1

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В производстве современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и приборов процессы пайки занимают значительный объем. Используемые в настоящее время на предприятиях традиционные процессы пайки хорошо освоены, однако они характеризуются недостаточно высокой производительностью и не обеспечивают высокого процента выхода годных изделий. Прогресс в технологии пайки РЭА достигается сейчас совершенствованием инструментов, оборудования, используемых материалов, а также путем разработки новых, более эффективных технологических процессов.

В последнее время все более широко применяются способы пайки концентрированными потоками энергии (ультразвуковая пайка, высокочастотная пайка, пайка инфракрасным излучением, лазерная пайка).

Активация энергией ультразвуковых колебаний?одно из перспективных направлений в технологии пайки РЭА и приборов. Она позволяет осуществить бесфлюсовую пайку и лужение большинства металлов и сплавов, применяемых в конструкциях РЭА и приборов. Введение упругих механических колебаний частотой (18?70)кГц и интенсивностью (1?2)*10⁵ Вт/м² позволяет резко интенсифицировать большинств? физико-химических процессов при пайке: смачивание, растекание, капиллярное течение припоя, диффузию припоя в паяемые материалы за счет увеличения химической активности припоя, паяемых материалов и их физического взаимодействия при пайке. Развитие кавитационного процесса в жидком припое вызывает разрушение окисных пленок, имеющихся на поверхности паяемого металла за счет высоких локальных давлений (до 10^6--10⁷ Па ), возникающих в момент захлопывания кавитационных полостей. Одновременно с процессом кавитации в жидком припое вблизи излучающей поверхности инструмента появляются вторичные эффекты, такие как микро- и макропотоки, которые способствуют удалению окисных пленок и ускорению процесса смачивания поверхности металла припоем. Высокие температуры вблизи захлопывающихся кавитационных пузырьков (до 1000К ) увеличивают температуру припоя в зоне пайки, химическую активность участвующих в соединении материалов и интенсифицируют процессы физико-химического взаимодействия между ними /1/.

При использовании мощного ультразвукового поля для воздействия на вещество необходимо знать его характеристики, а также некоторые параметры ультразвуковых преобразователей, чтобы иметь возможность оценить и оптимизировать эффективность их работы в заданной среде при определенном технологическом процессе.

Качество паяных соединений зависит от того, на сколько полностью окисный слой и другие поверхностные загрязнения удалены, а это, в свою очередь, зависит от ультразвукового эффекта в паяльной ванне. Если ультразвуковой эффект незначителен, соединение получится некачественным. Поэтому во время процесса необходимо периодически производить измерения ультразвукового эффекта.

Разработан ряд контрольных и измерительных приборов, позволяющих оперативно и достоверно контролировать технологические параметры процесса ультразвуковой пайки и лужения. Частота, амплитуда колебаний и интенсивность ультразвука, которые в процессе пайки необходимо контролировать, основные параметры ультразвука, определяющие технологические режимы ультразвуковой пайки. И если амплитуду и частоту можно измерить легко и с достаточной точностью серийно выпускаемыми приборами (частотомеры, виброметры и др.), то при измерениях интенсивности ультразвука в кавитационных режимах приходится сталкиваться с определенными трудностями. Сложная картина кавитационного поля в припое, неоднородность и нерегулярность его создают большие трудности в проведении измерений интенсивности ультразвуковых колебаний. Жидкий припой при наличии кавитации в нем изменяет свои акустические свойства: наблюдаются значительные отражения и поглощения ультразвуковых волн в широком спектре частот, изменяется скорость звука кавитирующей среды, уменьшается ее волновое сопротивление и изменяется закон распределения интенсивности звука по высоте ванны.

Существующие в настоящее время методы измерений и контроля энергетического режима ультразвуковой пайки или громоздки и неудобны (метод эрозионных тестов), или линейно несвязаны с активностью кавитации (определение амплитуды излучателя). При использовании для измерений датчиков давления из пьезоэлектрических материалов происходит их быстрое разрушение кавитацией.

В данном дипломном проекте разработан датчик для измерения энергетических параметров ультразвуковой кавитации в припое. Он позволяет измерять давление, усредненное по площади кавитационной области с выводом информации на стрелочный прибор. Прибор выполнен с учетом имеющихся в стране и за рубежом разработок, а также требований, предъявляемых к экономичности изделия и безопасности труда.

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Для эффективной эксплуатации ультразвуковых установок необходимо контролировать акустический режим работы ультразвуковых ванн. Малая интенсивность колебаний приводит к тому, что не обеспечивается, например, качественная очистка изделий или занижается производительность процесса, а при высоких интенсивностях звука возможны дефекты на поверхности изделий, приводящие к браку.

Режим работы ультразвуковых ванн характеризуется развитой кавитацией. Кавитационное поле в жидкостях и расплавах имеет сложный спектральный состав. Помимо основной частоты и ее гармоник nf_o ( n=1,2,3,...) высоких частот в спектре содержатся серии субгармоник nf_o/2, nf_o/3, nf_o/4. Кроме указанных частот во всем диапазоне имеет место сплошной "белый" шум, генерируемый захлопывающимися кавитационными пузырьками различных резонансных размеров. Анализ спектрограмм показывает, что максимальный прирост в кавитационном спектре при увеличении излучаемой мощности дает сплошной шум, а также субгармоники. Наибольшая спектральная плотность кавитационного шума находится в полосе частот от 20-й до 40-й гармоники основной частоты ультразвукового преобразователя.

Источником ошибки измерений могут являться пузырьки, налипающие на приемную поверхность датчика и экранирующие поле излучения преобразователя.

Известно много способов обнаружения кавитации. Известен способ обнаружения кавитации, который заключается в том, что в жидкость погружают образец, выполненный в виде капсулы из некавитационностойкого материала, заполненной пахучим веществом, например, анисовым альдегидом, а наличие кавитации определяют по разрушению капсулы /3/. С целью уменьшения времени обнаружения и повышения точности определения момента возникновения кавитации в капсулу из некавитационностойкого материала дополнительно вводят жидкость с порогом кавитации исследуемой жидкости /4/.

К недостаткам этого способа следует отнести то, что кавитацию можно обнаружить только в том случае, если происходит кавитационная эрозия. С другой стороны, установить капсулу в слой жидкости маленькой толщины не представляется возможным.

Известен способ обнаружения кавитации в жидкостях путем измерения изменения диэлектрической проницаемости жидкости /5/. Если в потоке жидкости происходит кавитация, то однородность жидкости изменяется, а так как диэлектрическая проницаемость паровых или газовых пузырьков или каверн отличается от диэлектрической проницаемости жидкости в 1,5-2 раза, то по изменению диэлектрической проницаемости потока можно обнаружить кавитацию.

Основным недостатком данных методов является невозможность измерения кавитационного давления. Кроме того, они непригодны обнаружения кавитации в припое, так как при колебаниях ультразвуковой ванны и припоя будет изменяться емкость датчика, что будет приводить к ошибкам обнаружения. Ультразвуковое поле в жидкости измеряют с помощью различных ультразвуковых зондов. Однако большинство этих конструкций работает лишь в докавитационном режиме. В кавитационных режимах нельзя использовать широко описанные в литературе радиометры, так как вследствие нелинейности среды нет пропорциональности энергии. Размеры датчиков, вносимых в ультразвуковые ванны, должны быть настолько малыми, чтобы не искажалась картина ультразвукового поля в испытываемом объеме.

При измерениях интенсивности ультразвуковых колебаний нельзя использовать и калориметры, так как в режиме кавитации искажаются их показания из-за покрытия газовыми пузырьками наружной стороны звуконепроницаемого приемного окна, что приводит к экранированию ультразвуковых колебаний /2/.

Оценка эффективности кавитационных процессов по характерным химическим реакциям, например, по количеству хлора, выделяющегося при воздействии ультразвука из растворенного в воде четыреххлористого углерода, или по интенсивности люминесцентного свечения жидкости, также не нашла практического применения при эксплуатации ультразвуковых установок.

Мощность или интенсивность ультразвуковых колебаний в жидкости в режиме кавитации может быть измерена термоакустическими приемниками. В этом случае термоакустический приемник представляет собой щуп, на конце которого смонтированы термисторы. Диапазон измеряемых интенсивностей (0,01-10)*10⁴ Вт/см². Термоакустический приемник для измерения мощности представляет собой пластину со звукопоглощающим слоем, на которой закреплены термочувствительные элементы. Недостатком данного метода является длительность проведения измерений, которая зависит от времени нагрева жидкости ультразвуковыми колебаниями.

Рассмотренные способы и устройства могут использоваться для контроля и измерения энергетического режима работы ультразвуковых технологических установок, однако мощность или интенсивность ультразвука, измеренные на частоте возбуждения не могут служить однозначным критерием эффективности воздействия кавитации, которая зависит от свойств расплавленного припоя, внешних условий и других факторов. Это является главным недостатком указанных способов и устройств измерения мощности и интенсивности.

При кавитации в припое наблюдается ряд явлений, которые могут в той или иной степени характеризовать ее эффективность: разрушение твердых тел; изменение физических параметров кавитирующего расплава; ускорение химических реакций; возникновение широкополосного шума. Все методы определения эффективности воздействия кавитации можно разделить на три группы /4/:

1) тест-методы, при которых сравниваются параметры образцов до и после воздействия на них кавитации;

2) пассивные акустические методы, основанные на регистрации и специальной обработке акустических сигналов, возникающих в расплаве;

3) активные акустические методы, предполагающие зондирование кавитационной зоны внешними сигналами.

Тест-методы широко используются для определения эффективности воздействия кавитации благодаря их высокой информативности.

Интенсивность и геометрические размеры кавитационной области оценивают по разрушению полированной поверхности стеклянной пластинки или светочувствительного фотографического слоя.

Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получил метод оценки эффективности кавитационного поля по площади разрушенной фольги. Так, Крауфорд использовал для этой цели тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,01 мм при выдержке 15-20 с. Суммарная площадь образовавшихся отверстий определялась автоматически прибором с источником света и фотоэлементами /5/.

Эффективность кавитационного поля может быть определена по формуле (1.1):

Э = , (1.1)

где S-разрушенная кавитацией площадь;

t-время озвучивания;

k-коэффициент, постоянный для данной толщины и марки фольги.

Для испытаний мощных ультразвуковых установок рекомендуют рулонную мягкую отожженную алюминиевую фольгу толщиной от 0,02 до 0,2мм в зависимости от мощности установки /6/. Поверхность фольги должна быть чистой, гладкой, без дефектов. Время озвучивания от 15 до 60 с. Эффективность работы определяется емкостным методом. Озвученный образец фольги, установленный в специальное приспособление, является одной из обкладок плоского конденсатора. С помощью типового измерительного моста определяется емкость конденсатора, по изменению которой определяется эффективность кавитационного поля. Коэффициент эрозионной активности вычисляется по формуле (1.2)

K_э = (Co-Cp) / Co , (1.2)

где Cp-емкость плоского конденсатора при использовании разрушенной фольги в качестве одной из обкладок;

Co-емкость плоского конденсатора, при использовании в качестве обкладок неразрушенной фольги.

Естественно, что этот метод фиксирует расход энергии только в тех местах образцов, в которых образовались сквозные отверстия. Существуют и другие методы оценки кавитационного разрушения. В работе /7/ разработан метод эталонной "грязи", в качестве которой рекомендуют шеллачную тушь (ТУ 6-15-458-70). Образцы из нержавеющей стали в виде колец перед нанесением слоя туши тщательно обезжириваются.

Недостатки данных методов заключаются в длительности измерений и в отсутствии непрерывного контроля за процессом разрушения образца.

Так как процесс кавитации характеризуется появлением шума, средняя мощность которого линейно связана с величиной эрозии, для определения эффективности воздействия кавитации предложено использовать приборы, измеряющие интенсивность шума /8/. Возможно создание нескольких вариантов приборов, работающих на этом принципе измерений. В каждом из вариантов прибор измеряет один из следующих параметров:

1) отношение кавитационных шумов к сигналу основой частоты Рш/Росн;

2)отношение кавитационных шумов к полному (суммарному) сигналу Рш/Р;

3) квадрат сигнала кавитационных шумов Рш², представляющего собой сумму квадратов отдельных составляющих спектра кавитационных шумов.

Устройство для измерения кавитационных шумов состоит из пьезокерамического преобразователя с равномерной частотной характеристикой до 2 МГц и электронного блока с регистрирующим прибором. При оценке кавитационных шумов преобразователь может быть расположен в ванне вне зоны кавитации, что повышает стабильность измерений, и должен обеспечивать пропускание сигнала в полосе частот от 200 до 1000 кГц. Чаще всего для этой цели используют волноводные пьезощупы конструкции, приведенной в работе /9/, и миниатюрные пьезощупы с тонким слоем пьезокерамики, нанесенным на металлическую подложку.

Японские специалисты разработали шумомер, с помощью которого можно измерять среднее значение максимального уровня акустического шума, а также максимальный уровень шума. С помощью микрофона, обнаруженный акустический шум преобразовывается в электрический сигнал и сравнивается в блоке сравнения с максимальным уровнем другого сигнала. Блок сравнения выдает сигнал более высокого уровня. Кроме того, шумомер содержит: генератор синхроимпульсов; интегрирующую цепь, устанавливающуюся в исходное состояние выходным сигналом, причем при поступлении из блока сравнения выходного сигнала первого уровня цепь интегрирует синхроимпульсы генератора, а при поступлении выходного сигнала второго уровня?блокирует интегрирование; делитель частоты, осуществляющий деление синхроимпульсов генератора; переключатель, пропускающий синхроимпульсы генератора или импульсы делителя; счетчик, который подсчитывает импульсы переключателя в том случае, когда выходной сигнал блока сравнения имеет первый уровень, и блокирует подсчет, если выдается сигнал второго уровня, при этом счетчик осуществляет передачу подсчитанного значения при поступлении сигнала на передачу; блоки индикации; реле времени, запускаемые выходным сигналом; делитель выходного сигнала реле времени; переключатель, связанный с переключателем и выборочно пропускающий выходные сигналы реле времени или делителя, подавая в счетчик сигнал передачи данных; моностабильную схему, принимающую выходной сигнал переключателя и, подавая выходной сигнал, устанавливающий время индикации блоков в счетчик, обнуляет его; блоки индикации режимов работы. Для первого режима работы А индицирующего среднее значение максимального уровня шума, переключатель выдает выходной сигнал делителя, а переключатель?выходной сигнал делителя. Для второго режима работы В, индицирующего максимальный уровень шума, переключатель выдает синхроимпульсы генератора, а переключатель?выходной сигнал реле времени. Блоки осуществляют индикацию в ответ на выходной сигнал переключателя, когда переключатели включены в положение работы в режиме А, и прекращают индикацию по выходному сигналу выходной клавиши.

Однако методика измерений кавитационных шумов пока не регламентирована, что не позволяет сопоставить результаты измерений эффективности кавитации различных технологических установок.

Для определения эффективности воздействия кавитации предложено использовать максимальную амплитуду кавитационных импульсов давления, которая линейно связана с убылью массы образца под воздействием кавитации. Так как высокая корреляция между убылью массы образца и амплитудным спектром кавитационных импульсов наблюдается только при стабильных условиях проведения эксперимента, использование метода для контроля энергетического режима работы ультразвуковых установок затруднительно /11/.

Для определения эффективности воздействия кавитации используются методы, основанные на зондировании кавитационной области внешними сигналами в виде ультразвуковых колебаний или лазерного излучения. Однако использование этих методов в производственных условиях мало перспективно из-за сложности их реализации. К тому же они дают информацию не только о кавитирующих пузырьках, но и о любых других неоднородностях, присутствующих в жидкости, что искажает результаты измерений.

Из всех рассмотренных методов наиболее перспективными для измерения энергетических режимов работы установок ультразвуковой пайки и металлиза?ии являются пассивные акустические методы, позволяющие определить эффективность воздействия кавитации с мгновенным выводом информации на стрелочный прибор.

Для оценки кавитационного давления в жидкостях предложено измерять квадрат уровня шумов в диапазоне наибольшей спектральной плотности кавитационного шума и по их величине судить о величине давления. Разработаны схемы кавитометров, состоящие из пьезоэлектрического датчика, активного фильтра, создающего крутизну среза частотной характеристики не менее 24 дБ на октаву, квадратичного детектора и регистрирующего прибора. Показания такого прибора имеют линейную зависимость от активной мощности в диапазоне 0-2 кВт /12/.

Во ВНИИТВЧ разработан индикатор интенсивности кавитационного поля, который встраивается в ультразвуковые ванны. Прибор работает по принципу измерения квадрата давления кавитационных шумов. Индикатор позволяет при постоянных условиях измерений (температура жидкости, газосодержание и т.д.) судить об относительном изменении режима работы ультразвуковых ванн очистки.

Схемой прибора отфильтровывается основная частота 16-18кГц при помощи фильтра-пробки, а с помощью активного фильтра верхних частот срезается полоса частот до 300кГц. Шумы от 300кГц и выше усиливаются, детектируются и регистрируются. Для надежности измерений эмиттерный повторитель конструктивно совмещен с пьезопреобразователем.

Для определения энергетических параметров ультразвукового поля в расплавах припоев в статье /13/ описан метод измерения ультразвукового эффекта. Во время пайки ультразвуковая энергия передается в ванну с припоем от обоих ультразвуковых волноводов. Во время проведения измерений ультразвукового эффекта один из передающих волноводов и связанный с ним кристалл заменяют соответствующим устройством, предназначенным только для измерения ультразвукового эффекта. Это препятствует эрозии волновода-приемника и гарантирует воспроизводимость измерений. Пьезоэлектрический кристалл измерительного зонда соединяется с вольтметром.

В МРТИ был разработан лококавитометр, позволяющий измерять кавитационные давления в диапазоне от 5 до 3*10⁴ Па в диапазоне частот работы ультразвуковых преобразователей 50 кГц с точностью 10% . Давление в кавитационной области воспринимается измерительным щупом с площадью 0,8 см², соединенным с пьезоэлектрическим преобразователем упругим волноводом. Для измерения давления кавитации в расплавах припоев датчик снабжен нагревателем, который позволяет поддерживать необходимую температуру воспринимающей поверхности измерительного щупа, и не вносит искажений в процесс пайки /13/.

Лококавитометр работает следующим образом. Электрический сигнал с преобразователя поступает на усилитель, расположенный в корпусе датчика и служащий для согласования высокоомной цепи пьезоэлектрического преобразователя со входом измерительного прибора. Аттенюатор, расположенный на входе измерительного прибора и представляющий собой резистивный делитель напряжения на пять положений, служит для ослабления входного сигнала с датчика. Полосовой фильтр, выполненный по схеме фильтра Чебышева третьего порядка с полосой пропускания 100?200 кГц, выделяет часть спектра сигнала, характерную для кавитационных импульсов. После усиления сигнал проходит через цепи среднеквадратичного детектора, усилителя постоянного тока и подается на стрелочный прибор. Блок является источником питания измерительного прибора, датчика напряжением 12 В и нагревателя датчика напряжением 24 В.

Таким образом, из всех рассмотренных устройств, для измерения интенсивности кавитации кавитометр является наиболее эффективным, поскольку отличается высокой производительностью оценки интенсивности кавитации в рабочем объеме, вполне приемлемой точностью измерений в широком диапазоне давлений и частот ультразвуковых колебаний. Однако данный прибор не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к нему на сегодняшний день. Датчик кавитации не пригоден для применения в жидких припоях. Сам прибор имеет большие габариты, низкий комплексный показатель технологичности, высокую стоимость. Для исключения этих недостатков и разрабатывается кавитометр.

2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

Анализ современных способов и устройств показывает, что оптимальным прибором для оценки кавитационного давления в расплавленном припое ультразвуковых ванн является к?витометр, измеряющий квадрат уровня шумов в диапазоне наибольшей спектральной плотности кавитационного шума с мгновенным выводом информации на стрелочный прибор.

Анализ спектрограмм показывает, что наибольшая спектральная плотность кавитационного шума находится в полосе частот от 10-й до 40-й гармоники основной частоты преобразователя. Следовательно, для выделения части спектра сигнала, характерной для кавитационных импульсов, в схему прибора необходимо включить полосовой фильтр.

Так как для снятия показаний прибора датчик необходимо опускать в ультразвуковую ванну с расплавленным припоем, а сам прибор удобно размещать на столе, то датчик должен быть отделен от прибора. Для согласования измерительной части прибора с датчиком необходим согласующий усилитель.

Для измерения кавитационных шумов различной амплитуды в приборе должно быть предусмотрено переключение пределов измерения.

Кавитометр содержит нагреватель. В /14/ анализируются произведенные измерения, характеризующие влияние температуры от 250⁰С до 450⁰С на передачу ультразвука в ванне со 100 % припоем. Измерения показывают, что передача не зависит от температуры припоя в ванне. Поэтому нет необходимости тщательно контролировать температуру при измерении ультразвукового эффекта в ванне.

Таким образом, принцип действия кавитометра следующий: при погружении датчика в расплавленный припой ударные импульсы кавитационных пузырьков воздействуют на приемный элемент. По волноводу сигнал передается пьезоэлементу, преобразующему механические колебания в электрические. Электрический сигнал поступает на согласующий усилитель, который обеспечивает наряду с усилением сигнала согласование пьезоэлемента с усилителем. Для исключения наводок и увеличения чувствительности датчика согласующий усилитель помещается в одном корпусе с датчиком. В этом случае сведена к минимуму длина соединительного кабеля высокоомной части цепи. С выхода усилителя по соединительному кабелю сигнал поступает через аттенюатор на блок измерений. Аттенюатор ослабляет входной сигнал с датчика. Это позволяет производить измерения кавитационного давления в широких пределах. Далее сигнал поступает на эмиттерный повторитель, полосовой фильтр и далее на эмиттерный повторитель. Эмиттерные повторители необходимы для согласования полосового фильтра с предыдущим и последующим каскадами. С выхода эмиттерного повторителя сигнал поступает на усилитель и фазоинвертор, где происходит усиление и инвертирование сигнала. Фазоинвертор инвертирует только сигнал основной частоты, а кавитационные шумы уже не проходят. В цепи детектора истинного среднеквадратичного значения уже поступает сигнал, соответствующий уровню кавитационного шума, а основной сигнал при сложении компенсируется. Сигнал шума выпрямляется и с помощью усилителя постоянного тока усиливается перед подачей на стрелочный прибор. Для питания датчика и блока измерений используется блок питания. Структурная схема прибора показана в приложении.

Основные технические данные прибора следующие:

1)пределы измерения кавитационного давления 0-500, 1000, 5000,10000,50000,100000 Па;

2) чувствительность ±10 Па;

3) погрешность измерений 10 %;

4) масса прибора 6.3 кг;

5) габариты прибора 300х195х155 мм;

6) время наработки на отказ 10000 час.;

7) программа выпуска 10000 шт./год;

8) комплексный показатель технологичности 0.6.

Исходя из исходных данных к проекту, а также анализируя техническое задание, разрабатываем конструкцию прибора. Прибор состоит из блока измерений и датчика с соединительным кабелем. Целесообразно схемы источника питания и измерителя разместить на отдельных платах .Платы устанавливаются на пластмассовые втулки. Для того, чтобы исключить крепление деталей, находящихся на передней панели, в конструкции применим фальшпанель. Передняя и задняя панели крепятся с помощью винтов к раме. Несущая панель крепится винтами к опоре.

Как уже выше отмечалось, плата согласующего усилителя располагается в корпусе датчика.

Так как прибор будет эксплуатироваться в нормальных условиях, то дополнительных мер по защите измерителя от вибрационных нагрузок и по герметизации производить не нужно. Прибор будет выполнен в гер-метичном корпусе, поэтому повышенная влажность не будет оказывать на него существенного воздействия.

Конструкция прибора приведена в приложении.

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ, УСТАНОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ

Работа конструктора-проектировщика печатных плат начинается с выбора элементной базы и создания принципиальной схемы прибора.

На основе анализа требований технического задания по структурной схеме прибора синтезируем принципиальную схему. Для этого необходимо составить принципиальные схемы каждого функционального элемента (блока) в отдельности. Разработка принципиальной схемы функционального элемента заключается в выборе одной из известных схем, наиболее полно удовлетворяющей совокупности технико-экономических требований при максимальной ее простоте и надежности.

При разработке схемы электрической принципиальной используем следующие виды элементов: микросхемы; резисторы; конденсаторы; полупроводниковые приборы; переключатели; трансформатор.

Исходя из того, что разрабатываемый прибор должен быть переносным и малогабаритным, главную роль в выборе размеров блока играют размеры трансформатора и плат.

В связи с тем, что к разрабатываемому устройству не предъявляется повышенных требований, то можно сделать вывод о применении в блоке дешевых электрорадиоэлементов, обладающих малыми габаритами и потребляющие малую мощность.

Проведем анализ электрических параметров микросхем, применяемых в блоке. Основным критерием при выборе микросхем является усиление амплитуды сигнала на частоте 400кГц не менее, чем в 50 раз. Поэтому основным параметром является частота единичного усиления. Немаловажными характеристиками являются коэффициент усиления по напряжению, скорость нарастания выходного напряжения, напряжение шумов. Исходя из характеристик микросхем можно сделать вывод, что наилучшими параметрами обладает микросхема типа 140УД1. Это операционный усилитель общего назначения. Его основные параметры следующие:

ток потребления Ј4.2 мА;

напряжение смещения ±7мВ;

коэффициент усиления напряжения 900…4000;

сопротивление нагрузки і5.05кОм;

выходное сопротивление Ј700Ом;

время установления выходного напряжения 0.8мкс

напряжение питания ±15В.

Для выбора режимов работы в приборе применены переключатели типа ПГК. Их выбор обусловлен простотой крепления и частой применяемостью в радиоэлектронных блоках.

Для индикации работы прибора применяем фонарь,снабженный лампой СМН.

Выбор типа диодов проводим, исходя из следующих соображений: должно соблюдаться соответствие электрических параметров диодов схеме электрической принципиальной; применение диодов по возможности с минимальными размерами. Этим требованиям соответствуют диоды типа КД 521А.

К основным его параметром можно отнести:

максимальное постоянное обратное напряжение 75В;

максимальное импульсное обратное напряжение 80В;

постоянное прямое напряжение 1В

максимальный постоянный прямой ток 50мА;

максимальный импульсный прямой ток 500мА;

постоянный обратный ток 1мкА;

время восстановления 4нс.

В сетевой плате используются диоды КД202Б. Его параметры:

максимальное постоянное обратное напряжение 35В;

максимальное импульсное обратное напряжение 50В;\

среднее прямое напряжение 0.9В;

максимальный средний прямой ток 3.5А;

средний прямой ток 3.50А;

средний обратный ток 0.8мА;

диапазон рабочих частот 1.2кГц.

Применение резисторов типа C2-23-0,25 обусловлено тем, что фактическая рассеиваемая мощность их не превышает 0,25 Вт. Его диапазон номинальных сопротивлений от 1Ом до 5.1МОм, диапазон рабочих температур от -35°С до +85°С.

Для регулирования параметров схемы используются резисторы СП5-2.Их характеристики:

номинальная мощность 1Вт при температуре 70°С;

диапазон номинальных сопротивлений от 3.3Ом до 47кОм;

диапазон рабочих температур от -30°С до +50°С.

Тип конденсатора выбираем по совокупности значений его номинальных емкости и рабочего напряжения. В цепях прибора используется максимальное напряжение 15 В, а все низковольтные конденсаторы имеют рабочее напряжение 50 В, то выбираем конденсаторы типа КМ-5А, имеющие малые габариты. Его параметры:

номинальное напряжение 100В;

диапазон используемых емкостей 16пФ…150000пФ;

температурный диапазон от -50°С до +85°С.

Так как данный тип конденсаторов не имеет номинальной емкости 0,1 мкФ, то используем конденсаторы типа К53-1А и К50-6.Параметры для К50-6:

номинальное напряжение 25В;

диапазон емкостей 1…4000мкФ;

температурный диапазон от -10°С до +65°С.

Параметры для К53-1А:

номинальное напряжение 20В;

диапазон емкостей 0.047…47мкФ;

температурный диапазон от -10°С до +65°С.

В схеме используются транзисторы КТ801Б и КТ814А. Основные параметры КТ801Б следующие:

ток коллектора максимальный 2А;

ток базы 0.4А;

напряжение эмиттер-база 2.5В;

статический коэффициент передачи тока 30…150;

граничная частота 10МГц;

постоянный обратный ток коллектор-эмиттер 10мА

диапазон рабочих температур до +55°С.

Параметры КТ814А:

ток коллектора максимальный 1.5А;

ток базы 0.5А;

напряжение эмиттер-база 5В;

статический коэффициент передачи тока 40;

граничная частота 3МГц;

постоянный обратный ток коллектора 0.05мА

диапазон рабочих температур от -45°С до +100°С.

Для работы прибора кавитационного давления требуется источник питания, вырабатывающий напряжения постоянного тока, необходимые для нормальной работы схем измерителя и согласующего усилителя. Всем требованиям удовлетворяет трансформатор ТПП214-127/220-50.

Печатные платы изготавливаются из стеклотекстолита марки СФ-2-35-2. Выбор обусловлен высокими механическими и электроизоляционными свойствами материала по сравнению с гетинаксом.

Для покрытия прибора выбираем эмаль МЛ-12 (ГОСТ 9754-76). Данная эмаль механически прочная, эластичная, с хорошей адгезией к металлам, глянцевая, обеспечивает покрытия до 2-го класса. Покрытие хорошо полируется. Используемые цвет эмали - белая ночь.

Датчик целесообразно изготовить из полиамида марки 610. Данный материал перерабатывается в изделие методом литья под давлением, что позволяет получать сложные по конфигурации детали при незначительной трудоемкости изготовления.

4.РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЯ

4.1 Компоновочный расчет блоков РЭС

Компоновка - размещение в пространстве или на плоскости различных элементов РЭА - одна из важнейших задач при конструировании. Основная задача, решаемая при компоновке РЭА - это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса и расположения в пространстве любых элементов или изделий радиоэлектронной аппаратуры.

На практике задача компоновки РЭА чаще всего решается при использовании готовых элементов (радиодеталей) с заданными формами, размерами и весом, которые должны быть расположены в пространстве или на плоскости с учетом электрических, магнитных, тепловых и других видов связей.

Компоновочные характеристики и документы способствуют лучшему взаимопониманию не только всех разработчиков данного изделия, но и заказчиков, которые могут субъективно сравнивать как подобные, так и разные по характеру системы.

Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например в виде геометрически подобного тела или обобщенной геометрической модели.

При аналитическом методе оцениваются габаритные размеры, объем и масса изделия по формулам:

V = *, (4.1.1)

M = Km * , (4.1.2)

M = M' * V, (4.1.3)

Здесь V, M - общий объем и масса изделия;

k_v - обобщенный коэффициент заполнения объема изделия элементами;

Vi,Mi - значения установочных объемов и массы i-х элементов конструкции;

Km - обобщенный коэффициент объемной массы изделия;

М' - объемная масса аппарата;

n - общее количество элементов конструкции изделия.

Исходными данными для расчета являются:

количество элементов в блоке;

установочная площадь каждого элемента;

установочный объем каждого элемента;

установочный вес каждого элемента;

количество деталей;

объем блока;

вес блока;

количество наименований деталей;

линейные размеры.

В соответствии с заданием k_v = 0.55.Для прибора можно принять Мў=0.4кг/дм³.

Сведения об установочных размерах элементов и их массе сведены в таблицу 4.1.1

Таблица 4.1.1

Значение установочного объема и массы элементов изделия

Наименование элемента	Кол-во	Vi,мм3	Мi,гр.
1	2	3	4
1.Плата измерителя:
Резистор СП5-2	7	1665	2.2
Резистор С2-23	43	96	0.3
Конденсатор КМ-5А	28	140	0.5
Конденсатор К53-1А	2	1008	6
Микросхема КР140УД1	7	1320	1.3
Диод КД521А	2	400	1.6
Лепесток	16	100	0.5
Плата	1	38400	38.4
2.Плата сетевая
Резистор С2-23	2	96	0.3
Конденсатор К50-6	4	2135	4
Диод КД202Б	4	11100	2
Стабилитрон Д814Д	2	1377	1.6
Радиатор с транзистором КТ801	1	11520	14
Транзистор КТ814	1	1034	4
Втулка	2	628	10
Скоба	2	1100	14
Лепесток	6	100	0.5
Резистор МЛТ-0.5	1	128	0.6
Плата	1	19200	19.2
3.Трансформатор	1	126000	500
4.Элемент пьезокерамический	1	200	4
5.Вставка плавкая	1	1808	30
6.Лампа СМН	1	1055	16
7.Милиамперметр	1	15272	90
8.Резистор СПО	1	2512	22
9.Переключатель	1	2352	42
10.Тумблер	2	17640	24
11.Розетка	2	7500	50
12.Вилка	2	4500	30
13.Ручка	1	2386	5
14.Клемма	1	1205	15
15.Датчик	1	37680	400
16.Панель	1	16500	50
17.Кабель	2	10048	180
18.Втулка	8	251	10

Суммарный объем, занимаемый всеми элементами конструкции, посчитанный по табличным данным составляет

=2958625мм³

По формуле (4.1.1)определяем ориентировочный объем блока

V=7448000мм³

В соответствии с ТЗ габаритные размеры блока должны быть не более 300х200х160 мм. Согласно проведенным расчетам выбираем габаритные размеры блока 300х195х155 мм.

По формуле (4.1.2) определяем ориентировочную массу блока:

М =6.326кг

В соответствии с ТЗ масса блока должна быть не более 7 кг.

По результатам расчета можно сделать вывод: полученные данные расчета вполне удовлетворяют требованиям технического задания. Коэффициент использования объема равен 0.55 потому, что на плате печатной устанавливается электролитические конденсаторы, которые являются самыми высокими элементами. Их высота установки на плате равна 0.03 метра. Высота установки остальных элементов не превышает в среднем 0,01 м.

4.2 Расчет радиатора

Элементы радиоэлектронной аппаратуры во время работы потребляют электрическую энергию. Значительная доля энергии питания при этом превращается в тепловую энергию, что вызывает перегрев элементов и аппаратуры. Если не принять соответствующих мер, то это приведет к снижению надежности конструируемой аппаратуры.

Для обеспечения заданной работоспособности элементов РЭС необходимо, чтобы температура элементов не превышала допустимой температуры по техническим условиям.

Есть несколько способов достижения этого условия:

интенсификация теплоотдачи;

уменьшение температуры окружающей среды за счет применения специальных охлаждающих устройств;

увеличение поверхности теплообмена за счет применения специального теплоотвода.

Для полупроводниковых приборов наиболее часто используют радиаторы в качестве дополнительных теплообменников.

Радиатор за счет большой поверхности охлаждения имеет соответственно повышенную тепловую проводимость к окружающей среде. По конструкции радиаторы подразделяются на пластинчатые, пластинчато-ребристые, игольчато-штыревые, проволочные и пластинчато-штыревые.

Пластинчатые радиаторы применяются для обеспечения теплового режима элементов, рассеивающих небольшие мощности 3...10Вт, так как обладают наиболее низкими коэффициентами теплоотдачи (при естественном воздушном охлаждении ?=5...15Вт/м*К) и небольшими площадями теплоотдающей поверхности (до 0.02м).

Приведем методику расчета пластинчатого радиатора при естественном воздушном охлаждении:

задаются исходными данными: мощность транзистора; температура окружающей среды; максимально допустимая температура перехода; тепловое контактное сопротивление между переходом и корпусом.

Необходимо сопоставить максимальную мощность рассеяния транзистора при допустимой температуре р-n-перехода t_n, температуре среды t_c и тепловом контактном сопротивлении Rпк с заданной мощностью транзистора

Pmax=(t_n-t_c)/Rпк (4.2.1)

Если заданная мощность превышает Pmax, то данный транзистор на заданную мощность применять нельзя.

рассчитывается средняя поверхностная температура радиатора

t_p=q[t_n-P(Rпк+Rкр)] (4.2.2)

где q-коэффициент, учитывающий неравномерное распределение температуры по теплоотводу;

Rкр- тепловое контактное сопротивление между корпусом и радиатором.

определяется перепад между средней поверхностной температурой радиатора и окружающей средой ?t, °C:

?t=t_p-t_c (4.2.3)

определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией для горизонтально ориентированной пластины, ?_к:

?_к=А₁*[(t_p-t_c)/L]^0.25 (4.2.4)

где А₁ определяется по формуле:

А₁=1.424767136-0.002510109*t_m+0.00001109*t_m²-0.000000013*t_m³ (4.2.5)

где t_m=0.5(t_p+t_c)

определяется коэффициент теплоотдачи излучением, ?_л:

?_л=?*?*¦(t_p,t_c) (4.2.6)

где ? - степень черноты тела;

? - коэффициент облученности;

¦(tp,tc) определяется по таблице /табл.5.5,14/.

определяется эффективный коэффициент теплоотдачи, ?

?=?_к+?_л (4.2.7)

определяется теплообменная поверхность, S

S=P/(?*?t) (4.2.8)

определяется длина пластины, l

l=(S-2*L*?)/2*( L+?) (4.2.9)

где ? - толщина плиты теплоотвода.

Расчет выполнен с помощью ЭВМ. Результаты расчетов приведены в приложении.

4.3 Расчет конструкторско-технологических параметров печатных плат. Выбор и обоснование методов изготовления печатных плат

С целью повышения процента выхода годных плат, применение на предприятиях унифицированного технологического оборудования и сниже-ния трудоемкости применяют единую базовую технологию, которой является:

химический метод - для односторонних печатных плат;

комбинированный позитивный метод - для двусторонних печатных плат;

полуаддитивный (электрохимический) метод - для двусторонних печатных плат с повышенной плотност?ю монтажа (3-5 класс точности).

Так как данные платы двусторонние и плотность монтажа по 2-му классу допустима, то был выбран комбинированный позитивный метод. Основными достоинствами этого метода являются:

исключена возможность срыва контактных площадок при сверлении;

не требуется применять специальные контактирующие приспо-собления при металлизации отверстий;

снижается вредное действие химических растворов на изоляционное основание, на прочность сцепления фольги с основанием.

Исходя из анализа, проведенного в п. 2, а также расчетов, выполненных в п. 4.1,4.2, осуществляем разработку печатных плат, которые входят в состав прибора для измерения кавитационных шумов.

Для того, чтобы обеспечить технологичность прибора, целе-сообразно использовать двухстороннюю печатную плату типа СФ-2-50-2.

Двухсторонняя печатная плата с металлизированными отверстиями характеризуется: высокими коммутационными свойствами, повышенной точностью соединений, но они имеют достаточно высокую стоимость.

Трассировка двухсторонней печатной платы осуществим с помощью пакета прикладных программ PCAD в автоматическом режиме, так как данный метод обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка.

Так как к точности выполнения элементов печатного монтажа не предъявлялось никаких ограничений, то выбираем печатные платы 2-го класса точности. Данные платы наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. Для печатных плат этого класса точности характерны следующие номинальные значения основных параметров узкого места:

1) ширина печатного проводника t=0.5 мм;

2) расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка S=0.5 мм;

3) гарантийный поясок b=0.20 мм.

В соответствии с ГОСТ 10317-79 печатные платы измерителя и блока питания разрабатываем прямоугольной формы.

Сопрягаемые размеры контура печатных плат должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету ГОСТ 25347-82. Несопрягаемые размеры контура печатных плат должны иметь предельные отклонения по 14 квалитету ГОСТ 25347-82.

Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Исходя из ряда предпочтительных значений номинальных толщин одно- и двусторонних печатных плат /16/, выбираем толщину печатной платы Нп=2.0мм.

Так как данное электронное устройство несложно и не требуется быстрая замена плат, то необязательно соединять печатные узлы через электрический соединитель.

Найдем размеры монтажной зоны. Под установочной площадью ЭРЭ понимается площадь прямоугольника (квадрата), в которую вписывается ЭРЭ вместе с выводами и контактными площадками при установке его на печатную плату. Для расчета площади платы используются следующие формулы:

S_е =е Sэл (4.3.1)

где Sэл - установочная площадь элемента.

Sпл = S_е *Кз (4.3.2)

где Кз - коэффициент заполнения платы, Кз=0.7...0.9.

Получаем площади для плат измерителя и блока питания соответственно 196.6см² и 98.6см².

Целесообразно длины плат измерителя и блока питания взять одинаковыми. Однако на двухсторонние печатные платы рекомендуется выдерживать расстояние между краем проводника, контактной площадки, экрана и краем платы, равное номинальной толщине платы с учетом допуска на габариты платы. Тогда размер платы измерителя будет 160х120 мм, а платы блока питания - 160х60.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия находим по формуле (4.3.3):

dном = d + R + ?d , (4.3.3)

где d- максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату;

R- разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента;

?d- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия (по табл. 3.7 в /26/).

Диаметры монтажных отверстий должны быть такими, чтобы разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента была в пределах 0.1...0.4 мм.

Номинальное значение ширины проводника t рассчитывается по формуле:

tном = t + ?t, (4.3.4)

где t- минимально допустимая ширина проводника;

?t- нижнее предельное отклонение ширины проводника (по табл.3.8 в /26/).

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка Sн в миллиметрах определяют по формуле :

Sном = S + ?tў , (4.3.5)

где S- минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

?tў- верхнее предельное отклонение ширины проводника (из табл. 3.9 в /26/).

Центры монтажных отверстий на печатных платах располагают в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Расчет минимального диаметра контактной площадки производится по формуле (4.3.6):

D = (d + ?dў ) + 2b + ?t_в.о -2?d_тр. + ( T_d²+T_D² + ?t_п.о.²)^0.5, (4.3.6)

где ?dў- верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

b- гарантийный поясок;

?t_в.о.- верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

?d_тр.- значение подтравливания диэлектриков в отверстии, для ДПП равно 0;

?t_п.о.- нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;

T_d иT_D- значение позиционного допуска расположения центров отверстий и контактных площадок соответственно.

Результаты расчетов по вышеприведенным формулам можно найти в приложении в таблицах технических требований на каждую печатную плату.

Стабильность электрических и механических параметров печатных плат обеспечивает использование конструктивного металлического покры-тия. В данном случае в качестве покрытия используем сплав Розе ТУ 6-09-4065-75, благодаря которому обеспечивается защита от коррозии и улучшается способность к пайке.

4.4 Расчет теплового режима

Все компоненты блока сопряжения функционируют в строго ограниченном температурном диапазоне. Выход температуры за предельно допустимые пределы может привести к необратимым структурным изменениям. Высокая надёжность и длительный срок службы ЭВА будут гарантированы, если температура среды внутри конструкции нормальная (15±5°C) и изменяется не более чем на 2°C в час. Для выполнения этого условия необходимо выбрать оптимальную систему охлаждения.

Тепловой расчет и выбор способа охлаждения проведён с помощью ЭВМ, поэтому здесь приведена только методика расчета.

Исходными данными для выбора охлаждения являются:

суммарная мощность P, рассеиваемая в конструктивном модуле;

давление окружающей среды;

давление внутри блока;

коэффициент заполнения блока;

габаритные размеры блока;

время непрерывной работы t.

Значения исходных данных и результаты расчетов приведены в приложении.

Приведем порядок расчета блока в герметичном корпусе:

рассчитывается поверхность корпуса блока по формуле:

Sк=2[l₁*l₂+(l₁+l₂)*l₃], (4.4.1)

где l₁,l₂ - горизонтальные размеры корпуса;

l₃ - вертикальный размер корпуса.

определяется условная поверхность нагретой зоны по формуле

Sк=2[l₁*l₂+(l₁+l₂)*l₃*К_з], (4.4.2)

где К_з - коэффициент заполнения.

определяется удельная мощность корпуса по формуле:

q_к=Рз/Sк (4.4.3)

где Рз - мощность, рассеиваемая нагретой зоной.

рассчитывается удельная мощность нагретой зоны

q_з=Рз/Sз (4.4.4)

находится коэффициент ?₁ в зависимости от удельной мощности корпуса блока

?₁=0.1472*q_к-0.2962*10^-3*q_к²+0.3127*10^-6*q_к³ (4.4.5)

находится коэффициент ?₂ в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:

?₂=0.1390*q_з-0.1223*10^-3*q_з²+0.0698*10^-6*q_з³ (4.4.6)

находится коэффициент Кн₁ в зависимости от давления среды вне корпуса блока :

Кн₁=0.82+, (4.4.7)

где Н₁ - величина атмосферного давления вне корпуса.

находится коэффициент Кн₂ в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н₂

Кн₂=0.8+, (4.4.8)

определяется перегрев корпуса:

?_к=?₁*Кн₁. (4.4.9)

рассчитывается перегрев нагретой зоны:

?з=?к+(?₂-?₁)*Кн_2. (4.4.10)