАО «НИИ «Кулон» с применением разработанного методического обеспечения проведена тепловая диагностика отдельных функциональных узлов с использованием тепловизора ЫЕС-9100. 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. По результатам тепловой диагностики разработаны рекомендации, направленные на повышение надежностных характеристик за счет снижения истинных значений температур отдельных элементов модулей. Погрешность расчетов, проводимых в рамках реализации методики тепловой диагностики функциональных узлов на этапе создания ЭО, не превышала 19%.

Для проверки работоспособности методики тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на этапе серийного производства был сформирован банк данных эталонных образов функциональных узлов в виде набора их векторов признаков, а в качестве серийного образца принят тепловой образ блока питания.

При этом с целью реализации процедуры соответствия тепловых режимов элементов их номинальным значениям один из серии тепловых образов блока питания представлен для условий, когда тепловые режимы отдельных элементов этого блока питания не соответствовали номинальным значениям. На основе проведенных экспериментальных исследований подтверждены работоспособность и техническая реализуемость разработанных в рамках диссертационной работы методики и алгоритма тепловой диагностики на этапе серийного производства функциональных узлов радиоэлектронного устройства.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ состояния и обоснованы 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.

2. Разработаны математические модели формирования тепловых образов функциональных узлов РЭУ, обеспечивающие возможность диагностики элементов на основе анализа их теплофизических характеристик.

3. Разработана технологическая схема процесса тепловой диагностики функциональных узлов РЭУ на основе расчетных и (или) измеренных значений их теплофизических характеристик в процессе эскизного и технического проектирования, разработки ЭО и серийного производства.

4. Разработаны методики и алгоритмы тепловой диагностики на этапах эскизного и технического проектирования, создания ЭО и серийного производства функциональных узлов радиоэлектронного устройства.

5. Разработана методика обоснования требований к аппаратуре бесконтактной диагностики радиоэлектронных модулей, представляющая собой определение совокупности требований по ее назначению, выполняемым функциям, техническим характеристикам и условиям применения.

6. Разработан метод диагностики элементов РЭУ на основе теоретических расчетов их теплофизических характеристик и результатов теплового контроля на этапах эскизного и технического проектирования, разработки ЭО и серийного

производства. Результаты работы внедрены в проектные работы на предприятиях и в учебный процесс, их применение позволяет сократить затраты на проектирование, повысить качество проектных решений и надежность разрабатываемых РЭУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Лопин, А. В. Диагностика печатных плат радиоэлектронных средств методом термографического контроля [Текст] / A.B. Лопин, В.И. Лопин, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. - № 9, - С. 58 - 60.

2. Лопин, А. В. Формирования инфракрасного излучения электрическими и теплопроводящими конструкциями в условиях естественного фоного облучения [Текст] / А. В. Лопин, В.И. Лопин, О. Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. - № 9, - С. 137 - 140.

3. Лопин, А. В. Математическое моделирование тепловизионных изображений объекта [Текст] / А. В. Лопин, П. Н. Кучерин, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 11, с. 39-43

4. Кучерин П.Н. Математическая модель формирования инфракрасного излучения объекта в условиях естественного фонового облучения [Текст] / П.Н. Кучерин, В.И. Лопин, A.B. Лопин, О.Ю. Макаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. -№5. - С. 239 -242.

5. Кучерин, П.Н. Влияние полостных отверстий на эффективное тепловое излучения поверхности объекта [Текст] / Е.В. Асташова. П.Н. Кучерин, A.B. Лопин, В.И. Лопин, О.Ю. Макаров A.B. Муратов // Радиотехника. - 2013. - №12. - С. 14-17

Статьи и материалы конференций

6. Метод математического моделирования тепловых образов радиоэлектронных элементов на печатной плате: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Информационные технологии в проектировании радиоэлектронных средств» для студентов направления подготовки 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств» (магистерская программа «Автоматизированное проектирование и технология радиоэлектронных средств специального назначения») всех форм обучения / ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" ; сост. A.B. Лопин, A.B. Муратов, И.С. Бобылкин, О.Ю. Макаров. Воронеж, 2013. 17 с.

7. Лопин, А. В. Тепловизионная диагностика элементов радиоэлектронных средств [Текст] / A.B. Лопин, О.Ю. Макаров И Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2009): Материалы Междеж-дунар. конф. и Рос. науч. школа М.: Энергоатомиздат, 2009. Ч. 4. - С. 107-112 .

8. Лопин, А. В. Математическое моделирование теплового портрета элементов радиоэлектронных средств [Текст] / А.ВЛопин, A.B. Муратов // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2010): Материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школа. М.: Энергоатомиздат, 2010. 4.4.-С. 107-112.

9. Лопин, А. В. Синтезирование тепловых образов элементов РЭС [Текст] / A.B. Лопин, A.B. Муратов // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем : межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2010. - С. 234 - 239.

10. Лопин, А. В. Диагностика элементов радиоэлектронных средств [Текст] / А.ВЛопин, A.B. Муратов. // Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2011): Материалы Междунар. конф. и Рос. науч. школа. М: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 4. - С 78-83.

11. Лопин, A.B. Диагностика узлов на печатной плате[Текст] / A.B. Лопин // Сборник конкурсных научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности. - СПб., 2011. - С. 100-104.

12. Лопин, А. В. Технология исследования надежностных характеристик элементов печатных плат радиоэлектронных средств на основе телевизионной диагностики [Текст] / A.B. Лопин // Надежность и качество - 2011: труды междунар симпозиума. - Пенза, 2011. - С. 50-52.

13. Лопин A.B. Распознавание объекта тепловизионными средствами наблюдения [Текст] // Надежность и качество 2013: труды междунар. симпозиума. - Пенза, 2013.-Т.1.-№ 1-1.-С. 324.

Подписано в печать 25.04.2014. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14