Адаптивная информационно-измерительная и управляющая система вибрационных испытаний конструктивных элементов электронных средств

1.

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пензенский государственный университет»
Кафедра «Конструирование и производство радиоаппаратуры»
Байсеитов Мади Нуралиевич
Адаптивная информационно-измерительная и
управляющая система вибрационных испытаний
конструктивных элементов электронных средств
Специальность: 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы
(приборостроение)
Научный руководитель:
д.т.н., профессор Юрков Н. К.
Пенза 2023

2.

Актуальность
В настоящее время одним из наиболее важных дестабилизирующих
факторов, приводящих к отказам РЭС, является вибрационное воздействие,
на которое приходится до 30% отказов. Для обеспечения вибрационной
устойчивости необходимо выявить узкие места РЭС, поэтому при
разработке и производстве РЭС предусматривается проведение лабораторностендовых испытаний на воздействие вибрации. При этом возникает
необходимость воспроизведения реальной вибрационной обстановки, при
которых функционирует РЭС.
Однако существующие информационно-измерительные и управляющие
системы (ИИиУС) формируют сигналы, которые в значительной степени
отличаются от реальных условиях эксплуатации, в том числе количеством
резонансов и их амплитуд в объекте исследования, и тем самым
существующие в настоящее время системы лабораторно-стендовых
испытаний и определения динамических характеристик конструкции РЭС не
позволяют возбуждать все резонансы в объекте исследования, что снижает
эффективность лабораторно-стендовых испытаний.
В качестве объекта испытаний в работе исследуется печатный узел, как
основа построения всех РЭС.
2

3.

Актуальность
Поэтому актуальной является задача повышения эффективности
существующих
испытательных
лабораторных
стендов
путем
совершенствования ИИиУС за счет обеспечения ее адаптивности.
Адаптивная ИИиУС должна обеспечивать проведение вибрационных
испытаний на всех собственных резонансных частотах объекта
исследования, что приближает испытательные режимы к реальным режимам
эксплуатации РЭС. Подобная многоканальная вибрационная установка
позволит получить достоверную картину изменения тензорного поля
механических воздействий, возникающих в РЭС в реальных условиях
эксплуатации, что позволит повысить информативность и полноту
вибрационных испытаний и тем самым обеспечить эффективность
испытаний РЭС.
3

4.

Цель и задачи
Целью работы является повышение эффективности процесса вибрационных лабораторно-стендовых испытаний за
счет совершенствования информационно-измерительной и управляющей системы и обеспечения ее адаптивности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ современных ИИиУС, предназначенных для проведения испытаний по определению
динамических характеристик конструкций РЭС.
2. Провести исследование возможности воспроизведения реальных условий эксплуатации путем разработки методики
проведения испытаний на устойчивость к внешним вибрационным воздействиям для определения амплитудно-частотных
характеристик (АЧХ) конструкции РЭС, отличающуюся адаптивным выбором режима испытаний.
{Разработать методику проведения испытаний для определения динамических амплитудно-частотных характеристик
(АЧХ) конструктивных элементов РЭС, отличающуюся адаптивным выбором режима испытаний соответствующего
реальным условиям эксплуатации, включая выбор вида воздействующего сигнала, его амплитуды и фазы.}
3. Провести исследование возможности воспроизведения внешних вибрационных воздействий на ИИиУС за счет
разработки алгоритма формирования испытательного сигнала, позволяющего повысить достоверность измерительной
информации в области низких частот, не увеличивая временных затрат.
{Разработать алгоритм формирования испытательного сигнала, позволяющий повысить достоверность измерительной
информации в области низких частот, не увеличивая временных затрат.}
4. Провести исследование с целью модификации существующих ИИиУС, заключающиеся в повышении
эффективности проведения испытаний и получения результирующей АЧХ, наиболее полно соответствующей свойствам
объекта исследования, за счет разработки структуры адаптивной ИИиУС.
{Разработать структуру адаптивной, позволяющую повысить эффективность проведения испытания 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 адаптивной ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных
элементов РЭС.
4

5.

Научная новизна
1. Предложена методика проведения вибрационных испытаний для
определения динамических характеристик конструктивных элементов РЭС,
отличающаяся введением этапа формирования фазовых и амплитудных
сдвигов
для
выполнения
условия
нахождения
максимума
виброперемещения контрольной точки, что позволяет повысить соответствие
испытательных режимов реальным условиям эксплуатации.
2. Разработан алгоритм формирования испытательного сигнала,
отличающийся возможностью выбора режимов испытаний в необходимом
диапазоне частот, позволяющий повысить достоверность измерительной
информации в области нижних частот.
3. Усовершенствована структурная схема адаптивной ИИиУС для
определения динамических характеристик РЭС, отличающийся введением блока
адаптивного выбора управляющих параметров и режимов испытаний в
необходимом диапазоне частот, что повышает эффективность процесса
вибрационных лабораторно-стендовых испытаний.
5

6.

Положения выносимые на защиту
1. Методика проведения вибрационных испытаний для определения
динамических характеристик РЭС, позволяющая приблизить режимы
испытаний реальным условиям эксплуатации.
2. Алгоритм формирования испытательного сигнала, позволяющий
повысить достоверность измерительной информации в области нижних
частот.
3. Структурная схема адаптивной ИИиУС для определения
динамических характеристик РЭС, позволяющий повысить эффективность
процесса вибрационных лабораторно-стендовых испытаний.
4. Реализация адаптивной ИИиУС для определения динамических
характеристик РЭС, позволяющая получать адекватную картину
распределения вибрационных полей РЭС во всем требуемом диапазоне
частот.
6

7.

Анализ существующих средств вибрационных
испытаний печатных узлов
Вибростенд компании Vibrotron (Россия)
Вибростенд компании TIRA (Германия)
Интегрированная система управления
переносным вибростендом "HI-803"
компании "Rockwell Automation" (США)
7

8.

Реальные условия эксплуатации
Акселерограммы двух точек крепления печатного узла на
расстоянии 25 см
8

9.

Теоретические исследования
В реальных условиях эксплуатации на РЭС
действуют сложные нагрузки.
Примером
может
служить
анализ
воздействия удаленного источника вибрации на
исследуемый объект (пластина стеклотекстолита
120х180х2
мм).
Среда
распространения
гармонического воздействия - сталь. Источник
колебаний (А0) находится на расстоянии 1,3 м
(А1), 1,34 м (А4), 1,52 м (А3) 1,48 м (А2) от точек
крепления пластины.
- сдвиг фазы точки А1
- разность фаз точек А1 и А3
- сдвиг фазы точки А3
В основе расчетов лежит уравнение сферической волны
имеющее следующий вид:
ξ
A0
cos( t k x 0 ),
r
где А0 - амплитуда источника; ω – частота источника; φ0 – фаза
источника колебаний; k – волновое число.
9

10.

Существующая система вибрационных испытаний
Система для определения динамических
характеристик конструктивных
элементов электронных средств
«КиПРА» (Россия)
10

11.

Первое положение, выносимое на защиту
Методика проведения вибрационных испытаний
для определения динамических характеристик РЭС,
позволяющая приблизить режимы испытаний к
реальным условиям эксплуатации.
11

12.

Результаты моделирования возбуждений вибрации в
точках крепления РЭС
12

13.

Методика проведения вибрационных испытаний
Для обеспечения надежности печатного узла при проведении вибрационных испытаний во
всем требуемом диапазоне частот необходимо:
1. Получить опытный образец печатного узла, его вычислительную модель и данные о
контрольной точке.
2. Определить характеристики внешних воздействующих факторов (амплитуда, диапазон
частот).
3. Осуществить моделирование вибрационного воздействия печатного узла в контрольной точке
в требуемом диапазоне частот.
4. Определить требуемые амплитудные и фазовые сдвиги между сигналами вибрационных
воздействий, подаваемых в контрольные точки.
5. Установить фазовые и амплитудные сдвиги для выполнения условия нахождения максимума
виброперемещения контрольной точки.
6. Осуществить лабораторно-стендовые испытания опытного образца печатного узла.
7. Определить центр средних пучностей.
8. Произвести корректировку фазового и амплитудного сдвига до перемещения максимума
пучности в контрольную точку.
9. Выполнить построение АЧХ в контрольной точке.
10. Сравнить полученную амплитуду с предельными допустимыми значениями компонентов,
устанавливаемых в контрольной точке.
13

14.

Методика экспериментального определения центров
пучностей объекта исследования
Для экспериментального определения центров пучностей объекта исследования необходимо:
1. Определить шаг смещения на текущей частоте, равный 1% от полуволны по оси OX :
Lx = P0i - P2i = P4i - P0i = Lx / jx * 0.001,
шаг смещения по оси OY :
Ly = P0i - P3i = P1i - P0i = Ly / jy * 0.001.
2. Измерить амплитуду A0i в предполагаемом центре пучности.
3. Смещать измеритель на величину равную Lx и Ly в направлении осей OX и OY и измерить
амплитуду Ani в четырех точках Pni вблизи предполагаемого центра пучности P0i .
4. Определить соответствует ли контрольная точка фактическому центру пучности по
следующему условию:
A0i – Ani < 0,01*Ani ,
где Ani – четыре близлежащие точки измерения на расстоянии Lx и Ly в направлении осей OX и OY
соответственно.
При соблюдении указанного условия следует прекратить измерения, считая фактическим центром
пучности текущую контрольную точку. В противном случае перейти к следующему пункту.
14

15.

Методика экспериментального определения центров
пучностей объекта исследования (продолжение)
5. Вычислить направление роста амплитуды стоячей волны как векторную сумму разностей амплитуд между
предполагаемым центром и близлежащими точками вдоль осей OX и OY на расстоянии Lx и Ly.
5.1 Модули векторов изменения амплитуды собственной формы определять как:
a1i a0 i ani ,
где n = 1…4.
5.2 Началом векторов считать точки Pni.
5.3 Векторы определять направленными от центральной точки P0i если разность a0i - ani положительна и
направленными к центральной точке P0i если разность a0i – ani отрицательна.
5.4 Направлением увеличения амплитуды стоячей волны считать направление максимального по модулю вектора из
векторов S1i , S2i , S3i , S4i ,
Sni max | S1i |; | S2i |; | S3i |; | S 4i |
где
;
;
;
.
6 Cдвинуть измеритель в направлении увеличения амплитуды.
6.1 При выполнении условия Ly / Lx > tgα, установить шаг сдвига равный:
6.2 При выполнении условия Ly / Lx < tgα, установить шаг сдвига равный:
Далее перейти к выполнению пункта 2.
15

16.

АЧХ при синфазном и с введением фазового сдвига
точек крепления ПУ
АЧХ контрольной точки при
φ1=0º, φ2=95º, φ3=180º, φ4=276º
А1 = А2 = А3 = А4
16

17.

Второе положение, выносимое на защиту
Алгоритм формирования испытательного сигнала,
позволяющий повысить достоверность измерительной
информации в области нижних частот.
17

18.

Алгоритм реализации формирования
испытательного сигнала
На частотах выше q скорость постоянна и
согласно ГОСТ 30630.1.1-99 равна одной октаве в
минуту и зависит от значения ΔF = ΔF + β, где β:
q 2B m
β
Fclock
На частотах ниже q Гц ΔF равно:
Fn Fn 1
Fн
q
где Fн – нижняя фиксированная частота
диапазона частот, в котором находится текущая
частота, Fclock – тактовая частота, m – количество
тактов в цикле генерации, B – разрядность
аккумулятора (в данном случае 24). Таким
образом, чем ниже частота - тем меньше скорость
изменения частоты. Условие F = Fк необходимо
для выхода из цикла при завершении
формирования испытательного сигнала.
18

19.

Третье положение, выносимое на защиту
Структурная схема адаптивной ИИиУС для
определения динамических характеристик РЭС,
позволяющий повысить эффективность процесса
вибрационных лабораторно-стендовых испытаний.
19

20.

Структура адаптивной ИИиУС для определения
динамических характеристик РЭС
20

21.

Четвертое положение, выносимое на защиту
Реализация адаптивной ИИиУС для определения
динамических характеристик РЭС, позволяющая
получать
адекватную
картину
распределения
вибрационных полей РЭС во всем требуемом
диапазоне частот.
21

22.

Адаптивная ИИиУС для определения динамических
характеристик РЭС
22

23.

Динамическая характеристика ПУ,
полученная при помощи адаптивной ИИиУС
23

24.

Основные результаты работы
1. Проведен анализ современных ИИиУС, предназначенных для проведения испытаний по
определению динамических характеристик РЭС, с помощью которого выявлено несоответствие
испытательных режимов реальным режимам эксплуатации.
2. Разработана методика проведения испытаний для определения динамических АЧХ РЭС,
позволившая повысить соответствие испытательных режимов реальным режимам эксплуатации за
счет корректировки фазового и амплитудного сдвигов, что позволило повысить точность
определения амплитуд вибрации РЭС до 60%.
3. Разработан алгоритм формирования испытательного сигнала, позволивший повысить
достоверность измерительной информации в области нижних частот на 5% при сохранении общего
времени на испытания.
4. Усовершенствована структура адаптивной ИИиУС, позволяющая повысить эффективность
проведения испытания за счет корректировки фазового и амплитудного сдвигов в среднем на 5%.
5. Реализована адаптивная ИИиУС для определения динамических характеристик конструктивных
элементов ЭС, позволившая получить результирующую АЧХ наиболее полно соответствующую
свойствам объекта исследования, за счет фиксации двух дополнительных резонанса объекта
исследования.
6. Результаты научных исследований внедрены в учебные процессы ФГБОУ ВО «Пензенский
государственный университет» и Военного института сил воздушной обороны Республики
Казахстан (г. Актобе)
24

25.

Спасибо за внимание!
25

26.

Паспорт специальности 05.11.16
Формула специальности:
Научная специальность соответствует области науки, занимающейся исследованием теоретических и
практических проблем, методов и технических средств информационно-измерительных и управляющих систем,
их метрологического обеспечения, контроля и испытаний, созданием и совершенствованием сложных
информационно-измерительных и управляющих систем, комплексов их контроля и испытания. Научные и
технические проблемы специальности определяют эффективность внедрения новейших достижений науки и
техники в практику создания, отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих
систем.
Область исследования:
1. Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их
контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем.
2. Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и
управляющих
систем.
3. Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и
управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения
и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их
метрологической
аттестации.
4. Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний
образцов
информационно-измерительных
и
управляющих
систем.
5. Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и
управляющих
систем.
6. Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов,
частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических,
эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов
построения и технических решений.
26

27.

27

28.

Методика проведения вибрационных испытаний
28

29.

Оборудование, используемое в работе
– Генератор GW INSTEK GFS-2104. Данный генератор внесен в Государственный реестр средств
измерений под номером № 29967-05. Формирует частотный диапазон от 0,1Гц до 4МГц, что
является достаточным для проводимых исследований. Присутствует функция внешнего управления
частотой. Регулировка асимметрии формы сигнала прямой цифровой синтез, погрешность
установки частоты 0,002%.
– Цифровой запоминающий осциллограф марки GW INSTEK GDS-71022. Данный осциллограф
занесен в Государственный реестр средств измерений под номером № 38084-08. Полоса
пропускания канала вертикального отклонения 25 МГц что позволяет достоверно отображать все
виды сигнала. Частота дискретизации 250 Мвыб/с. Объем памяти составляет до 4 Кбайт на канал,
чего вполне достаточно для обеспечения частоты дискретизации при наблюдении периодических
сигналов. Возможность изменения длины записи, что позволяет варьировать скоростью
дискретизации в широких пределах. Глубокая память (15 осциллограмм, 15 профилей).
– Вибростенд ВС-32. Предназначен для испытаний на вибропрочность и виброустойчивость
машиностроительных, электронных, радиотехнических и других изделий массой до 32 кг.
– Акселерометр SMB380 фирмы Bosh. Датчик имеет цифровой 10- битный цифрой сигнал на
выходе в формате SPI/I2C. Максимальная скорость преобразования 3 кГц. SMB380 может
самостоятельно выполнять расчеты результатов измерений и формировать сигнал по их
результатам. Датчик информирует управляющее устройство о превышении одного из заданных
критериев, формируя аппаратное прерывание на определенном выводе. Такая функция может быть
использована много функционально, (для запуска системы из режима ожидания, для определения
повышенной вибрации).
29