86120

Кварцевый измеритель толщины напыленных оптических покрытий

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Целью дипломного проектирования является завершение обучения в вузе и квалификационная оценка знаний, умений и навыков студента по специальности для решения вопроса о присвоении ему соответствующей инженерной квалификации.

Русский

2015-04-03

1.74 MB

24 чел.

134

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

кафедра радиоэлектронных средств

факультет компьютерного проектирования

«К защите допустить»

Заведующий кафедрой РЭС

Канд.техн.наук, профессор

_________________Образцов Н.С.

«_____» июня 2003 года

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

на тему:

“Кварцевый измеритель толщины напыленных оптических покрытий”

Дипломник                  ________Липень А.В.

Руководитель      ________Боженков В.В.

Консультанты

 по специальности     ________Алексеев В.Ф.

по  технологии     ________Ткачук А.М.

 по экономике     ________Крум Э.В.  

          по ОТ и ЭБ      ________Зацепин Е.Н.

 Рецензент                                                                 ________

Минск 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация

Введение

  1.  План проектирования дипломного проекта
  2.  Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции

2.1.Назначение изделия и технические возможности

2.2.Требования по устойчивости к внешним воздействующим факторам

2.3.Требования к конструкции

2.4.Требования к надежности

2.5.Требования к электробезопасности

2.6.Требования к маркировке

  1.  Обзор методов измерения толщины оптических покрытий
  2.  Особенности кварцевого метода измерения толщины напыленных оптических покрытий
  3.  Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции

5.1.Описание схемы электрической принципиальной

5.2.Сопоставление условий эксплуатации и технических условий на использование элементной базы

5.3.Анализ органов управления, индикации и присоединения

  1.  Выбор и обоснование элементной базы, унифицированных узлов, установочных изделий и  материалов конструкции
    1.  Выбор элементной базы
    2.  Выбор материалов конструкции
  2.  Выбор и обоснование компоновочной схемы, метода и принципа конструирования

7.1. Выбор и обоснование компоновочной схемы

7.2. Выбор и обоснование метода и принципа конструирования

  1.  Выбор способов и устройств теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования

9. Расчет параметров кварцевого резонатора

9.1. Предварительные оценки

9.2. Энергетика колебаний масс-чувствитеных пьезорезонаторов

9.3. Влияние конструктивных факторов на рабочие характеристики кварцевых пьезорезонаторов (микровесов)

10. Описание конструкции измерительного блока

  1.  Расчет конструктивных параметров изделия
    1.  Полный расчет надежности
    2.  Расчет компоновочных характеристик
    3.  Расчет механической прочности и системы виброударной защиты.
      1.  Расчет собственной частоты колебания элементов
      2.  Расчет собственных частот печатной платы
      3.  Расчет на действие удара
    4.  Оценка теплового режима
    5.  Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы
    6.  Расчет электромагнитной совместимости
    7.  Расчет коэффициента технологичности

12. Технологический процесс изготовления панели

  1.  Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики

13.1 Расчет лицевой панели и индикаторных элементов

13.2. Расчет светотехнических характеристик индикаторных устройств

13.3.Компоновка и выбор цветового решения лицевой панели

  1.  Мероприятия по защите от коррозии, влаги, электрических ударов, ЭМ полей и механических нагрузок

14.1.Защита от коррозии

14.2.Защита от воздействия влаги

14.3.Защита от электрического удара

14.4.Защита от действия внешних электромагнитных полей14.5.Защита от механических нагрузок

  1.  Экономическое обоснование инвестиций в сфере эксплуатации новой техники
  2.  Производственная и экологическая безопасность

16.1.Обеспечение электробезопасности при наладке кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий

16.2.Расчет и выбор способа электрозащиты кварцевого измерителя

16.3.Анализ проведенных расчетов

Заключение

Список использованных источников

АННОТАЦИЯ

Дипломный проект представляет собой описание разработки, изготовления и эксплуатации кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий.

Данное устройство может быть использовано для определения толщины напыляемого слоя материала в процессе изготовления изделий, требующих точного значения толщины напыленного слоя размером до 10 нм.

В курсовом проекте производится анализ исходных данных, приведены конструкторские и технико-экономические расчеты.

Для изготовления данного устройства разработана конструкторская документация.

В пояснительной записке проекта 115 листов, 8 рисунков, 14  таблиц, 106 формул. Использована информация 37 литературных источников.  Графическая часть – 6 листов формата А1.

ВВЕДЕНИЕ.

Целью дипломного проектирования является завершение обучения в вузе и квалификационная оценка знаний, умений и навыков студента по специальности для решения вопроса о присвоении ему соответствующей инженерной квалификации.

В процессе выполнения дипломного проекта одновременно решаются такие задачи:

  •  систематизация, закрепление и углубление теоретических и практических знаний по специальности и применение их для решения конкретных инженерных задач;
  •  приобретение умений и навыков самостоятельного планирования и выполнения проектно-конструкторских, проектно-технологических или научно-исследовательских работ по специальности;
  •  совершенствование умений разработки и оформления технической документации, отражающей принятые технические решения;

Производство РЭА в настоящее время развивается высокими темпами, находит все более широкое применение во многих сферах народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса.

Требования, предъявляемые к РЭА, постоянно ужесточаются, а усложнение аппаратуры приводит к необходимости внедрения последних достижений науки и техники в разработку, технологию и конструирование РЭА.

Создание ИМС, БИМС, СБИМС, изделий функциональной микроэлектроники и многослойного монтажа позволило резко повысить надежность РЭА, уменьшить ее габариты и массу. Основные требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности.

Для повышения технического уровня  и качества продукции, надежности выпускаемых изделий необходимо совершенствовать системы контроля продукции. Существенную роль при этом играет технический уровень и качество приборов, применяемых при научных исследованиях и разработках, а также в процессе изготовления изделий для контроля продукции.

В данном дипломном проекте разрабатывается кварцевый измеритель напыленных оптических покрытий, применяемый для измерения слоя напыляемого вещества в установке вакуумного напыления.

Перед тем, как приступить к выполнению дипломного проекта, необходимо выделить основные вопросы, которым нужно уделить основное внимание, т.е. составить так называемый план-проспект.

1. План проектирования дипломного проекта

Основой для проектирования дипломного проекта является техническое задание, в котором задаются исходные данные и основные технические требования к разрабатываемой конструкции. Затем, исходя из этих требований, выбирается и обосновывается применение элементной базы, унифицированных узлов, установочных изделий и материалов конструкции. Исходя из элементной базы, подбирается наилучший вариант компоновки с учетом методов и принципов конструирования. После чего, учитывая условия эксплуатации разрабатываемой конструкции, выбираем средства теплозащиты, герметизации, виброзащиты и экранирования. Затем осуществляем  расчет конструкторских параметров изделия, который включает:

  •  компоновочный расчет блоков;
  •  расчет теплового режима;
  •  расчет радиаторов со смонтированными на них мощными ППП;
  •  расчет конструктивно-технологических параметров печатных плат. Выбор и обоснование методов изготовления печатных плат;
  •  расчет параметров нестандартных ИЭТ;
  •  расчет оптимального типаразмерного ряда БНК модулей РЭС;
  •  расчет механической прочности и системы вибраударной защиты;
  •  полный расчет надежности;
  •  расчет электромагнитной совместимости.

Оцениваем средства автоматизированного проектирования и выбираем наиболее удобный для решения поставленных задач. Затем рассматриваем наше устройство с учетом требований эргономики и технической эстетики. После чего выбираем способы и мероприятия по защите от коррозии, влаги, электрического удара, электромагнитных полей и механических нагрузок.

2. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции

  1.  Назначение изделия и технические возможности

Разрабатываемый прибор предназначен для эксплуатации в промышленности, имеющей необходимость в напылении тонких пленок (порядка нескольких микрон). В основе принципа измерения толщины напыленных оптических покрытий лежит использование пьезорезонансных датчиков. Измерительный блок устройства и непосредственно сам пьезорезонансный датчик, на который напыляется слой вещества, находится в вакууме. Пьезорезонансными датчиками (ПРД) первоначально называли измерительные преобразователи, в которых роль чувствительного элемента выполнял пьезоэлектрический резонатор. Это определение в середине 70-х гг. можно было считать достаточно исчерпывающим, поскольку пьезорезонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ) были практически единственной разновидностью пьезоприборов, применявшихся в датчиках резонансного типа. В последствии такая ситуация изменилась: в практику все шире стали входить различные типы резонансных пьезоприборов – фильтров, резонаторов, линий задержки и других, в которых использовались поверхностные акустические волны (ПАВ) и приповерхностные волны (ППАВ). Эти преобразователи начали получать распространение и в датчиках. Как и традиционные ПРД и ОАВ, эти пьезоэлектрические преобразователи характеризуются наличием резонансных электрических свойств чувствительных элементов, что позволяет их также отнести к классу пьезорезонансных датчиков.

В отличие от традиционных пьезодатчиков генераторного типа, работающих на основе прямого пьезоэффекта, пьезорезонансные являются датчиками параметрического типа, в которых преобразование входного воздействия осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонаторов. Пьезорезонансные датчики – одни из наиболее универсальных типов первичных измерительных преобразователей (ИП).

Уникальность пьезорезонатора как преобразователя физических величин определяется возможностью варьировать в широких пределах его свойства и избирательность реакций на воздействия различной физической природы. Большие ресурсы для управления свойствами преобразователя заложены в анизотропии пьезоэлектриков и многообразии типов колебаний вибратора. Использование указанных факторов и создает предпосылки к применению ПРД для решения широкого круга задач.

В процессе колебаний между элементами структуры происходит взаимодействие (обмен энергией), определяющее особенности поведения пьезорезонатора как электрического элемента и вид его электрической амплитудно-частотной характеристики. Измеряемое воздействие модулирует характеристические параметры элементов структуры ПР и взаимодействие между этими элементами. В результате изменяется амплитудно-частотная характеристика ПР. В модуляции амплитудно-частотной характеристики ПР и заключается суть работы пьезорезонансных датчиков. Пьезорезонаторы, управляемые по частоте, составляют основу частотных пьезорезонансных датчиков (ЧПРД), в которых выходным параметром является частота f сигнала.

Управление параметрами пьезорезонатора в проектируемом приборе осуществляется управлением фазой. Фазочастотная характеристика ПР однозначно определяется его АЧХ. Модуляция фазы – следствие модуляции АЧХ. В основе управления фазой могут лежать как эффекты, порождающие вариацию частоты, так и эффекты, порождающие вариацию проводимости ПР.В приборе используется частотный ПРД, в котором применяются воздействия в основном ориентированные на вибратор и пленку на его поверхности. В этом случае реализуется управление податливостью и массой колебательной системы: податливость определяется в основном упругими свойствами и размерами вибратора, изменения массы ПР связаны с изменением массы пленки, присоединенной к пьезоэлементу.

  1.  Требования по устойчивости к внешним воздействующим факторам

Согласно техническому заданию на курсовое проектирование условия эксплуатации разрабатываемой конструкции кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий соответствуют легких условиям (группа I). Климатическое исполнение УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69:

– значение температуры воздуха от -40 до +600С;

– измерительная среда: вакуум 1,33×10-1…1,33×10-6 Па;

– относительная влажность воздуха 40…80% при 300С и более низких температурах без конденсации влаги, среднемесячное значение влажности равно 65% при 200С в течение года;

– атмосферное давление (8,36…10,6) ×104 Па или 720…800 мм рт.ст.

  1.   Требования к конструкции

Требования к конструкции разрабатываемого прибора вытекают из его функционального назначения и условий его эксплуатации. Конструкция прибора должна обеспечивать ремонтопригодность, удобство в эксплуатации, иметь, по возможности малые габариты и вес, и высокую надежность в работе. Эстетические требования должны соответствовать ГОСТ 23852-79. Конструкция прибора должна отвечать требованиям к технологичности по ГОСТ 18831-73 и ГОСТ 14205-83. Конструкцией модуля управления и индикации должна быть обеспечена безопасность персонала при эксплуатации. Общие требования безопасности по ГОСТ 12.2.007.0-75.

Конструкция блока должна исключить попадание внутрь посторонних предметов. По способу защиты человека от поражения электрическим током устройство должно быть изготовлено в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0-75. Класс защиты – 2.

2.4. Требования к надежности
Наработка на отказ прибора должна составлять не менее 2500 часов по ГОСТ 21317-84.
2.5. Требования к электробезопасности
Меры защиты от поражения электрическим током должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.006-83. В модуле управления и индикации должна быть обеспечена защита от коротких замыканий. Общие требования  к обеспечению пожарной безопасности в производственных помещениях по ГОСТ 12.1.004-91.
2.6. Требования к маркировке

Маркировку выполняют любым способом, обеспечивающим ее четкость в течение всего срока эксплуатации. Необходимые поясняющие и предостерегающие надписи в соответствии с ГОСТ 12.2.006-87. Маркировка должна наноситься на табличку, прикрепленную к корпусу блока УЦИ и изготовленную в соответствии с требованиями ГОСТ 12969-67 и ГОСТ 12971-67.

Маркировку выполняют любым способом. Способом и качеством выполнения маркировки должно обеспечивать четкое и ясное изображение ее в течение срока службы УЦИ.

Маркировка должна содержать:

наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;

шифр и условное обозначение устройства;

порядковый номер устройства по системе нумерации предприятия-изготовителя;

дату изготовления (год и месяц).

Маркировка потребительской тары с изделием должна содержать:

наименование предприятия-изготовителя;

наименование и условное обозначение изделия;

год и месяц упаковки.

Упаковка должна выполняться в виде картонного ящика  с вкладышами из пенополиуретана.

Упаковка должна обеспечивать сохранность изделия при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировании, хранении и необходимую защиту от внешних воздействий.

Каждое изделие в упаковке должно фиксироваться в транспортной таре.

3. Обзор методов измерения толщины оптических покрытий

Разрабатываемое устройство предназначено для определения толщины напыленных оптических покрытий. Основой устройства является колебательная структура с пьезорезонаторным датчиком (ПРД), которые делятся на группы:

  •  ПРД на основе чувствительности к полям различной физической природы (тэнзочувствительные, термочувствительные, акусточувствительные, масс-чувствительные и т.д.);
  •  ПРД на основе чувствительности к вариациям геометрии прибора;
  •  ПРД на основе гирочувствительных пьезопреобразователей.

Само устройство можно представить в виде структуры, состоящей из 4-х основных элементов: вибратора, пленочных покрытий на его поверхностях, элементов крепления вибратора и, наконец, окружающей среды.

При осуществлении патентного поиска на разрабатываемую конструкцию УЦИ были изучены материалы подобных методов, которые были запатентованы начиная с 1986 года. Основная часть разработок в этой области принадлежит Японии.

Устройство для контроля и регулирования толщины оптических пленок, разработанное в Японии в 1993 году. Устройство содержит механизм для подачи рулонной пленки, а также механизм для ее намотки. Между этими двумя механизмами размещены апертура, через которую производится осаждение паров тонкой оптической пленки на части рулонной пленки, а также нагреватель рулонной пленки. Толщину осаждаемой пленки определяют через апертуру с использованием оптических средств. Недостаток этого устройства в невозможности измерения слоя осаждаемой пленки в процессе напыления, а так же в необходимости применения сложного оптического оборудования.

В АлтГТУ сотрудниками и аспирантами кафедры «Информационные технологии» под руководством Госькова П.И. было разработано новое поколение пьезоэлектрических измерительных устройств, названных МСК-датчиками. Принцип работы данных устройств основан на реализации режимов модуляции связанных колебаний (МСК-режимов) в пьезоэлектрических первичных измерительных преобразователях, представляющих собой сложные нелинейные автономные колебательные системы с конечным числом степеней свободы. Основными достоинствами МСК-датчиков являются: высокая чувствительность, простота конструкции, низкая стоимость, широкая область применения. По устройству и принципу работы данный тип средств измерений занимает промежуточное положение между традиционными ультразвуковыми приборами и пьезорезонаторными датчиками.

Интерферометрическое устройство для измерения толщины пленок, разработанное в Японии в 1994 году, работает на основе свойства интерференции света. Свет от источника на измеряемую структуру, затем, отразившись от структуры или пройдя через нее, создает интерференционную картину, которая регистрируется датчиком изображения. По выходному сигналу датчика измеряется толщина пленки в структуре. Плюсом данного метода и непосредственно устройства его реализующего можно назвать возможность получения видео изображения тонкой пленки, но сложность компонентов устройства обуславливают его дороговизну.

Способ измерения толщины интерференционной пленки разработан в Японии в 1993 году. На измеряемую пленку направляется белый свет, который, отражаясь от лицевой и тыльной поверхностей пленки, образует интерференционный пучок, поступающий в интерферометр. На интерферометрической картине, созданной интерферометром, измеряют толщину пленки.

Оптическое устройство для измерения толщины пленок. Устройство под определенным углом направляет плоский луч белого света на измеряемую пленку и на основании яркости спектра отраженного света измеряет толщину пленки. Выходной свет разлагается в спектр с помощью спектроскопа.

Самовыравнивающийся эластометр и способ его использования в процессе контроля. Система элипсометрического измерителя используется с вакуумной камерой на линии по производству образцов тонких пленок. Сканер направляет падающий пучок на выбранную поверхность образца. Сканер и апертура обеспечивают точную регулировку падающего луча относительно выбранной поверхности. Образцы тонкой пленки с известной толщиной и показателями преломления используются для вычисления угла падения луча света.

Стокс-эллипсометр. Автоматизированный эллипсометрический комплекс предназначен для определения оптических характеристик материалов, поверхности и тонких пленок. В зависимости от комплектации прибора и программного обеспечения комплекс позволяет определять толщины, показатели преломления и поглощения тонких пленок и подложек, как изотропных, так и анизотропных, находить профили показателей преломления и поглощения переходных слоев. В режиме анизотропных измерений определяются параметры двулучепреломления, ориентации направлений быстрого и медленного пропускания, величина фазового сдвига и коэффициенты пропускания света, поляризованного вдоль быстрого и медленного направлений, величина оптического вращения, направление и значение напряжений, а также полная матрица Джонса отражения и пропускания и для деполяризующих систем - матрица Мюллера. Комплекс позволяет измерять шероховатость и пористость поверхностей и пленок. Применяется в полупроводниковой и оптической промышленности, экологии, биологии, медицине, криминалистике, исследовании и анализе свойств поверхности. Комплекс поставляется в виде комплекта приставок к серийному прибору ЛЭФ-3М и подключается к персональному ком­пьютеру типа IBM PC.
При установке комплекса не нарушается возможность проведения измерений в ручном режиме.
Технические характеристики:

Измеряемые величины

4 параметра Стокса

Эллипсометрические параметры

y, D

Воспроизводимость измерений параметров y и D

от 1' до 0.5'

Точность измерения толщины пленки, А°

1

Точность измерения показателя преломления

0.005

Время одного измерения, с

0.03 ... 2

Еще один способ измерения и устройство для измерения толщины тонких пленок слоя с помощью корреляционного рефлектора был разработан в США в 1995 году. Материал слоя предназначен для рабочего излучения. Способ предусматривает изготовление эталонного слоя материала на поверхности материала, свойства которого аналогичны свойствам исследуемого. Толщина слоя изменяется в пределах заданного диапазона. Поверхность облучают широкополосным коллимированным излучателем. Отраженное от слоя излучение имеет спектральную характеристику, соответствующую его толщине. Отраженное излучение коллимируют для получения эталонного коллимированного луча. При непосредственном напылении тонких пленок все их характеристики сопоставляются с эталонными и делаются выводы об их толщине.

В разрабатываемом устройстве используется масс-чувствительный пьезорезонансный датчик, достоинства которого перед приведенными способами измерения тонких пленок очевидны: нет необходимости применять сложные устройства, требующие больших затрат и времени на их настройку, толщину пленок можно контролировать непосредственно в процессе напыления, более высокая разрешающая измерительная способность.

4. Особенности кварцевого метода измерения толщины напыленных оптических покрытий.

Используемый в приборе датчик относится к группе ПРД на основе чувствительности к полям различной физической природы, а именно на основе масс-чувствительных ПР, использующие зависимость параметров резонаторов от массы вещества, присоединенного (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента. Преобразование параметра в них осуществляется через масс-чувствительность пьезорезонатора.

В качестве основы большинства ПРД используются только два типа пьезоматериалов: кристаллический пьезокварц и пьезоэлектрическая керамика. Области применения этих материалов четко разграничены: пьезокварц применяется в основном в преобразователях с частотным выходом, а пьезокерамика – в преобразователях с амплитудным выходом. Нетрудно заметить и другой существенный момент: в датчиках, основанных на принципах модуляции параметров пьезовибратора, применяются, как правило, пьезокварцевые резонаторы. Причины, порождающие весьма четкое разделение областей применения, следует искать в особенностях физических свойств пьезоэлектрических материалов. С точки зрения построения частотных преобразователей наиболее существенными из этих свойств являются механическая добротность и стабильность параметров пьезоэлектрика. Эти параметры характеризуют решающим образом качество пьезорезонатора как колебательной системы и определяют такие показатели измерительного преобразователя, как порог чувствительности и стабильность нуля.

Сравнивая пьезоэлектрические материалы с этой позиции, следует отметить, что здесь преимущества бесспорны: его механическая добротность и временная стабильность характеристик существенно выше, чем у пьезокерамики. Добротность пьезокварца достигает 107 и более, в то время как у лучших пьезокерамических материалов она не превышает нескольких тысяч. Также пьезокерамике присуще большее старение, которое особенно ярко проявляется в условиях действия больших механических нагрузок и экстремальных температурных нагрузок.

В отличие от пьезокерамики свойства пьезокварца меняются с течением времени в существенно меньшей степени. Достаточно сказать, что уход частоты пьезоэлектрических кварцевых резонаторов из-за старения в течение года работы обычно не превышает 10-4–10-5, причем старение собственно пьезокристалла дает ничтожно малый вклад в общий уход частоты.

Дополнительным преимуществом пьезокварца, особенно важным с точки зрения использования его в измерительных преобразователях, является его безгистерезисность при механических, температурных и электрических воздействиях. Это выгодно отличает пьезокварц от пьезокерамических материалов, которые обладают ярко выраженными гистерезисными свойствами.

Из этих фактов следует сделать вывод о малой пригодности пьезокерамики для частотного типа ПРД, т.к. в разрабатываемом устройстве измерение связано непосредственно с модуляцией параметров собственно пьезовибратора.

Рассмотрим влияние на параметры пьезорезонаторов электрических и магнитных полей и радиоактивного излучения. Воздействия этого типа хотя и не используются в качестве управляющих при построении ПРД, могут оказывать заметное влияние на функционирование датчиков.

Влияние электрических полей. Частота и потери кварцевых резонаторов зависят слабо от прикладываемого к пьезоэлементу электрического поля Е весьма слабо. Коэффициент, характеризующий влияние поля на частоту КЕ=f/fE, не превышает 10-10 мм/В, т.е. при напряженности Е=103 В/мм относительные изменения частоты составляют не более 10-7. Зависимость Df(E) близка к линейной.

Для пьезокерамических материалов влияние электрического поля проявляется намного сильней. При напряженностях поля, близких к пробойным (Е»10¸20 кВ/мм), изменения частоты могут достигать 10-15%. Столь большие эффекты связаны с перестройкой структуры материала под действием поляризующего поля [2]. Зависимость частоты от поля носит ярко выраженный гистерезисный характер.

Влияние магнитных полей. Изменение физических констант пьезоматериалов в магнитном поле не велико. По данным [6], статическое магнитное поле с индукцией 0,2 Тл изменяет частоту кварцевых ПР на 10-6 fp. Тем не менее, пьезорезонаторы могут обнаруживать сильную реакцию на магнитные поля, если электроды возбуждения или элементы конструкции ПРД выполняются из магнитных или магнитострикционных материалов.

Влияние радиоактивных воздействий. Кварц и пьезокерамика могут быть отнесены к числу радиационно стойких материалов электронной техники. При использовании специальных сортов сырья и методов его обработки [1] кварцевые пьезорезонаторы могут иметь относительные уходы частоты не более 2×10-7 при облучении потоком нейтронов 1014 нейтр./см2 или при дозе g-облучения 107 Р. Пьезорезонаторы перестают возбуждаться при потоках свыше 1017 нейтр./см2. Пьезокерамические материалы сохраняют свою работоспособность при нейтронных потоках с дозой 1018 нейтр./см2.

Старение кварцевых резонаторов. Старением ПР называют процесс необратимых систематических уходов частоты во времени, вызываемых изменениями физических свойств кристалла, элементов конструкции и физико-химических условий среды, в которой резонатор функционирует. Старение связано с целым комплексом явлений, происходящим в самом кристалле, на границе кристалла и держателей, в пленочных покрытиях, в держателях и, наконец, в баллоне, в котором заключен кристалл.

К наиболее серьезным источникам старения относятся:

разрушение поверхностного слоя кристалла;

развитие и заживление микротрещин, возникающих в кристалле в процессе его физической обработки;

процессы релаксации кристалла из энергетически неустойчивого, возникающего в процессе обработки состояния в основное устойчивое;

диффузия примесей в кристалле;

изменение физических свойств пленок, держателей, сорбционные процессы на поверхности кристалла и электродов [4].

Для снижения старения используются обработка поверхностей асимптотическими методами (шлифование, полирование, травление), их химическая очистка, химическая и термообработка металлических и диэлектрических элементов конструкции ПР и их обезгаживание, герметизация и вакуумизация пьезовибратора, термообработка готового ПР. Процесс старения кварцевых резонаторов поддается прогнозированию. Резонаторы одной партии имеют обычно близкие характеристики старения.

Скорость старения максимальна в первые дни после изготовления ПР; с течением времени процесс старения замедляется. Как правило, чем более устойчивые условия работы ПР (температура, уровень возбуждения,, вибрации и т.д.), тем меньше необратимые уходы частоты. Старение в существенной мере зависит от конструкции ПР. Для негерметизированных резонаторов основным механизмом старения являются процессы сорбции частиц на поверхности пьезоэлемента и окисление электрода – пленки. За первый год эксплуатации старение негерметизированных резонаторов АТ- и ВТ-срезов на частоты 6-16 МГц в среднем составляет 50×10-6. Значительно меньшим старением обладают герметизированные и особенно вакуумные резонаторы [3].

На старение частоты резонаторов в датчиках должны существенно влиять особенности конструктивного выполнения этих датчиков. В общем случае необратимые сдвиги выходной частоты ПР в датчиках оказываются не меньшими, чем у резонаторов аналогичного типа в стандартном исполнении. Это связано с большей конструктивной сложностью ПРД, несовершенство технологии, малой изученностью средств борьбы со старением ПРД. Некоторое снижение погрешностей старения может быть достигнуто построением датчиков по дифференциальной схеме. Погрешности нуля от старения для многих датчиков оказываются нередко более значительными

Измерительные автогенераторные устройства, предназначенные для преобразования изменений массы, присоединенной к поверхности кварцевого пьезорезонатора, в приращения выходной частоты автогенератора принято называть кварцевыми микровесами. К основным их достоинствам можно отнести:

  1.  высокая чувствительность, достигающая 2,5 МГц/мг. Разрешающая способность масс-чувствительных резонаторов достигает 10-11 г, что на три порядка выше, чем у лучших микровесов других типов. Погрешность лучших микровесов составляет 1-2%;
  2.  универсальность. К измерению методом микровзвешивания сводятся измерения множества параметров: толщины пленок, влажности, состава газовых смесей, давления, температуры, концентрации микропримесей, коррозийной стойкости, окислительной стабильности, растворимости, упругости паров, различных физико-химических параметров веществ и т.д.;
  3.  работоспособность в широком диапазоне температур (от абсолютного нуля до 500-550 0С);
  4.  независимость результатов измерения от значения силы тяжести и положения в пространстве (изменение резонансной частоты преобразователя достигаются за счет вариаций инерционных сил на поверхности колеблющегося пьезоэлемента). Эта особенность позволяет использовать кварцевые микровесы в условиях невесомости, допускает их работу в произвольном положении относительно гравитационного поля;
  5.  малые габаритные размеры, высокая устойчивость к ударам, вибрациям, большая химическая и радиационная стойкость, возможность применения для измерений в вакууме (кварцевые резонаторы практически не загрязняют окружающую среду);
  6.  невысокая стоимость и доступность (основа кварцевых микровесов – термостабильные резонаторы АТ-среза, широко используемые в традиционных устройствах стабилизации частоты).

Характерными недостатками кварцевых микровесов являются:

  1.  невысокий ресурс работы при использовании в качестве измерителей толщины покрытий. В общем случае суммарная толщина покрытия не должна превышать нескольких микрон. При больших толщинах качество резонатора и точность измерения из-за потерь в пленке существенно снижаются. В принципе можно идти на снятие нанесенных слоев, например, их стравливание, однако подобная процедура допускается не более 8-10 раз. При большем числе циклов резонатор нередко выходит из строя;
  2.  воздействие температуры. Для обеспечения порога чувствительности микровесов на уровне 10-11 г/см2 требуется весьма жесткий контроль температуры и уровня возбуждения резонатора.

Кварцевые микровесы – датчики сорбционного типа. В них изменения эквивалентных параметров резонаторов происходят за счет наращивания массы, т.е. процесса сорбции вещества, либо уменьшения присоединенной массы, т.е. процесса десорбции вещества. Изменения присоединенной массы могут носить обратимый и необратимый характер.

5. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции.

5.1. Описание схемы электрической принципиальной.

Кварцевые толщиномеры позволяют контролировать процесс непрерывно по изменениям частот пьезорезонатора. Схема включения резонатора – автогенераторная. Все элементы автогенератора и вторичной аппаратуры из вакуумной камеры выносятся. Для соединений используются высокочастотные разъемы и коаксиальные кабели.

Толщиномеры могут использоваться как самостоятельные преобразователи толщина – частота, так и в составе приборов, применяемых для автоматического контроля и управления процессом напыления. Схема типичного прибора с кварцевым толщиномером приведена на рис.1.

 

                 

Рис.1. Структурная схема кварцевого толщиномера

Устройство позволяет непрерывно измерять толщину наносимого покрытия, скорость изменения толщины, кроме того, оно формирует сигнал на остановку процесса напыления при достижении уставки по толщине. Устройство формирует сигнал, пропорциональный разности между текущим значением скорости напыления и уставки по скорости. Частота измерительного генератора АГи сличается с частотой опорного генератора АГо, и сигнал разности частот, являющийся функцией толщины h, подается на преобразователь частоты в напряжение ПЧН. Выходное напряжение ПЧН сравнивается с напряжением уставки по толщине Uуст. Когда напряжение с выхода ПЧН становится равным Uуст, срабатывает реле РТ, формирующее команду на прекращение процесса напыления. Дополнительно напряжение ПЧН дифференцируется, после чего сигнал, пропорциональный скорости напыления , сличается с сигналом уставки по скорости ()уст. Сигнал разбаланса по скорости усиливается усилителем мощности УМ (обычно на тиристорах), нагрузкой которого является нагреватель испарителя. Изменение тока нагревателя приводит к изменению его температуры и соответственно потока напыляемого вещества. По схеме на рис.1 строится большинство приборов контроля над процессами напыления. Различия между ними не слишком существенны и касаются в основном особенностей организации программно-временных блоков, блоков задания уставок, цепей сигнализации, числа рабочих поддиапазонов и т.п.

Кварцевые толщиномеры применяются для контроля пленок с толщиной не более нескольких микрон. Если толщина покрытия достигла предельного значения и дальнейшее напыление недопустимо, работоспособность толщиномера восстанавливается, например, путем стравливания нанесенной пленки. Градиуровочная характеристика при этом остается практически неизменной.

В тех случаях, когда на подложку наносятся более толстые пленки, прибегают к использованию так называемого диафрагменного метода, при котором между испарителем и датчиком ставится равномерно вращающийся экран с секторным вырезом. В результате только часть испаряемого вещества попадает на резонатор.

Рассмотрим схему пьезорезонансного датчика ПР. Насчитываются десятки типов генераторов с пьезоэлектрической стабилизацией, применяемых в современной радиоэлектронной аппаратуре. Значительная часть из них используется и в пьезорезонансных датчиках. В подавляющем большинстве случаев генераторы выполняются на основе биполярных и полевых транзисторов, реже – на туннельных диодах. Подробный анализ особенностей различных типов генераторов выходит за рамки настоящей работы. Вопросам проектирования этих схем посвящены многочисленные публикации и статьи [7,8,9].

При разработке датчиков к входящим в их состав автогенераторам предъявляется совокупность требований. Основным среди них обычно являются: малая временная и режимная нестабильность; высокий уровень выходного сигнала; надежность возбуждения автоколебаний при изменении сопротивления резонатора в широких пределах; исключение паразитных колебаний; малый уровень выходных шумов; возможность работы с вынесением на расстояние от нескольких метров до нескольких десятков метров пьезорезонатором; малые габаритные размеры и масса; возможность подстройки номинальной частоты генератора.

Для повышения чувствительности ПРД нередко применяют [10] возбуждение резонаторов на высших гармониках. При использовании полевых транзисторов за счет большого входного сопротивления значительно уменьшается паразитное шунтирование резонатора и резко (до 100-1000 мкВт) снижается потребление генератора, что особенно важно при автономном питании датчиков. Малое потребление при малых габаритных размерах характерно и для автогенераторов на туннельных диодах.

В случаях, когда требования к стабильности частоты невысоки (10-4 – 10-6), можно применять автогенераторы, выполненные на логических элементах, характеризующиеся малыми габаритными размерами и надежностью.

В ряде практических случаев (высокие температуры, радиация) размещение электронного блока датчика в непосредственной близости от пьезорезонатора исключительно. Здесь применяются схемы с согласующим коаксиальным кабелем. На рабочей частоте 10-15 МГц при длине кабеля 100-200 м обеспечивается кратковременная нестабильность не более 10-8. В подобных схемах особое внимание должно уделяться проблеме влияния температуры. Температурный дрейф электрических параметров кабеля, прежде всего его погонной емкости, приводит к дрейфу рабочей частоты. При возбуждении через коаксиальный кабель важно, чтобы в схеме генератора одна из выходных клемм резонатора была заземленной [10].

В ПРД повышенной точности стабильность характеристик в значительной степени определяется постоянством уровня рассеиваемой на пьезорезонаторе мощности.В этих случаях оправдано введение в схему цепей автоматического регулирования усиления (АРУ). Регулирование усиления обычно осуществляется либо за счет изменения режима усилителя, либо изменением его нагрузки.

Наиболее распространенный вариант ПРД – дифференциальная схема. Схема содержит два автогенератора и формирователь сигнала разностной частоты ФСРЧ. Измеряемое воздействие модулирует частоту либо одного из резонаторов, либо обоих. В последнем случае знаки изменения частот противоположны.

Использование дифференциальных схем позволяет значительно снизить погрешности нуля измерительного преобразователя. По сравнению с недифференциальной схемой аддитивные погрешности дифференциального ПРД уменьшаются на порядок и более.

В дифференциальной схеме с двумя перестраиваемыми резонаторами существенно увеличивается линейность преобразования. Применение дифференциальной схемы устраняет проблему передачи высокочастотных информационных сигналов по линиям связи: частота выходного сигнала дифференциальных ПРД лежит от нуля до десятков килогерц.

Современная технология обеспечивает настройку частоты пьезорезонаторов с точностью до единиц седьмого знака (около 1 Гц для резонаторов частотой 5 МГц). Реально начальная разностная частота двух автогенераторов АГ1 и АГ2 из-за не идентичности параметров, влияния дестабилизирующих факторов и других причин отличается от требуемой. В этом случае предусматривается установка нуля, которая производится при помощи подстроечного конденсатора или (реже) индуктивности. Конденсатор включается, как правило, последовательно с резонатором. Увеличение емкости приводит к понижению частоты. Диапазон перестройки примерно равен межрезонансному промежутку ПР и для кварцевых резонаторов составляет около 0,05 % номинальной частоты. Когда требуется дистанционная установка нуля, в качестве подстроечной емкости удобно применять варикап, управляя им от источника напряжения, вынесенного из прибора.

Для формирования сигнала разностной частоты обычно прибегают к смешению двух частот на нелинейных элементах (диодах, транзисторах) с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей спектра. Иногда операция выделения разностной частоты осуществляется цифровыми методами на логических элементах.

Для надежной передачи на большие расстояния, упрощения ввода сигнала в блок цифровой обработки на выходе схемы, как правило, предусматривают мощный выходной формирователь ВФ, выдающий прямоугольные импульсы разностной частоты. Электронный узел дифференциального датчика приведен в схеме (см. приложение), где применяются два генератора, ФСРЧ и выходной формирователь ВФ. Число компонентов электронной схемы превышает 20 элементов. При выводе такого узла на печатной плате ее размеры обычно составляют не менее 35х35 мм, что в нашем случае является приемлемым. Меньшим числом компонентов характеризуется схема двухмодового генератора, в котором два резонатора дифференциального датчика подключаются параллельно между земляной шиной и базой входного транзистора. Но из-за сложной практической реализации в процессе проектирования и производства печатной платы мы откажемся от ее применения в пользу выше рассмотренного варианта дифференциального датчика.

Частотомер состоит из компаратора сигнала, переключателя режимов работы, синхронизатора цикла измерения, счетчика импульсов, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, клавиатуры, стабилизатора питания. Входной каскад построен на компараторе фирмы Analog Devices AD8561AR. Этот компаратор имеет типовое значение задержки около 7 нс.

Сигнал с пьезорезонатора поступает на защитную цепочку R15VD1VD2 и компаратор DA1. Резисторы R19 и R20 формируют гистерезис компаратора для исключения появления дребезга при медленно меняющихся сигналах. На выходе компаратора сигнал представлен парой противофазных логических уровней, согласованных с уровнями логических микросхем частотомера.

Коммутатор режима работы выполнен на цифровом мультиплексоре DD2. Коммутатор переключает сигнал в соответствии с выбранным режимом работы частотомера. Синхронизатор (элементы DD1.2, DD1.2, DD4) формируют сигналы начала и окончания цикла измерения. Счетчик импульсов (DD3) подсчитывает число импульсов во входном сигнале или импульсы заполнения при измерении длительности импульса.

Микроконтроллер (DD5) фирмы ATMEL AT89C52-24JC управляет всеми элементами устройства: коммутатором режимов работы, индикатором, клавиатурой. Тактовая частота 10 МГц для микроконтроллера задается кварцевым резонатором BQ3. При настройке и поверке частотомера частоту тактирования микроконтроллера подстраивают конденсатором С14 к значению точно 10 МГц с помощью промышленного частотомера.

Сигнал с кварцевого резонатора микроконтроллера (сигнал BF) используется и для измерения длительности импульсов. При этом период следования импульсов заполнения равен 100 нс. Таким образом, погрешность измерения длительности импульса также не превышает этого значения. Микроконтроллер работает с использованием внутренней памяти программ (вывод 35 DD5 подключен к шине +5В). При включении питания частотомера микроконтроллер устанавливается в исходное состояние перепадом напряжения, передаваемого конденсатором С13. Клавиатура (кнопки SB1, SB2) используется для выбора режимов работы и параметров частотомера. Кнопкой SB1 (“Режим”) выбирают режим работы, кнопкой SB2 (“Параметр”) – параметр режима. Например, кнопкой SB1 устанавливают режим “Измерение частоты”, а кнопкой SB2 выбирают значение параметра “Время измерения” – 10 с. Примерно через 1 с после выбора режима работы или параметра частотомер автоматически переходит к измерению.

В узле стабилизации. В частотомере применены отечественные микросхемы серии КР1533 (импортный аналог – 74ALS). В качестве счетчика импульсов применена микросхема КР1554 (импортный аналог – 74РС4040) с максимальной частотой 50 МГц, которая и ограничивает диапазон измерения частоты.

Рассмотрим работу частотомера в режиме измерения частоты входного сигнала.

Сигнал с компаратора (цепь F1) поступает на коммутатор режима работы (вывод 4 DD2). Микроконтроллер выставляет логические уровни сигналов А=0 и В=1, а затем выдает сигнал START (лог.1), инициирующий процесс измерения. Триггер DD4.1 переключается и разрешает проходить сигналу на выход коммутатора (вывод 7 DD2) и вход счетчика импульсов (вход 10 DD3).

Микроконтроллер формирует временной интервал, например, длительностью 1 с (сигнал TW). В течение этого времени разрешена передача входного сигнала с выхода компаратора на счетчик импульсов входного сигнала. Импульсы переполнения счетчика DD3 подсчитывает таймер/счетчик 1 микроконтроллера. После выдержки микроконтроллером заданного интервала компаратор защелкивает свой выход (вывод 5 DA1 – LATCH) и счет импульсов входного сигнала прекращается.

Микроконтроллер выставляет логические уровни сигнала А=1, В=1 и считывает из счетчика импульсов (DD3) накопленное число с помощью импульсов «досчета» (сигнал СР). Общее число импульсов в счетчике импульсов за выбранный интервал времени (а это и есть частота сигнала) микроконтроллер подсчитывает по формуле

                                  X×1048576 + Y×4096 + Z                                             (4.1)

где Х – содержимое старших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Y – содержимое младших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Z – содержимое счетчика импульсов (DD3).

Если входная частота очень большая, то возможно переполнение таймера/счетчика 1 микроконтроллера. В этом случае к результату, полученному по предыдущей формуле, микроконтроллер прибавляет еще число 268435456.

Рассмотрим работу частотомера на примере измерения длительности импульса положительной полярности.

Сигналы с выхода компаратора (сигнал F1 для положительного импульса или сигнал F2 для отрицательного импульса) поступают на коммутатор режима работы (DD2). Микроконтроллер выставляет логические уровни сигналов А=0, В=0. Затем выдается сигнал установки триггера DD4.1 в единичное состояние (сигнал WR/CM). После этого выдается сигнал START (лог.1), соответствующий началу измерения. Микроконтроллер ожидает переключения триггера DD4.2. Триггер DD4.1 разрешает проходить импульсам заполнения с элемента DD1.1 на выход коммутатора (вывод 7 DD2).

С началом действия импульса входного сигнала импульсы заполнения (сигнал BF) поступают на вход счетчика импульсов (вывод 10 DD3) через элемент DD1.1 и коммутатор. Импульсы переполнения счетчика DD3 подсчитывает таймер/счетчик 1 микроконтроллера. После окончания импульса входного сигнала триггер DD4.1 переключается в обратное состояние и счет импульсов заполнения прекращается. По сигналу END микроконтроллер выставляет сигналы А=1, В=1 и считывает из счетчика импульсов (DD3) накопленное значение с помощью импульсов досчета (сигнал CP). Длительность измеряемого импульса микроконтроллер подсчитывает по формуле

                     (X×1048576 + Y×4096 + Z)х100                                            (4.2)

где Х – содержимое старших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Y – содержимое младших 8 разрядов таймера/счетчика 1 микроконтроллера;

Z – содержимое счетчика импульсов (DD3).

100 – период следования заполняющих импульсов, равный 100 нс.

Таким образом, при измерении длительности импульса временными воротами является сам импульс. Для определения длительности отрицательного импульса микроконтроллер выставит логические уровни сигналов А=1, В=0.

5.2. Сопоставление условий эксплуатации и технических условий на использование элементной базы

Проведем сравнительную оценку заданных условий эксплуатации и допустимых эксплуатационных параметров радиоэлементов, использованных в данном устройстве.

Из справочной литературы [13], [14] имеем данные об условиях эксплуатации конденсаторов следующих типов:

  1.  керамические монолитные К10-17:

-- диапазон рабочих температур от –60 до +1250С

-- номинальное напряжение 50 В

-- тангенс угла потерь 0,0015

-- срок сохраняемости 12 лет

  1.  для конденсаторов типа К50-16:

-- диапазон рабочих температур от –40 до +700С

-- относительная влажность воздуха при 400С до 98%

-- атмосферное давление от 1,3 до 2942 ГПа

-- тангенс угла потерь в нормальных климатических условиях 15 – 40%

-- минимальная наработка при температуре 700С 2000 ч

-- срок сохраняемости 5 лет

3) для конденсаторов типа К52-1-10:

-- -- диапазон рабочих температур от –50 до +950С

-- относительная влажность воздуха при 400С до 98%

-- тангенс угла потерь 0,002

-- минимальная наработка при температуре 700С 4000 ч

-- срок сохраняемости 8 лет

4) для переменных конденсаторов типа КП1-4-2:

-- диапазон рабочих температур от –60 до +1300С

-- относительная влажность воздуха при 400С до 98%

-- атмосферное давление от 1,3 до 2942 ГПа

-- тангенс угла потерь в нормальных климатических условиях 15 – 40%

-- минимальная наработка при температуре 700С 2000 ч

-- срок сохраняемости 6 лет

Сопоставляя заданные условия эксплуатации нашего устройства и условия эксплуатации конденсаторов, делаем вывод, что элементы данных типов пригодны для применения.

Из справочной литературы [11], [12] имеем данные об условиях эксплуатации резисторов следующих типов:

  1.  МЛТ (номинальная мощность 0,125;0,25;0,5 Вт):

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока 250, 500 В

-- минимальная наработка 25000 ч

-- срок сохраняемости 15 лет

  1.  Резисторы СП-1-2:

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока 250, 500 В

-- минимальная наработка 14000 ч

-- срок сохраняемости 9 лет

Сопоставляя условия эксплуатации нашего устройства и условия эксплуатации резисторов, делаем вывод, что элементы данных типов пригодны для применения.

Из справочной литературы [15], а также технических условий имеем следующие данные об условиях эксплуатации микросхем:

1) серии К1533, КР1554:

-- интервал рабочих температур от –50 до +800С

-- многократное циклическое изменение температуры от –50 до +700С

-- относительная влажность воздуха при 200С до 98%

-- атмосферное давление 6,7102 до 3105 Па

-- напряжение питания 55% В

2) фирмы ATMEL:

-- интервал рабочих температур от –55 до +900С

-- относительная влажность воздуха при 200С до 98%

-- атмосферное давление 6,7102 до 3105 Па

-- напряжение питания 710% В

Сопоставляя заданные условия эксплуатации нашего устройства и условия эксплуатации, заключаем, что выбранная серия микросхем пригодна для эксплуатации в заданных условиях.

Из справочной литературы [16], [17] имеем данные об условиях эксплуатации диодов следующих типов:

  1.  КД522Б:

-- температура окружающей среды от –60 до +1000С

-- минимальный ток стабилизации 3 мА

-- максимальный ток стабилизации 55 мА

-- рассеиваемая мощность при Т= -60…+500С 300 мВт

-- температурный коэффициент напряжения стабилизации в диапазоне рабочих температур 0,05 %/К

Сопоставляя заданные условия эксплуатации нашего устройства и условия эксплуатации диодов, делаем вывод, что элементы выбранных типов пригодны для применения.

Из справочной литературы [18], [19] имеем данные об условиях эксплуатации транзисторов следующих типов:

  1.  КТ340Б:

-- диапазон рабочих температур от –40 до +850С

-- температура перехода 398 К

-- тепловое сопротивление переход-кристалл 10 К/Вт

-- постоянный ток коллектора 0,5 А

-- постоянный ток базы 0,3 А

  1.  КТ345А:

-- диапазон рабочих температур от –40 до +850С

-- температура перехода 388 К

-- постоянный ток коллектора 30 мА

Сопоставляя заданные условия эксплуатации нашего устройства  и условия эксплуатации транзисторов, делаем вывод, что элементы выбранных типов пригодны для эксплуатации.

Из справочной литературы [11], [16], [17] на соответствующие элементы имеем данные об условиях их эксплуатации.

  1.  Гнездо гаО.364.003ТУ:

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- постоянный прямой ток 0,02 А

  1.  переключатель МТ-1:

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- атмосферное давление 2…104 кПа

-- сопротивление электрических контактов 0,02 Ом

-- максимальное число коммутаций 104

-- относительная влажность при Т= +350С до 98%

  1.  Розетка РД1:

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- сопротивление электрических контактов 0,02 Ом

-- число полюсов 2

-- максимальное напряжение 260 В.

4) Пьезорезонаторы фирмы ЛАМО:

-- температура окружающей среды от –60 до +700С

-- атмосферное давление 2…164 кПа

-- максимальный ток 60 мА

Сопоставляя заданные условия эксплуатации нашего устройства и условия эксплуатации рассматриваемых элементов, делаем вывод, о возможности их применения в коммутаторе.

5.3. Анализ органов управления, индикации и присоединения
Согласно схеме электрической принципиальной органами управления являются: клавиатура (кнопки SB1, SB2) используется для выбора режимов работы и параметров частотомера. Кнопкой SB1 (“Режим”) выбирают режим работы, кнопкой SB2 (“Параметр”) – параметр режима. Например, кнопкой SB1 устанавливают режим “Измерение частоты”, а кнопкой SB2 выбирают значение параметра “Время измерения”.
В качестве индикатора применен алфавитно-цифровой LCD-модуль ITM1602ASR с двумя строками по 16 символов. В первой строке отображается режим работы и параметры частотомера, а во второй строке – измеренное значение. Подстроечным резистором R22 можно отрегулировать контрастность изображения индикатора. Индикатор подключается к разъему XS1 и может быть установлен непосредственно на плату. Подключенный через дополнительный кабель индикатор размещен на передней панели корпуса.
Названные органы управления и индикации целесообразно вывести на переднюю панель прибора. Дополнительным органом в приборе является держатель предохранителя, который расположен на задней панели прибора. Органами присоединения являются гнезда XS.

Данная компоновка органов управления, индикации и присоединения обеспечивает удобство пользования прибором, отвечает современным требованиям конструирования РЭА.

6. Выбор и обоснование элементной базы, унифицированных узлов, установочных изделий и материалов конструкции
6.1. Выбор элементной базы
Правильно выбранная элементная база позволит обеспечить надежное функционирование составных частей и всего изделия в целом; снизить вероятность возникновения помех из-за несогласованности входов одних элементов с выходами других; получить высокие эксплуатационные характеристики; уменьшить электропотребление за счет применения элементов, изготовленных по передовым технологиям; добиться лучших массогабаритных показателей; повысить ремонтопригодность аппаратуры.
В общем случае критерием выбора ЭРЭ в любом РЭУ является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации.
Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:
  1.  технические параметры ЭРЭ:
номинальные значения параметров ЭРЭ согласно схеме электрической принципиальной;
допустимые рабочие напряжения;
допустимые рассеиваемые мощности;
диапазон рабочих частот;
коэффициент электрической нагрузки;
  1.  эксплуатационные параметры:
     диапазон рабочих температур;
     относительная влажность воздуха;
     давление окружающей среды;
     вибрационные и ударные нагрузки и т.д.
Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются: надежность, унификация ЭРЭ, масса и габариты, стоимость. Выбор элементной базы по вышеуказанным критериям позволяет обеспечить стабильную работу на протяжении всего срока службы изделия.
Применение принципов стандартизации и унификации при конструировании изделия в целом позволяет получить следующие преимущества:
  1.  значительно сократить сроки и стоимость проектирования;
  2.  создать специализированные производства стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятий;
  3.  сократить на предприятии-изготовителе номенклатуру применяемых деталей и сборочных единиц;
  4.  улучшить производственную и эксплуатационную технологичность;
  5.  снизить себестоимость выпускаемого изделия.
Учитывая вышесказанное, перейдем к выбору элементной базы разрабатываемого кварцевого измерителя толщины оптических напыленных покрытий.
Сравнительный анализ по использованию элементной базы в устройстве (см. п. 5.2) согласно схеме электрической принципиальной показал соответствие эксплуатационных и технологических характеристик ЭРЭ заданным условиям эксплуатации. Этими элементами являются: микросхемы DD1, DD2, DD4 серии К1533, DD3 серии КР1554, фирмы ATMEL AT89C52-24JC и AD8561AR; транзисторы: VT1, VT4, VT5 типа КТ345A, VT2, VT3, VT6 типа КТ340Б; диоды VD1, VD2 типа КД522Б; конденсаторы С1-С4, С7, С8, С10 типа К10-17, С5, С6, С9, С11, С12 типа К50-16, С13 типа К52-1, С14 типа КП1-2; пьезорезонаторы BQ1, BQ2 50 МГц и BQ3 типа 10 МГц. Переключатели данного прибора выбраны типа МТ1. В приборе целесообразно применить в качестве постоянных резисторов резисторы типа МЛТ с допустимой мощностью рассеяния 0,125; 0,25; 0,5 и допуском 10%. Трансформатор питания выбран типономинала ТПП-220-127/220-50, он имеет следующие эксплуатационные характеристики: температура окружающей среды от –60 до +850С; относительная влажность воздуха при +400С до 98%; атмосферное давление от 400 до 790 мм рт. ст.; температура перегрева обмоток в нормальных условиях, не более +550С; срок службы не менее 10000 ч. Органом индикации служит алфавитно-цифровой LCD-модуль ITM1602ASR с двумя строками по 16 символов. Держатель сетевого предохранителя типа ДПБ выбран по ГОСТ 6225-73.
В результате сопоставления условий эксплуатации разрабатываемого прибора и условий эксплуатации применяемых в нем ЭРЭ произведен выбор элементной базы. Выбранная элементная база является унифицированной.
6.2. Выбор материалов конструкции
Выбор материалов конструкции разрабатываемого изделия проводим согласно требованиям, изложенным в техническом задании.
Материалы конструкции должны обладать следующими свойствами:
  1.  иметь малую стоимость;
  2.  легко обрабатываться;
  3.  быть легкими;
  4.  обладать достаточной прочностью и жесткостью;
  5.  внешний вид материалов кожуха, лицевой и задней панели должен отвечать требованиям технической эстетики;
  6.  сохранять свои физико-химические свойства в процессе эксплуатации.
Применение унифицированных материалов в конструкции, ограничение номенклатуры применяемых деталей позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность. Сохранение физико-химических материалов в процессе их эксплуатации достигается выбором для них необходимых покрытий. Изготовление деталей конструкции типовыми технологическими операциями также позволяет снизить затраты при серийном выпуске изделия в промышленности. Для разрабатываемого прибора целесообразно применение деталей изготовленных штамповкой. Штамповочные детали изготавливаются двумя группами технологических операций: разделительные и формообразующие. К первой группе относятся операции отрезки, вырубки, пробивки и т.п., применяемые для производства деталей из листового материала. Ко второй группе относятся операции гибки, вытяжки, высадки и т.п. Штамповка листовых материалов обеспечивает малую трудоемкость и стоимость изготовления деталей, высокую точность размеров. На технологичность конструкции штамповочных деталей оказывают влияние ограничения в формообразовании для выбранного материала, величина допуска на размер и форму детали, требования к чистоте поверхности. Стоимость штамповочной детали тем меньше, чем проще ее форма и размеры. Переднюю панель и корпус изготавливаем из углеродистой стали 10кп, которая обладает высокой пластичностью, вязкостью, имеет низкий предел текучести, отличается высокой чистотой поверхности, хорошо окрашивается.
Для изготовления печатной платы используем стеклотекстолит марки СФ-2-35-1,5. Одним из достоинств стеклотекстолита, определившим применение его в качестве материала платы является повышенная стойкость к температуре. Стеклотекстолит марки СФ-2 может работать при температуре 1800С около 100 часов, а также выдерживает и более высокие температуры на короткий промежуток времени. С целью обеспечения хорошей смачиваемости печатной платы припоем, для защиты поверхности меди от окисления, а следовательно, и для достижения хорошей пайки сформированный рисунок проводников покрыт сплавом «Розе». Покрытие способствует также снижению суммарного сопротивления печатных проводников электрическому току.
Материалы, применяемые в данной конструкции, сведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1- Наименование материалов деталей, применяемых в коммутаторе
Наименование изделия
Марка материала
Покрытие
Корпус, лицевая панель
Плата печатная
Крепеж
Сталь 10кп
СФ-2-35
Сталь 45
Ц9.хр
Сплав «Розе»
Ц9.хр
Выбранные материалы отвечают требованиям технического задания.
7. Выбор и обоснование компоновочной схемы, метода и
принципа конструирования
Основная задача, решаемая при компоновке РЭА, – это выбор форм, основных геометрических размеров, ориентировочное определение веса изделия и месторасположение в пространстве радиоэлементов и элементов несущих конструкций. При компоновке изделия необходимо учитывать электрические, магнитные,  механические, тепловые и другие виды связей. Учет видов связей и оптимальное расположение радиоэлементов в конструкции позволяет обеспечить надежную работу устройства в целом при высокой его ремонтопригодности.
Суть функционально-узлового метода конструирования РЭА заключается в объединении части схемы электрической принципиальной изделия в конструктивно-технологически законченный узел, способный выполнять частную задачу. Конструкция монтажа обеспечивает свободный доступ ко всем ЭРЭ с целью их осмотра, проверки, замены. Крепление печатной платы к шасси прибора осуществляется через разделительные цилиндрические стойки с помощью крепежных винтов, проходящих через крепежные отверстия в плате. Сетевой трансформатор, являющийся наиболее крупногабаритным ЭРЭ, расположен на периферии шасси и крепится с помощью четырех винтов. Тепловой режим работы ЭРЭ обеспечивается собственной конвекцией воздуха внутри корпуса. Включение прибора осуществляется переключателем типа МТ1, который выведен на переднюю панель. Клавиатура также выведена на переднюю панель. На задней панели расположен держатель сетевого предохранителя. На панели нанесены поясняющие надписи. Механическое соединение лицевой панели с корпусом осуществляется посредством их привинчивания. К шасси прибора привинчены четыре пластмассовые виброизолирующие ножки. Электрический монтаж блоков выполнен гибким монтажным проводом. Крепление проводов к шасси прибора осуществляется с помощью принципиальных монтажных скоб из пластмассы, отдельные провода сведены в жгут.
Разработанная конструкция с внутренней компоновкой прибора обеспечивает высокую ремонтопригодность изделия, удобство в эксплуатации, отвечает требованиям производственной технологичности.

7.1. Выбор и обоснование компоновочной схемы

Выбор компоновочной схемы РЭС определяется следующими факторами: габариты; масса; объем монтажных соединений; способы защиты от помех, температуры, механических воздействий; ремонтопригодность.

Для обоснования выбранной компоновочной схемы рассмотрим непосредственно существующие на практике варианты компоновок приборов и блоков.

Компоновочная схема блоков питания. Данный вид схемы в настоящее время оправдан лишь для блоков питания, когда требуется достаточная жесткость конструкции и удобно расположить тяжелые и крупные элементы (трансформаторы, радиаторы с полупроводниковыми приборами, электролитические конденсаторы фильтров и т. п.) сверху горизонтальной панели шасси, а основные детали внизу.

Компоновочная схема легкосъемных блоков. Данный вид схемы может применяться для легкосъемных блоков РЭА, имеющих вытянутую форму. Задняя стенка служит как для увеличения жесткости, так и для установки разъемов.

Компоновочная схема для легкосъемных субблоков. Данная схема применяется для легкосъемных субблоков и состоит из панели, печатной платы и разъема.

Каркасная, рамочная, панельная компоновочная схемы. Эти виды компоновочных схем в настоящее время получили наиболее широкое применение. В них, используя профилированные (круглые или прямоугольные) стяжки, можно собрать панельную конструкцию блока (две боковые панели и четыре стяжки)[22].

В общем случае, различают три основных вида компоновочных схем РЭС [29]:

  •  централизованная;
  •  децентрализованная;
  •  централизованная с автономными пультами управления.

Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками.

При централизованной компоновке все элементы сложной системы располагаются в одном отсеке на специальных этажерных конструкциях или шкафах, длина и количество межблочных соединений сведены к минимуму, ремонт и демонтаж наиболее удобны, легче выполнить качественные системы охлаждения и амортизации. Такая компоновочная схема требует более тщательной экранировки, вызывает затруднения связанные с компоновкой изделия, часто требующей доработки его, обладает не очень надежной системой охлаждения, герметизации, виброзащиты.

Децентрализованная компоновочная схема обеспечивает относительно большую легкость размещения элементов изделия на объекте, не требуется  тщательная экранировка отдельных блоков, при соответствующих схемных решениях может быть более надежной, сохраняя частичную работоспособность при выходе из строя отдельных элементов изделия. Недостатком является значительная длина межблочных соединений, затруднен полный демонтаж системы, для каждого отдельного блока необходимо предусматривать автономные системы охлаждения, виброзащиты.

Наиболее распространен способ централизированной компоновки, при котором все элементы сложной РЭС, кроме входных и управляющих устройств, располагают в одном участке или отсеке блока. Однако внутри этого отсека компоновка выполняется в виде совокупности отдельных блоков и приборов [29].

Исходя из вышеперечисленного для разработки кварцевого измерителя была выбрана панельная компоновочная схема. Основной конструкции корпуса является основание с передней и задней панелями, изготовленное из листовой стали, и крышки, одеваемой сверху. Крышка крепится к шасси винтами, что обеспечивает легкий доступ к органам настройки.

7.2. Выбор и обоснование метода и принципа конструирования

На основе проведенного разбиения электрической схемы и анализа существующих конструкций выбирается метод конструирования устройства в целом  и его частей. Существующие методы конструирования РЭС подразделяются на три взаимосвязанные группы [23]:

  •  по видам связей между элементами;
  •  по способу выявления и организации структуры связей между элементами;
  •  по степени автоматизации конструирования РЭС (зависит от назначения аппаратуры и ее функций, преобладающих связей, уровня унификации, автоматизации и т. д.).

Кратко рассмотрим сложившиеся методы конструирования РЭС.

Геометрический метод. В основу которого положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых  зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств твердого тела.

Топологический метод. В основу метода положена структура физических связей между ЭРЭ. Топологический метод, в принципе, может применяться для выявления структуры любых связей, однако конкретное его содержание проявляется там, где связям элементов можно сопоставить граф.

Машиностроительный метод. В основу этого метода конструирования положена структура механических связей между элементами, представляющая собой систему опорных поверхностей. Машиностроительный метод используется для конструирования устройств и элементов РЭС, которые несут большие механические нагрузки и в которых неизбежны значительные деформации.

Метод проектирования моноконструкций. Основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, РЭС на основе оригинальной несущей конструкции в виде моноузла (моноблока) с оригинальными элементами.

Базовый модульный метод конструирования. В основу которого положен модульный принцип проектирования. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями, схемной конструкторской унификацией структурных уровней (модулей функциональных узлов, блоков). Базовый метод является основным при проектировании современных РЭС, он имеет много преимуществ по сравнению с методом моноконструкций:

  •  на этапе разработки позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки проведения разработок; упрощает процесс отладки и сопряжения узлов, так как работа любого функционального узла определяется работой известных модулей, резко упрощается конструирование и макетирование; сокращает объем оригинальной конструкторской документации, дает возможность непрерывно совершенствовать РЭС без коренных изменений конструкции; упрощает и ускоряет внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию;
  •  на этапе производства сокращает сроки освоения серийного производства  РЭС; упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников; снижает стоимость благодаря широкой механизации и автоматизации производства; повышает степень специализации производства;
  •  повышает эксплуатационную надежность РЭА, облегчает обслуживание, улучшает ремонтапригобность.

При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость, стабильность, требования прочности и жесткости, помехазащещенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта. Размещение комплектующих элементов в модулях всех уровней должно быть равномерным с максимальным заполнением конструктивного объема, с учетом удобного доступа для осмотра, ремонта и замены. Для устойчивого положения изделия в процессе эксплуатации центр тяжести должен находиться как можно ближе к опорной поверхности. При компоновки модулей всех уровней необходимо учитывать пространства для межсоединений.

С учетом вышеперечисленных требований к конструкции разрабатываемой РЭС и рассмотренных выше методов конструирования мы выбираем базовый (модульный) принцип конструирования.

В корпусе кварцевого измерителя плата модуля управления и индикации, плата источника питания и плата сетевого фильтра расположены горизонтально и крепятся к основанию винтами. На передней панели установлен блок переключателей. На задней панели размещены: блок умножения, блок входа, клемма для подключения заземления, держатель предохранителя, втулка для сетевого шнура и кнопка сети питания.

8. Выбор способов и устройств теплозащиты, герметизации,
виброзащиты и экранирования
РЭА с точки зрения теплофизики представляет сложную систему большого числа источников и стоков тепла с границами неправильной формы. При эксплуатации любого устройства РЭА внутри его устанавливается неоднородное и неравномерно распределенное температурное (тепловое) поле, т.е. устанавливается тепловой режим (ТР). Основной характеристикой ТР является температура, или перегрев относительно окружающей среды. Тепловой режим блока РЭА при естественном воздушном охлаждении зависит от многих факторов: конструкции корпуса, его геометрических размеров, физических свойств материалов, режимов работы, системы охлаждения.

Основная цель герметизации – предотвращение воздействия внешних климатических факторов. Выбор способа герметизации обуславливается совокупностью требований к конструкции: условиями реализации нормального теплового режима, ремонтопригодностью, элементоемкостью реализуемой схемы, плотностью компоновки, рядом эксплуатационных требований и надежностью.

Различают индивидуальную, общую, частичную и полную герметизацию [26].

Индивидуальная допускает замену компонентов РЭС при выходе из строя и ремонт изделия. При общей герметизации (она проще и дешевле индивидуальной) замена компонентов и ремонт возможны только при демонтаже корпуса, что может вызвать некоторые затруднения.

Для частичной герметизации применяют пропитку, обволакивание и заливку как компонентов, так и РЭС лаками, пластмассовыми или компаундами на органической основе. Они как правило, не обеспечивают герметичность в течении длительного времени.

Практически полная защита РЭС от проникновения воды, водяных паров и газов достигается при использовании металлов, стекла и керамики с достаточной степенью непроницаемости. Наиболее распространенные способы такой герметизации как  применение металлических корпусов с воздушным заполнением.

Важным фактором повышения эффективности герметизации является лакокрасочные, гальванические и химические покрытия пропитывающих, обволакивающих и заливочных материалов, металлического и металло-полимерного гермокорпусов.

Разъемная герметизация применяется для защиты блоков РЭС, требующих замены компонентов при ремонте, регулировке и настройке.

Общие требования к покрытиям металлическим  и неметаллическим неорганическим установлены ГОСТ 9.301-86 (СТ СЭВ 5293-85, СТ СЭВ 5294-85, СТ СЭВ 5295-85).

Требования к поверхности основного металла: под защитные покрытия R, не грубее; под защитно-декоративные R не грубее; под твердые и электроизоляционные R не грубее.

Данные о покрытиях деталей и сборочных единиц разрабатываемой конструкции сведены в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 - Данные о покрытиях деталей и сборочных единиц конструкции

Детали, сборочные единицы

Материал

Вид покрытия

Химическое

Лакокрасочное

Корпус:

         основание

кронштейн

          втулка

          пластина

Ст3

Ст3

АМц

Ст3

-

-

Ан.Окс

-

МЛ-12

МЛ-12

МЛ-12

МЛ-12

Плата печатная

СФ-35-2

-

УР-231

Обрамление

АМц

Ан.Окс

МЛ-12

Крышка:

           основание

            втулка

Ст3

АМц

-

Ан.Окс

МЛ –12

МЛ-12

Ан. Окс – покрытие окисное, полученное способом анодного окисления основного металла в электролите, толщина не нормируется. Используется по алюминию и алюминиевым сплавам как защитное.

Эмаль МЛ-12 ГОСТ 9754-76 покрытие эмалью МЛ-12, цвет белый и черный, эксплуатируется в условиях умеренного климата. Эмаль МЛ-12 предназначена для покрытия металлических поверхностей, работающих в условиях умеренного и холодного климата. Стойкость эмали к статическому воздействию воды не менее 24 ч.

Вибрации подвержены РЭС, установленные на автомобильном, железнодорожном транспорте, в производственных зданиях, на кораблях и самолетах.

Диапазон частот вибрации, действующих на РЭС, имеет широкий диапазон. Например, для наземной аппаратуры, переносимой или перевозимой на автомашинах, частота достигает 120 Гц при ускорении, действующем на приборы до 6 g. Работающие в таких условиях РЭС должны обладать вибропрочностью и виброустойчивостью.

Вибропрочность - способность РЭС противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и возникающих при этом ускорениях в течении срока службы.

Виброустойчивость – способность выполнять свои функции в условиях вибрации в заданных диапазонах частот и возникающих при этом ускорениях.

Известно, что в приборах, не защищенных от вибрации и ударов, узлы чувствительные к динамическим перегрузкам выходят из строя. Делать такие узлы настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные (действующие) динамические перегрузки, не целесообразно, так как увеличение прочности ведет к увеличению массы, а вследствие этого и к возрастанию динамических перегрузок. Поэтому целесообразно использовать другие средства для снижения перегрузок [27].

В УЦИ применено два вида соединений: разъемные и неразъемные. К первым относятся в основном резьбовые соединения, ко второму – пайка, сварка, развальцовка.

На разрабатываемое УЦИ в соответствии с рабочими условиями применения и предельными условиями транспортирования (ГОСТ 22261-82) влияет транспортная тряска.

Исходя из значений допустимых воздействующих факторов при эксплуатации ИЭТ можно сделать вывод о необходимости защиты от механических воздействий следующими основными мерами:

  1.  Покрытие лаком печатной платы кварцевого измерителя. Эта мера основана на том, что покрытие платы лаком не только обеспечивает защиту от вибрации, но и создает дополнительные точки крепления ЭРЭ к плате.
  2.  Разрабатываемый кварцевый измеритель крепится шестью винтами к основанию корпуса, что значительно повышает стойкость печатной платы к воздействию механических нагрузок.
  3.  Печатная плата крепится на специальных втулках, которые, в свою очередь, крепятся к корпусу неразъемным соединением – развальцовкой.
  4.  Некоторые несущие элементы (кронштейны, планки и др.) крепятся к корпусу сварными соединениями.

При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становятся источниками электромагнитных полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных помех могут быть также мощные промышленные установки, транспортные коммутации, двигатели и т.д. Для того, чтобы  локализовать, где это возможно, действие источника или самих помех, используют экраны. По принципу действия различают электростатическое, магнитостатическое и электростатическое экранирование.

Электростатическое экранирование – вид экранирования, заключающийся в шунтировании большой части (или всей) паразитной емкости емкостью корпуса.

Электромагнитное экранирование. Переменное высокочастотное электромагнитное поле при прохождении через металлический лист либо перпендикулярно, либо под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего поля. Металлический лист в данном случае является электромагнитным экраном. Примером электромагнитного экрана служит корпус блока интерфейсных адаптеров.

Внутри блочное экранирование и электромагнитная совместимость элементов и узлов сводится к решению ряда конструктивных задач, основными из которых являются:

  •  анализ и учет паразитных емкостных связей, между пленочными элементами и проводниками объединенного и выводного монтажа в ячейках  блоков РЭС;
  •  покаскадное экранирование и последовательное расположение  каскадов в блоках приемно-усилительной аппаратуры;
  •  экранирование ЭРЭ с сильными полями и критичных к внешним электромагнитным наводкам;
  •  расчет на резонансные частоты корпусов блоков РЭС, реализующих схему СВЧ [28].

Экранирование провода, коаксиальные кабели и многожильные экранированные шланги с экранированными проводами внутри них следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом. Они позволяют защитить многоблочные устройства от наводок, поступающих из вне, от взаимных наводок внутри устройства и защитить от наводок приборы, находящиеся в окружающем пространстве. Следует уделить особое внимание на качество присоединения оплеток к корпусам приборов [28].

Применительно к разрабатываемой конструкции кварцевого измерителя следует отметить, что подключение преобразователя линейных перемещений осуществляется посредством экранированного кабеля. Кроме того, своего рода  защитой от электромагнитных полей служит металлический корпус, к которому подключается общая шина заземления. В цепи питания модуля управления и индикации использованы развязывающие конденсаторы, с помощью которых снижается влияние электромагнитных полей между ЭРЭ.

9. Расчет параметров кварцевого резонатора.

9.1. Предварительные оценки.

Под масс-чувствительностью понимают зависимость частоты fp пьезоэлектрического резонатора от значения присоединяемой к его поверхности массы m вещества. Зависимость резонансной частоты fp(m) является следствием зависимости

                                                      fp=,                                                   (9.1)

где  – скорость упругой волны; h – резонансный размер.

Если увеличить резонансный размер пьезоэлемента на h, то пропорционально уменьшится и резонансная частота. При

                                                 D f/ fp= – D h/h.                                           (9.2)

При этом приращение массы составляет.                                                             

                                                Dm= DhS^                                                 (9.3)

где – плотность пьезоматериала; S^ – поверхность пьезоэлемента, нормальная к резонансному направлению, в котором происходит «наращивание» слоя Dh.

Предполагается, что Dh=const по всей поверхности S^. Используя (9.2) и (9.3), находим, что

                                             D f/ fp= – D m/M,                                              (9.4)

где М – масса пьезоэлемента.

Соотношение (9.4), справедливое для случая, когда материалы пьезоэлемента и наращиваемого слоя полностью идентичны, позволяет оценить потенциальные возможности пьезорезонаторов с точки зрения их масс-чувствительности.

Прежде всего, из (5.2) вытекает, что относительные приращения толщины h/h могут регистрироваться практически с тем же разрешением, с каким регистрируются относительные изменения частоты, т.е. на уровне

                                                Dh/h = D f/ f » 10-7¸10-10.                               (9.5)

Если использовать высокочастотные резонаторы с колебаниями по толщине, то резонансный размер имеет порядок h»0,1мм (fp=15МГц), откуда минимально регистрируемое приращение толщины Dhmin составляют

                                          Dhmin = (D f/ f)min h=10-8¸10-11 мм.                       (9.6)

    Диаметр резонаторов D обычно лежит в пределах от 10 до 20 мм; используя (9.6), находим, что минимально регистрируемое приращение массы  составляют

                                  Dmmin = Dhmin»10-8¸10-11 г,                             (9.7)

а минимально регистрируемые приращения массы на единицу поверхности

                                       Dmmin / S^= Dhmin»10-9¸10-12 г/см2.                   (9.8)

Если сравнить полученное значение Dmmin / S^ с аналогичной характеристикой лучших приборов для микровзвешивания, использующих другие принципы работы, то окажется, что пьезорезонансный метод измерения микромасс обладает разрешающей способностью на три порядка выше. Это и является основной причиной широкого использования пьезорезонаторов при решении самых различных задач микровзвешивания.

Высокая масс-чувствительность, присущая пьезорезонаторам, была обнаружена давно и традиционно использовалась для подстройки резонаторов на номинальную частоту (подшлифовка электродов позволила повысить частоту, а нанесение дополнительной массы частоту понижало). Разработка ПРД на основе масс-чувствительных резонаторов началась после публикации в 1959 г. исследований Г. Зауэрбрея. На сегодня датчики на масс-чувствительных резонаторах – один из наиболее распространенных типов ПРД.

Масс-чувствительный резонатор может рассматриваться как преобразователь масса–частота либо как преобразователь толщина–частота. В первом случае его удобно характеризовать чувствительностью по массе Сm=f/m’, во втором – чувствительностью по толщине Сh=f/h’ (m’ и h’ – соответственно масса и толщина присоединяемого покрытия). Из (9.2) и (9.4), имея в виду соотношение N= fph, находим

                                                         Сm=;                                          (9.9)

                                                           Сh= f2/N,                                           (9.10)

где r‘– плотность присоединяемого материала; N – частотная постоянная.

Чувствительности Сm и Сh растут как квадрат частоты f, откуда ясно, что для получения высокой крутизны преобразования целесообразно применять высокочастотные резонаторы  с колебаниями сдвига по толщине или контуру. Вопрос об окончательном выборе можно решить рассмотрев работу масс-чувствительных резонаторов с энергетической точки зрения.

9.2. Энергетика колебаний масс-чувствитеных пьезорезонаторов.

Резонансные механические колебания в упругом твердом теле могут быть охарактеризованы как процесс периодических (с частотой, вдвое большей резонансной) взаимных превращений кинетической К и потенциальной Р видов энергии.

Кинетическая энергия (энергия движения) определяется распределением амплитуды смещений ui по объему пьезоэлемента:

                                                       К= (2pf)2 ,                           (9.11)

потенциальная энергия (энергия, запасаемая в результате упругих деформаций):

                                                       Р=,                                     (9.12)

где r, ui, Sij, Tij – соответственно плотность, амплитуда смещений, деформация и напряжения.

Деформация Sij и смещения ui распределены по пьезоэлементу не равномерно: деформации максимальны в узловых точках колебаний, а смещения – в пучностях. В то же время деформации равны нулю в пучностях, а смещения – в узлах. Таким образом, кинетическая энергия, определяемая амплитудой смещений, концентрируется вблизи областей пучностей и близка к нулю в окрестностях узлов колебаний. В то же время потенциальная энергия сосредотачивается вблизи узлов колебаний и обращается в нуль в пучностях. Как следует из (9.12), потенциальная энергия определяется упругими модулями cijkl материала, поскольку Тij= cijklSkl.

Присоединение дополнительной массы вызывает изменение потенциальной и кинетической энергий соответственно на величины Р’ и K. Можно показать [1], что изменение может быть представлено соотношением

                                                    .                                      (9.13)

Из соотношения видно, что в приращения частоты дают вклад как приращения потенциальной энергии P, определяемые упругими свойствами присоединяемой пленки, так и приращения кинетической энергии K, не зависящие от упругих характеристик присоединяемой массы. Одним из основных требований к любому измерительному преобразователю является минимальная зависимость его рабочих характеристик от побочных факторов. Для преобразователей на основе масс-чувствительных резонаторов, предназначенных для измерения масс и толщин, таким побочным фактором являются упругие характеристики присоединяемого покрытия, поскольку они у различных материалов различны и зачастую неизвестны.

Из (9.11) и (9.13) следует, что влияние упругих характеристик присоединяемого материала может быть сведено к нулю при выполнении тождества Pº0. Это обеспечивается только при условии, что вся присоединяемая масса сосредотачивается в пучности колебаний.

Для резонаторов с колебаниями по контуру условие может быть выполнено при нанесении покрытий только в очень ограниченных по размеру областях пьезоэлемента, а резонатор с колебаниями толщинного сдвига – единственные обладающие независимостью масс-чувствительности от упругих характеристик присоединяемого покрытия. Для резонаторов с объемными колебаниями других типов эта особенность не обеспечивается.

Резонаторы с колебаниями сдвига по толщине наиболее высокочастотны (а значит, и наиболее масс-чувствительны) и вместе с тем термостабильны (АТ-срез). Это позволяет сделать однозначный вывод. что эти резонаторы – оптимальный тип масс-чувствительных элементов ПРД.

Нетрудно показать, что соотношение

                                                      D f/ fp= – D m/M,                                     (9.14)

справедливо и для случая, когда свойства пленки отличны от свойств пьезоэлемента.

Из (9.11) находим связь частоты с толщиной h и плотностью r присоединяемого материала:

                                                         .                                          (9.15)

Для кварцевых резонаторов АТ-среза (N = 1770 кГц×мм, r = 2,65 г/см3)

                                              D f = 2,3×106  fp2 Dm/ S^,                                 (9.16)

где Dm – масса покрытия, г; fp – частота, МГц; DС – приращения частоты, Гц;

S^ – площадь покрытия, см2.

Если f = 15 МГц, S^ »0,2 см2, то

                                                      D f/D m = 2,6 кГц/мкг.                            (9.17)

Из (9.15) находим, что чувствительность по толщине для резонатора АТ-среза равна

                                                     Сh=.                                   (9.18)

Соотношение  (9.14) получено в предположении, что отношения К’/K, P’/P и соответственно Df/f много меньше единицы. Именно благодаря этому зависимость Df/f от Dm линейна. Обычно Df/ f £0,01¸0,02, так что соотношение (9.14) справедливо. Если условие малости Df/f  не выполняется, то зависимость Df/f  от m более точно описывается соотношением

                                         .                (9.19)

Зависимости Df(Dm) и Df(Dh) нелинейны, поскольку Cm и Chзависят от текущего значения частоты резонатора, уменьшающейся с ростом Dm. Нелинейность не превышает Df/f , т.е. для большинства практических случаев лежит в пределах 1–2 % [3].

9.3. Влияние конструктивных факторов на рабочие характеристики кварцевых пьезорезонаторов (микровесов).

Масс-чувствительные резонаторы (рис.2.1), используемые в приборах микровзвешивания, выполняются в виде тонких пластин или линз с центральными электродами, расположенными с двух сторон пьезорезонатора. Присоединяемая масса может наноситься с одной или двух сторон как на электроды, так и на периферию резонатора.

Экспериментальные исследования показывают, что характер зависимостей f(h’), f(m) чувствительности по толщине Ch и массе Cm, меняется от геометрических размеров, формы пьезоэлемента, электродов и вида материала наносимого покрытия в широких пределах.

Причина расхождения между экспериментальными результатами и теорией масс-чувствительных резонаторов порождается особенностями, присущими резонаторам с локализацией энергии. Как уже отмечалось, колебательная энергия в этих резонаторах распределена по пьезоэлементу неравномерно и сосредоточена в основном в центральной подэлектродной области, причем степень локализации тем выше, чем больше толщина h’ центральной области или коэффициент понижения R= rh’/ rh. Следствием этого является нелинейность зависимости f(h’). Кроме того, на ход зависимости f(h’) влияет соотношение размеров пьезоэлемента и центрального «пятна» (электродов, дополнительных покрытий).

Таким образом, для оптимизации микровесов по линейности и чувствительности необходимо: увеличивать площадь покрытия, создавать предварительную масс-нагрузку центра. При реализации микровесов на основе плоскопараллельных пластин предварительную нагрузку можно создать использовав толстые электроды возбуждения. В микровесах на основе линзовых резонаторов предварительная масс-нагрузка гарантирована специфичностью пьезоэлемента.

Добротность Q ПР определяется из соотношения

                                              Q=2pf1L1/R1,                                                  (9.20)

где R1 – динамическое активное сопротивление, которое определяется суммой различного рода потерь (активных элементов, потерь на излучение УЗ, трение в опорах, внутреннее трение в кристалле, на связанные колебания и т.п.).

Наивысшей добротностью (106-107) обладают кварцевые ПР (для сравнения, добротность обычного колебательного контура не превышает 102, пьезокерамического ПР – 103). Совершенные механические свойства кварца определяют и весьма низкую долговременную нестабильность частоты (10-6-10-8 за месяцы, годы). К достоинствам кварцевого ПР, кроме того, относится высокая температурная стабильность. Наименьшим уходом частоты в сравнительно широком диапазоне температур характеризуются кварцевые ПР с элементами АТ-среза, в которых реализуются колебания сдвига по толщине.

10. Описание конструкции измерительного блока.

Кварцевые датчики толщины пленочных покрытий – частотные преобразователи на основе масс-чувствительных резонаторов. Основное назначение этих устройств – измерение толщины диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пленок в процессе их нанесения; область применения – электронная промышленность, производство интегральных микросхем и т.п.

Кварцевыми толщиномерами в настоящее время оснащено подавляющее большинство установок для вакуумного напыления. Производство кварцевых толщиномеров и приборов контроля процессов напыления освоено рядом промышленных организаций в РБ и зарубежом [1, 5].

Основными элементами конструкции кварцевого толщиномера являются покрытый электродами пьезорезонатор и корпус-кассета, предназначенный для крепления пьезоэлемента и присоединения его в электрическую схему. В корпусе предусмотрено отверстие, через которое поток вещества с испарителя осаждается на пьезорезонатор. Центр отверстия совмещается с центром резонатора. Толщиномер устанавливается в напылительной установке в непосредственной близости от подложки, на которую наносят слои. Это снижает погрешность измерений от пространственной неоднородности потока испаряемого вещества.

Большое влияние на конструкцию толщиномера оказывают погрешности измерений кварцевых толщиномеров, которые обычно лежат в пределах 1-5%. Наиболее весомыми являются методическая погрешность (мультипликативная) и погрешность от воздействия температуры (аддитивная).

Существование методической погрешности вызвано тем, что датчик и подложка находятся в различных точках вакуумной камеры. Уменьшить методическую погрешность можно, например, размещая подложку и датчик на вращающейся карусели, так чтобы суммарные потоки осажденного вещества были для них за время измерения равны.

Воздействие температуры приводит к дрейфу частоты резонатора. Так как температура испарителя может превышать 1000-1300 0С, то потоки тепла с него оказываются весьма значительны и могут изменить среднюю температуру резонатора на 20-100 0С.

Кроме того, из-за однонаправленного переноса тепла от испарителя к датчику резонатор оказывается прогретым неравномерно, температурный градиент вызывает появление термонапряжений и через тензочувствительность возникают дополнительные уходы частоты, изменяющиеся с изменением мощности, излучаемой испарителем. Экспериментально найдено, что вклад от температурных градиентов может составлять . Температурный дрейф частоты толщиномеров можно снизить несколькими способами.

1. Конструктивными средствами снижают воздействие теплового потока на резонатор. Для этого уменьшают сечение отверстия, через которое напыляется пленка, располагают на пути потока перфорированные экраны, помещают толщиномер на максимальном удалении от испарителя, добиваются снижения отражений светового излучения внутри камеры. Разогрев кристалла, вызываемый бомбардировкой его электронами, снижают путем применения магнитной отклоняющей системы, совмещенной с толщиномером.

2. Улучшают отвод тепла при помощи при помощи системы водяного охлаждения, встроенной в толщиномер (рис.2).

3. Применяют схемы стабилизации температуры резонатора, для чего на поверхности толщиномера либо вблизи него располагают датчик температуры. Последний включают в контур регулирования температуры испарителя либо дополнительного нагревателя, размещаемого с менее нагретой стороны резонатора.

4. В корпусе толщиномера размещают два резонатора дифференциальной схемы, обеспечивая хороший тепловой контакт между ними. В качестве датчика в этом случае используется один из резонаторов. Значительное улучшение температурной стабильности достигается, если два резонатора размещаются в одной пьезопластине. В этом случае защита опорного резонатора от осаждаемой массы производится с помощью прозрачного экрана, например тонкого кварцевого стекла, пропускающего тепловой поток. Следует, однако, иметь в виду, что тепловая прозрачность экрана по мере его запыления падает.

5. Используют резонаторы с оптимальной для рабочего диапазона температур ориентацией пьезоэлемента. Эта мера позволяет снизить дрейф от изменений средней температуры резонатора.

                                                    2

                                                                                                              4

                                                                                                            1

                                                                   3

Рис.2. Конструкция толщиномера

(1 – пьезорезонатор, 2 – фиксатор-теплоотвод, 3 – радиатор охлаждения,

4 – крышка с отверстием для напыления).

11. Расчет конструктивных параметров изделия
11.1. Полный расчет надежности

Исходными данными для расчета являются значения интенсивности отказов для всех радиоэлементов и элементов конструкции, а также в расчетах используются комбинированные поправочные коэффициенты:

        - учитывающий одновременно температуру и электрический режим;

        - учитывающий одновременно кинематические и механические наг-

         рузки.

 i – величина интенсивности отказа i-го ЭРЭ или элемента конструкции с учетом заданных для него условий эксплуатации: коэффициента электрической нагрузки, температуры, влажности, технических нагрузок и т. д.;

Для определения поправочных коэффициентов  , воспользуемся обобщенными таблицами и графиками [20]. Значения величин приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 - Справочные и расчетные данные об элементах конструкции
Наименование ЭРЭ или компонента
Кол-во,
шт
i10-7,
1/час
10-7,
1/час

П

час

  1.  Резисторы постоянные непроволочные:
МЛТ-0,125
МЛТ-0,25
МЛТ-0,5
СП1-2
5
12
3
2
0,04
0,05
0,075
0,05
0,2
1
0,225
0,1

0,5

0,43

0,3

0,4

1

1

1

1

0,5

0,43

0,3

0,4

0,20

0,20

0,20

0,20

  1.  Конденсаторы:
К10-17
К50-16
К52-1
КП1-4
7
5
1
1
0,05
0,05
0,05
0,1
0,35
0,1
0,05
0,1

0,19

0,8

0,2

0,12

1

1

1

1

0,19

0,8

0,2

0,12

0,20

0,10

0,15

0,10

  1.  Микросхемы:
К1533
КР1554
AT89C52-24JC
AD8561AR
3
1
1
1
0,8
0,4
0,45
0,45
1,4
0,4
0,45
0,45

0,21

0,10

0,15

0,15

1

1

1

1

0,21

0,1

0,15

0,15

0,70

0,50

0,23

0,23

  1.  Диоды:
КД522Б
2
0,2
0,4

0,10

1

0,10

0,20

  1.  Транзисторы:
КТ340Б
КТ345А
2
2
0,75
0,75
1,5
1,5

0,10

0,10

1

1

0,10

0,10

0,40

0,40

6. Кнопки:
МТ-1
2
0,4
0,8

0,15

1

0,15

0,10

7.Держатель предохранителя
1
0,2
0,2

0,15

1

0,15

0,50

8.Сетевой трансформатор
1
0,75
0,75

0,15

1

0,15

0,60

9. Вилка двухполюсная
1
0,5
0,5

0,50

1

0,50

0,50

10. LCD-модуль
1
0,7
0,7

0,10

1

0,10

0,05

11. Провод монтажный
3
0,3
0,9

0,10

1

0,10

0,02

12.  Соединения пайкой
264
0,08
21,12

0,20

1

0,20

0,10

13.  Плата печатная
1
0,2
0,2

0,35

1

0,35

0,60

Определяем значение вероятности безотказной работы. Расчет выполняется для периода нормальной эксплуатации при следующих допущениях:
  1.  отказы элементов случайны и независимы;
  2.  учитываются только внезапные отказы;
  3.  имеет место экспоненциальный закон надежности устройства.
Суммарная интенсивность отказов ЭРЭ и элементов конструкции:
                                                                                              (11.1)
где n – число наименований ЭРЭ и элементов конструкции;
 Ni – количество ЭРЭ и элементов конструкции.
(0,04´5+0,05´12+0,075´3+0,05´2+0,05´7+0,05´5+0,05´1+0,1´1+
    +0,8´3+0,4´1+0,45´1+0,45´1+0,2´2+0,75´2+0,75´2+0,4´2+0,2´1+
    +0,75´1+0,5´1+0,7´1+0,3´3+0,08´264+0,2´1)=27,97[1/час´10-6].

Интенсивность отказов рассчитывается по (2):

                                                                                       (11.2)

где m – общее число учитываемых эксплуатационных факторов;

      - поправочный коэффициент, учитывающий j – ый фактор (температуру - ; коэффициент электрической нагрузки -; влажность - ; механические воздействия - ; и другие факторы режима и условий работы элементов );

    n – общее число элементов конструкции.

27,97´(0,5+0,43+0,3+0,4+0,19+0,8+0,2+0,12+0,21+0,1+0,15+0,15+0,1+

+0,1+0,1+0,15+0,15+0,15+0,5+0,1+0,1+0,2+0,35)=53,143[1/час´10-6].

Средняя наработка на отказ данного изделия определяется по (3):

                                                                                                           (11.3)

                                               =18817 [час].

Вероятность безотказной работы рассчитывается по (11.4):

                                                                                                   (11.4)

                                               =0,88

Среднее время восстановления рассчитывается по (11.5):                                                                           

                                                                                           (11.5)

где  - вероятность отказа из-за выхода из строя элемента i-ой группы;

      k – число групп элементов;

(0,97x0,8+0,99x0,55+0,97x1,66+0,98x0,2+0,94x0,8+0,97x0,1+0,98x0,5+

+0,96x0,6+0,93x0,5+0,99x0,05+0,99x0,02+0,91x0,1+0,96x0,6)=6,243[час]

Вероятность восстановления рассчитывается по (11.6):

                                                                                              (11.6)

где - заданное время восстановления.

                                                =0,94.

Коэффициент готовности рассчитывается по (11.7):

                                                                                                 (11.7)

                                                 =0,99

Коэффициент ремонтопригодности рассчитывается по (11.8):

                                                           Кр=1–Кг                                              (11.8)

                                                    Кр=1–0,99=0,01

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления рассчитывается по (11.9):

                                                                                        (11.9)

                                             =0,87

Доверительные границы для наработки на отказ рассчитываются по (11.10)

                                                                  (11.10)

где n = 10…15 – число отказов достаточных для определения надежности;

     - 0,9…0,99 – достоверность определения границ;

      Тр = n * То;

 - функция, определяемая в зависимости от числа степеней свободы и доверительной вероятности.

                                  

13325<18817<34673.

В результате мы получили значение наработки на отказ, превышающее заданное. Это гарантирует надежную работу разрабатываемого устройства.
11.2. Расчет компоновочных характеристик
Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, ЭРЭ и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров.
Расчет будем проводить согласно методике, изложенной в [11]. Исходными данными для расчета являются перечень элементов схемы электрической принципиальной, необходимые типоразмеры и установочные размеры ЭРЭ: установочный объем Vуст, установочная площадь Sуст и масса М. Необходимые данные сведены в таблице 11.2.
Таблица 11.2 Численные значения Vуст, Sуст и массы ЭРЭ
№, п/п
Тип
Коли-чество
Vуст, см3
Sуст, см2
Масса, г
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
КТ345А
КД814Б
Резисторы
К50-16
К52-1
К10-17
КП1-4
Гнездо
Резистор
КТ340Б
Пьезорезонаторы
Микросхемы AT89C52-24JC
Микросхемы AD8561AR
Микросхемы К1554
Микросхемы К1533
Держатель предохранителя
Тумблеры
Трансформатор ТПП
2
2
17
5
1
6
1
1
2
3
2
1
1
1
3
1
2
1
6,0
4,8
3,2
6,3
1,1
3,4
4,2
3,8
7,3
6,0
2,2
9,6
5,4
0,9
0,81
5,30
12,0
180,34
3,0
3,0
2,3
2,2
1,2
1,5
3,0
2,5
4,6
3,0
1,8
4,8
3,2
1,35
1,35
3,0
2,5
92,3
2,0
1,5
1,6
3,0
1,0
2,5
8,0
1,0
4,5
2,0
0,9
3,4
5,8
3,0
0,5
10,0
12,5
490,0
Определяем суммарный объем, занимаемый ЭРЭ он равен 401,97 см3. Из конструктивных соображений выбираем коэффициент заполнения объема корпуса телефонного коммутатора равным Кз=0,6. Ориентировочно определяем реальный объем Vреал. Разрабатываемой конструкции по формуле:
                                                                                               (11.11)
где V=401,97 см3 – суммарный объем, занимаемый ЭРЭ.
                                          =669,95 см3
Выбираем габаритные размеры конструкции:
длина – 180 мм; ширина – 120 мм; высота – 50 мм.

Рассчитывается масса модуля управления и индикации:

                                                                                               (11.12)

где - объемная масса аппарата. (0,5по [21]).

                                             629,9=0,315 [кг].
Рассчитанные размеры кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий (180х120х50мм) и масса (315 г) имеют значения, позволяющие разместить его в корпусе с заданными в техническом задании габаритными размерами (220х210х65мм).
11.3. Расчет механической прочности и системы виброударной защиты
Известно, что в приборах, не защищенных от вибрации и ударов, узлы, чувствительные к динамическим перегрузкам, выходят из строя. Во время измерителя толщины напыленных оптических покрытий могут возникнуть ситуации, при которых печатная плата может испытывать вибрацию и ударные нагрузки. В общем случае частота вибрации, в зависимости от характера объекта, может лежать в диапазоне от единиц до тысяч герц.
Печатную плату можно представить как колебательную систему с равномерно распределенной нагрузкой. Она характеризуется собственной резонансной частотой f0. Поведение колебательной системы при воздействии на нее извне вибраций зависит от отношения частоты этих вибраций f к резонансной частоте f0. Собственная частота колебания платы зависит от формы, размеров, характера материала и условий закрепления.
Расчет собственной частоты колебания  позволяет подобрать основные параметры их конструкции, исключающие возможность появления резонанса. При расчете динамической характеристики платы ее представляют в виде тонкой пластины, т.к. отношение толщины к наименьшему из двух других ее размеров меньше, чем 1:10.
При расчете платы-пластины принимают следующие упрощения:
  1.  толщина пластины постоянна;
  2.  изгибные деформации при колебаниях малы по сравнению с толщиной, упругие деформации подчиняются закону Гука;
  3.  «нейтральный» слой при поперечных колебаниях не подвержен деформациям растяжения (сжатия);
  4.  материал пластины идеально упругий, однородный и изотропный;
  5.  справедлива гипотеза прямых нормалей, согласно которой все прямые, перпендикулярные серединной плоскости до деформации, остаются прямыми и нормальными к ней и после деформирования.
11.3.1. Расчет собственной частоты колебания элементов

При расчете частот собственных колебаний конструкцию РЭС условно заменяют эквивалентными расчетными схемами, для которых известны аналитические зависимости. Основное условие замены состоит в том, чтобы расчетная схема как можно ближе соответствовала реальной конструкции и имела минимальное число степеней свободы. Так как резонансные частоты вредны для всех радиоэлементов, то при конструировании необходимо хотя бы приближенно определять частоты собственных колебаний элементов [21].

Частоту собственных колебаний резисторов, закрепленных по способу Б можно определить по номограммам [21]. Значение собственной частоты резистора 6 кГц.

Частота собственных колебаний конденсаторов из номограмм [21] приблизительно имеет значение 12 кГц.

В этом случае расчет собственной частоты колебаний микросхемы можно произвести по выражению (11.13):

                                                                       (11.13)

где  Е – модуль упругости материала балки. В нашем случае Е =.

М – сосредоточенная масса. В нашем случае М=3 г.

I – момент инерции балки. Момент инерции для выводов микросхемы:

                                                                                      (11.14)

где D – диаметр вывода ИМС. D =0,5 мм.

                               I=0,05×(0,5×103)4=0,003125×10-12 м4

 m – приведенная погонная масса. В нашем случае m = 0,01 г/мм. Подставляя значения в (11.13), получим:

                     кГц

Так как полученное значение частот собственных колебаний резисторов, конденсаторов и ИМС выше верхней частоты воздействующих вибраций (150 Гц), то можно сделать вывод о том, что элементы не будут усиливать колебания.

11.3.2. Расчет собственных частот печатной платы

Применительно к печатной плате используется следующая формула для расчета собственных частот:

                                                                (11.15)

где k =b/a – отношение длины меньшей стороны платы к длине ее большей стороны;

     n, m =1,2,3,… - целые положительные числа;

     h – толщина печатной платы, см;

     р – плотность материала, г/см;

     D – цилиндрическая жесткость печатной платы, ;

                                                                                             (11.16)

где  - коэффициент Пуассона;

      Е – модуль упругости материала платы, Н/м; Конкретно для нашего случая  печатная плата выполнена из стеклотекстолита. Для данного материала р=2 г/см, h=0,15 см, =0,3, Е= 8,2Н/м[21]. Размеры платы 85,8 см.

По (11.16) определяем цилиндрическую жесткость печатной платы:

                                =0,25×108.

По (11.15) определим собственную частоту печатной платы:

            =227,7 Гц

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию:

                                                                           (11.17)

где  - безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций ( = 42).

      b – размер короткой стороны платы, b=58 мм.

      - вибрационные перегрузки в единицах g, (4…15). Исходя из наихудшего случая выбираем =15.

                                        =2952 Гц

Условие (11.17) выполняется (2,95 кГц > 0,23 кГц). Таким образом, плата будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций.

11.3.3 Расчет на действие удара

Из практики известно, что максимальное воздействие на механическую систему оказывает импульс прямоугольной формы. Следовательно, расчет произведем для данного типа импульса [22].

Определяем условную частоту ударного импульса:

                                                                                                        (11.18)

где  - длительность ударного импульса (138 мкс).

                                                  = 22753,6 Гц

Определяем коэффициент передачи при ударе:

                                                                                             (11.19)

где  - коэффициент расстройки:

                                                                                                 (11.20)

где f – частота собственных колебаний печатной платы. Тогда:

                                                    =15,91

                                                   =0,0035

Рассчитываем ударное ускорение:

                                                                                               (11.21)

где Ну - амплитуда ускорения ударного импульса.

                                               0,0035=0,689 м/с

Определяем максимальное относительное перемещение:

                                                                                (11.22)

                                       =0,000482 [м].

Проверяется выполнение условий ударопрочности по следующим критериям:

  •  для ЭРЭ ударное ускорение должно быть меньше допустимого, т.е.

                                                           ,                                          (11.23)

где  определяется из анализа параметров элементной базы;

  •  для печатной платы с ЭРЭ

                                                          Z< 0,03b                                       (11.24)

     где b – размер наибольшей стороны печатной платы (120мм).

Исходя из параметров элементной базы, = 40 м/с. Так как неравенства (11.23) и (11.24) выполняются, т.е. 0,689 м/с2< 40 м/с2 и 0,482 мм < 3,3 мм, то условия ударопрочности для разрабатываемой платы кварцевого измерителя толщины напыленных покрытий соблюдаются.

11.4. Оценка теплового режима
Для оценки теплового режима выберем самый теплонагруженный элемент. Им является транзистор типа КТ345А. Начиная расчеты,  задаемся исходными данными:
а) мощность транзистора, Р, Вт; Р=1,4 Вт;
б) температура окружающей среды, Тс, 0С; Тс=400С;
г) максимальная температура элемента, Тмах=1400С;
в) тепловое контактное сопротивление между переходом и корпусом, Rпк, 0С/Вт; Rпк=3,30С/Вт;
  1.  Рассчитывается поверхность корпуса блока
        SK=(0,07×0,2+0,212×0,2+0,212×0,07)×2=0,143 [м2]
  1.  Определяется условная поверхность нагретой зоны
                                                                             S3 = SК×КЗ,                                            (11.25)
где К3 – коэффициент заполнения корпуса аппарата по объему;
                                                               S3 =0,143×0,6=0,0858 [м2]
  1.  Определяется удельная мощность корпуса блока:
                                                                                                                      (11.26)
где Р – мощность, рассеиваемая в корпусе.
                                                          =210,6.
  1.  Определяется удельная мощность нагретой зоны:

                                                                                                                     (11.27)

                                                   =350.
  1.  Находится коэффициент 1 в зависимости от удельной мощности корпуса блока:

                                       (11.28)  

            =0,1472×210,6 - 0,2962×10-3×210,62 + 0, 3127×10-6×210,63=20,78.             
  1.  Находится коэффициент 2 в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:     
                                         (11.29)  
      =36,66.
  1.  Находится коэффициент КН1 в зависимости от давления среды вне корпуса блока Н1:

                                                                         (11.30)

где Н1 – давление окружающей среды, Па;
                          =0,822.
  1.  Находится коэффициент КН2 в зависимости от давления среды внутри корпуса блока Н2:

                                                                            (11.31)

где Н2 – давление внутри корпуса аппарата, Па;
                          =0,803.
  1.  Определяется перегрев корпуса блока:

                                                            Qk=Q1 ×KН1                                                          (11.32)

                                                    Qk=20,78×0,822=17,08.

  1.  Определяется перегрев нагретой зоны:

                                                           (11.33)

                        =18,16.
  1.  Определяется средний перегрев воздуха в блоке:

                                                       QВ=0,5× (Qк +QЗ )                                                                           (11.34)

                                               QВ=0,5× (17,08+18,16)=17,62.

  1.  Определяется удельная мощность элемента:
                                                                  ,                                        (11.35)

где   Рэп – мощность, рассеиваемая на элементах;

Sэп – площадь поверхности печатной платы.

                                                      =156,25.
  1.  Рассчитывается перегрев поверхности элемента:

                                                                                  (11.36)

                                              =15,65.
  1.  Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

                                                                                 (11.37)

                                            =15,18.
  1.  Определяется температура корпуса блока:

                                                                   ТК = QК + ТС,                                           (11.38)

где Тс – температура окружающей среды.

                                                  ТК =17,08+23=40,08.   
  1.  Определяется температура нагретой зоны:

                                                                ТЗ = QЗ + ТС                                                  (11.39)

                                                            ТЗ =18,16+23=41,16.
  1.  Находится температура поверхности элементов:         
                                                                ТЭЛ = QЭЛ + TС                                    (11.40)     
                                                   ТЭЛ=15,65+23=38,65.
  1.  Находится средняя температура воздуха в блоке:     
                                                                    TВ = QВ + ТС                                      (11.41)
                                                    TВ =17,62+23=40,62.
  1.  Находится температура среды, окружающей элемент:
                                                        ТЭС = QЭС + ТС                                      (11.42)
                                                    ТЭС =15,18+23=38,18.

Таким образом, имеем значение перегрева корпуса – 17,08 . Максимально допустимый перегрев элементов 140 . Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого устройства обеспечивается нормальный тепловой режим, т.е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин. Следовательно, выбираем тип корпуса перфорированный и способа охлаждения естественный.

11.5. Расчет конструктивно-технологических параметров печатной платы.

Двухсторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом и имеет 3-й класс точности Исходными данными являются:

  •  толщина фольги, мкм; 35;
  •  максимальный ток через проводник, мА; 400;
  •  максимальная длина проводника, м; 0,12;
  •  допустимое падение напряжение на проводнике, В; 0,2;
  •  максимальный диаметр выводов ЭРЭ, мм;1,2;
  •  относительная диэлектрическая проницаемость среды между проводниками; 5;
  •  размеры плат, мм;8058;
  •  толщина платы, мм; 1,5;
  •  расстояние между выводами микросхем, мм; 2,5.
    1.   Определяем минимальную ширину, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления, мм:

                                                                                           (11.43)

где   - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

- допустимая плотность тока, выбираемая в зависимости от метода изготовления    [22]. В нашем случае   =48 А/мм;

 t – толщина проводника, мм.

                                                          

  1.  Определяем минимальную ширину проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем, мм:

                                                           ,                           (11.44)

где p – объемное удельное сопротивление. Для нашего случая  p= 0,0175 Ом  [22].

Uдоп – допустимое падение напряжения, В.

                                              =0,12 [мм].

  1.  Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий, мм:

                                                                                   (11.45)

где  - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия  = 0,1 мм [22].

 r – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1…0,4 мм.

                                                  =1,6 [мм].  

  1.  Рассчитываем диаметр контактных площадок. Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, изготавливаемых комбинированным позитивным методом при фотохимическом способе получения рисунка, мм:

                                                                          (11.46)

где  - толщина фольги, мм;

     D -  минимальный эффективный диаметр площадки, мм:

                                                                   (11.47)

где  - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм;

      - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

- максимальный диаметр просверленного отверстия, мм;

                                                                                       (11.48)

где - допуск на отверстие, мм.

В нашем случае = 0,035 мм, = 0,25 мм, = 0,1 мм, =0,05 мм [23].

                                               [мм].

                                      [мм].

Следовательно:

                                              =2,6 [мм].   

Максимальный диаметр контактной площадки:

                                                                                       (11.49)

                                             = 2,64 [мм].

  1.  Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников для ДПП, изготавливаемых комбинированным позитивным методом, мм (при фотохимическом способе получения рисунка):

                                                                              (11.50)

где  - минимальная эффективная ширина проводников, = 0,18 мм для плат 1,2,3-ого  класса точности.

                                                  = 0,26 [мм]

Максимальная ширина проводников, мм:

                                                                                    (11.51)

                                            [мм].

  1.  Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, мм:

                                                (11.52)

где L - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм;

       - допуск на расположение проводников, мм. В нашем случае =0,05 мм[22].

                        [мм].

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками, мм:

                                                                           (11.53)

                                [мм].

Минимальное расстояние между проводниками, мм:

                                                                               (11.54)

                                   [мм].    

Величина паразитной емкости С, пФ между двумя проводниками[23]:

                                                                                       (11.55)

где - длина взаимного перекрытия проводников, мм; =200 мм.

      h – толщина печатного проводника, мм; h=0,28 мм.

      t- ширина печатного проводника, мм;

      S – ширина зазора между краями печатного проводников, мм; S=0,9 мм.

Тогда:

                                 [пФ].

Индуктивность печатных проводников L [мкГн] толщиной и шириной  t[мм] рассчитывается по формуле[23]:

                                             (11.56)

=11,87 [мкГн].

Взаимная индуктивность двух параллельных печатных проводников равной длины [15]:

                                              (11.57)

где l- длина проводника, мм;

     L- расстояние между осевыми линиями проводников, мм.

Исходя из чертежа печатных проводников   l= 100 мм,  L=2,5 мм.

Тогда:

             =0,02 [мкГн].

Вычисление сопротивления изоляции печатных цепей, расположенных на поверхности платы, произведем по формуле [23]:

                                                                                                     (11.58)

где Rs – сопротивление изоляции разобщенных печатных цепей, Ом;

     -удельное поверхностное сопротивление изоляционного основания, Ом;=5Ом;

      S -  изоляционный зазор разобщенных цепей, мм;

       -  длина изоляционного зазора, мм;

                                             225 [МОм].

Основными параметрами, обуславливающими стабильность работы печатных плат, являются тангенс угла потерь  tg диэлектрическая проницаемость , которые больше всего подвержены изменению в процессе старения органического основания платы.

Изменение диэлектрических свойств печатной плат (от воздействия температуры и влаги) приводит к существенным потерям, которые могут достигать 70% от расчетной мощности схемы[23].

Мощность потерь печатной платы Р, Вт:

                                                Р=2                                   (11.59)

где f – частота питающего напряжения схемы, мГц;

     С – емкость печатной платы, мкФ;

     U – напряжение питания, В;

      tg- тангенс угла диэлектрических потерь материала основания платы.

Емкость печатной платы С, пФ:

                                                                                             (11.60)

где  - диэлектрическая проницаемость материала основания печатной платы;

     F – суммарная площадь печатных проводников, мм;

     H – толщина платы, мм [23].

Где F= 94x54=5076 мм2 исходя из чертежа печатных проводников. Тогда:

                               =152,28 [пФ]

Тогда:

                       Р=2= 1,56 [мкВт].

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности.

11.6. Расчет электромагнитной совместимости

Расчет на определение работоспособности кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий в условиях воздействия перекрестных помех в линиях связи производим по методике [23]. В расчете рассматриваются проводники, расположенные на одной стороне печатной платы и идущие параллельно друг другу.

Печатная плата устройства выполнена на двухсторонней печатной плате третьего класса точности из стеклотекстолита СФ1,5-35-2,0, покрытой лаком

УР-231. Ширина проводников и расстояние между ними 1,5 мм. Максимальное напряжение в активной линии составляет 2 В на частоте 0,5 МГц.

В схеме использованы микросхемы серии К1533. В состоянии логической единицы помеха слабо влияет на срабатывание микросхем, поэтому рассмотрим случай, когда на входе микросхемы логический ноль.

При этом U= 0.5 В, =0,6 мА, U=0,5 В, , =5 мА. Тогда можно определить входное сопротивление по (11.61) и выходное сопротивление по (11.62).                                           

                                                                                                   (11.61)

                                              Ом

                                                                                                (11.62)

                                             Ом

Исходными данными для расчета являются:

  •  Е – напряжение генератора в активной линии связи, В 1,7;
  •  w – круговая частота, МГц 3,14;
  •  , Ом 833;
  •  , Ом 100;
  •   - максимальная длина области связи проводников, см 20;
  •  -  относительная диэлектрическая проницаемость среды между проводниками 5.

Берем взаимные емкости С и индуктивности М линий связи из (11.55) и (11.57) соответственно С=0,069 пФ, М=0,02 мкГн. Из (11.58) сопротивление изоляции между проводниками R225 МОм.

Определяем действующее напряжение помехи на сопротивлениях ,:

                                       (11.63)

= 0,4 В

Сравнивая действующее напряжение помехи с помехоустойчивостью микросхемы (для К1533 Uп=0,6 В) можно сказать, что действие помехи не приведет к нарушению работоспособности платы модуля управления и индикации.

11.7. Расчет коэффициента технологичности.

Комплексную оценку технологичности проектируемого изделия произведем по методике изложенной в [25]. Кварцевый измеритель толщины напыленных оптических покрытий относится к категории сложных радиоэлектронных устройств. Для расчета комплексного показателя технологичности необходимо знать не менее семи единичных показателей технологичности, которые рассчитываются исходя из значений параметров в таблице 11.3.

Таблица 11.3 – Параметры для расчета коэффициента технологичности

Название параметров

Обозначение параметров

Значение параметров

  1.   Общее число деталей в изделии, шт.

N

117

  1.  Количество типоразмеров деталей, шт.

n

41

  1.  Количество неразъемных соединений (паек) выполняемых вручную, шт.

ПР

38

  1.  Количество неразъемных соединений (паек) выполняемых автоматизированными средствами (пайка волной припоя), шт.

ПН

84

  1.  Количество микросхем, шт.

NMC

6

  1.  Общее количество электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в устройстве, шт.

NЭРЭ

57

  1.  Количество навесных ЭРЭ, которые могут устанавливаться механизированным и автоматизированным способами, шт.

NМУЭРЭ

28

  1.  Количество монтажных соединений, которые могут осуществляться автоматизированным способом, шт.

NАМ

89

  1.  Общее количество монтажных соединений в устройстве, шт.

NM

178

  1.   Число унифицированных сборочных единиц, шт.

ЕУ

17

  1.   Число унифицированных деталей, шт.

ДУ

21

  1.   Общее число сборочных единиц, шт.

Е

31

  1.   Общее число деталей, шт.

Д

48

  1.   Число стандартных сборочных единиц в устройстве, шт.

ЕС

14

  1.   Число стандартных изделий в устройстве, шт.

ДС

27

На данном этапе проектирования можно рассчитать следующие единичные показатели технологичности:

  1.  Коэффициент применяемости но уровне деталей:

                                         КП=(N-n)/N,                                          (11.64)

КП=(117-31)/117=0,74.

2. Коэффициент механизации и автоматизации процессов электромонтажа:

                                            КАМЭ=1-[ПР/(ПРМ)],                                (11.65)

    КАМЭ=1-[38/(38+84)]=0,69.

3. Коэффициент использования микросхем и микросборок:

                                                 КИСПМС=NMC/NЭРЭ,                                  (11.66)

КИМСМС=6/57=0,1.

4. Коэффициент автоматизации и механизации установки ЭРЭ на печатные платы:

                                              КАМУ=1-NМУЭРЭ/NЭРЭ,                                (11.67)

                                                 КАМУ=1-28/57=0,5.

5. Коэффициент автоматизации и механизации монтажа:

                                                    КАМ=NАМ/NM,                                      (11.68)

                                                  КАМ=89/178=0,51.

6. Коэффициент унификации:

                                                КУ=(ЕУУ)/(Е+Д),                                 (11.69)

                                           КУ=(17+21)/(31+48)=0,48.

7. Коэффициент стандартизации:

                                                  КС=(ЕСС)/(Е+Д),                               (11.70)

                                           КС=(14+27)/(31+48)=0,52.

Комплексный показатель технологичности вычисляется по формуле:

                                                     ,                                    (11.71)

где - коэффициент весомости каждого единичного показателя, значения которых приведены в таблице 3.2 [25]. (соответственно =0,03; 0,5; 0,3; 0,2; 0,06; 0,4 и 0,6).

      К=(0,03х0,74+0,5х0,69+0,3х0,1+0,2х0,5+0,06х0,51+0,4х0,48+0,6х0,52)/

                           /(0,03+0,5+0,3+0,2+0,06+0,4+0,6)=0,5.

Рассчитанные значения коэффициентов приведены в таблице 11.4.

Таблица 11.4 – Результаты расчета устройства на технологичность

Название коэффициентов

Обозначения

Полученные

значения

Коэффициент применяемости

КП

0,74

Коэффициент механизации

КАМЭ

0,69

Коэффициент использования микросхем и микросборок

КИСПМС

0,1

Коэффициент автоматизации и механизации установки ЭРЭ на печатные платы

КАМУ

0,5

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа

КАМ

0,51

Коэффициент унификации

КУ

0,48

Коэффициент стандартизации

КС

0,52

Комплексный показатель технологичности

К

0,5

Вывод: комплексный показатель технологичности несколько ниже, чем в техническом задании. Последнее обусловлено большим числом навесных элементов и большой трудоемкостью объемного монтажа.

12. Технологический процесс изготовления панели

Детали из листового материала наиболее экономично изготавливать методом холодной листовой штамповки. Поскольку в данном случае имеет место небольшая программа выпуска (1000 шт/год), то изготовление специального вырубного штампа экономически не выгодно. Поэтому, для изготовления панели целесообразно использовать стандартное технологическое оборудование и универсальную технологическую оснастку.

Общий технологический маршрут изготовления панели включает следующие операции:

-- раскрой заготовок;

-- сверление отверстий;

-- пескоструйная;

-- покрытие гальваническое;

-- нанесение надписей;

-- контрольная;

-- упаковочная.

Раскрой стального листа 1500х2500 мм2 толщиной 1,0 мм на заготовки 203х58 мм2 выполняется на гильотинных ножницах типа ГН-2000.

Для этого ограничительная линейка гильотины устанавливается на размер 203-0,27 мм, и рубят листы на полосы вдоль короткой стороны (1500 мм). После выполнения операции из одного листа должно получиться 11 заготовок размером 203х1500 мм2, которые укладываются в тару технологическую.

Для выполнения следующей операции ограничительную линейку гильотины переставляют на размер 58-0,21 мм и каждую заготовку рубят вдоль короткой стороны. При правильном выполнении данной операции из каждой заготовки размером 203х1500 мм2 должно получиться 17 заготовок размером 203х58 мм2. Последние укладываются в тару технологическую и передаются на участок сверления отверстий. При помощи стандартного штампа прорубить отверстие для розетки РД1.

Перед сверлением отверстий необходимо заготовку устанавливать в специальный кондуктор с размеченными отверстиями. После чего в шпиндель настольного сверлильного станка типа СН-16 устанавливают трехкулачковый патрон и сверло диаметром 8Н12. Для установки патрона и сверла рабочего необходимо снабдить специальными ключами. После чего кондуктор с заготовкой устанавливается на рабочий стол станка, включается правое вращение шпинделя (1000 об/мин) и сверлится отверстие диаметром 8Н12 мм 1 шт. Для сверления 4 отверстий диаметром 3Н12, используется второй аналогичный станок оснащенный спиральным сверлом диаметром 3Н12. Операция выполняется аналогично двум предыдущим.

После сверления отверстий заготовка извлекается из кондуктора, укладывается в тару технологическую и передается на участок косметической обработки, где она загружается в пескоструйную машину и подвергается поверхностной обработке с целью снятия заусенцев и матирования поверхности. Затем укладывается в тару технологическую и передается в цех гальванических покрытий, где ее подвергают травлению и наносят покрытие Ц9 с хромажированием. Для нанесения надписей деталь укладывают в тару технологическую и транспортируют на участок лакокрасочных покрытий. Нанесение надписей выполняют через специальный шаблон-сетку с помощью валика краской МЛ-12. Перед нанесением надписей поверхность деталей тщательно обезжиривают органическим растворителем (бензин «Калоша» или «Уайт-спирит»). Сушат деталь с надписями в специальном сушильном шкафу при температуре 60±50С в течение двух часов. После нанесения надписей деталь укладывается в тару технологическую и передается на контроль представителю отдела технического контроля, который проверяет ее на соответствие требованиям чертежа  БГУИ.741258.002. Качество детали контроллер удостоверяет штампом и подписью с датой в сопроводительной документации на деталь. Каждая годная панель заворачивается в упаковочную бумагу и передается на общую сборку или склад промежуточного хранения. Маршрутная карта на изготовление панели приведена в приложении.

13. Анализ и учет требований эргономики и технической эстетики
Помимо соответствия функциональному назначению, технико-экономическим факторам, к конструкции кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий предъявляются требования эстетического совершенства. Оно означает, что должна существовать гармония между человеком, аппаратурой и окружающей обстановкой, что весь этот комплекс должен вызывать у человека ощущение красоты. Эстетическое совершенство вещей, окружающих человека, воспитывает у него художественный вкус, повышает общую культуру, создает наиболее благоприятные условия для работы и отдыха.
Эстетическое совершенство создается за счет правильных пропорций, сочетания отдельных элементов в отдельную композицию, выбора цветовых решений.
При решении этих вопросов необходимо иметь в виду, что понятия «красиво» не является абсолютным, что существуют еще понятия мода и вкус. То, что было модным и считалось красивым 10 лет назад, не обязательно сейчас тоже должно считаться красивым. Нельзя сформулировать однозначных приемов создания красивых, эстетически совершенных вещей, можно лишь сформулировать методы конструирования, при использовании которых окружающие человека предметы будут вызывать у него определенные отношения.
Так как кварцевый измеритель располагается производственном помещении, то он должен по своему внешнему виду быть увязан с интерьером помещения. К сожалению, не представляется возможным указать какие-либо определенные рецепты художественного конструирования, которые приведут к созданию эстетических совершенных образцов аппаратуры.

Конструирование лицевых панелей устройств РЭС с учетом требований эргономики и инженерной психологии предлагает выполнение ряда положений и расчетов [32]. Некоторые из них следующие:

  •  габаритные размеры лицевой панели (ЛП);
  •  габаритные размеры отдельных элементов ЛП (индикаторов, надписей, органов управления);
  •  светотехнические характеристики индикаторов;
  •  взаимное расположение индикаторов и органов управления;
  •  художественно-конструкторская проработка ЛП;
  •  декоративное исполнение ЛП;
  •  эргономический анализ спроектированной ЛП и т.д.

Применительно к ЛП  кварцевого измерителя с учетом психофизических особенностей человека следует произвести следующие расчеты:

  •  определить габариты ЛП и наносимых на нее надписей;
  •  рассчитать светотехнические характеристики ЛП;
  •  произвести компоновку ЛП;
  •   обосновать цветодекаративное исполнение ЛП.

Габариты ЛП будут выбираться на основе компромиссного решения между соблюдением эргономических требований по размещению элементов ЛП и компоновкой остальной части устройства, для которого предназначена ЛП. Во всех остальных случаях выбор должен решаться в пользу эргономических требований.

13.1 Расчет лицевой панели и индикаторных элементов

Максимально допустимые размеры ЛП определяют исходя из горизонтального и вертикального угловых размеров зоны периферического зрения оператора и требуемого расстояния  до ЛП [33]. Максимальная длина ЛП равна:

                                                                                     (13.1)

где  - горизонтальный угол обзора ЛП.

Максимальная высота:

                                                                                  (13.2)

где  -  вертикальный угол обзора ЛП.

Для зоны периферического зрения оператора принимают = , =. Применительно к разрабатываемому устройству =600 мм при общем числе элементов N= 4. Тогда:

                                          мм

                                          мм

Минимально допустимые размеры ЛП определяются из следующих соображений. В соответствии с эргономическими требованиями в поле зрения, ограниченном углом зрения , должно размещаться 4…8 элементов ЛП (для расчета принимаем 6 элементов). Тогда площадь зрения Sпз на ЛП, ограниченная указанным углом , может быть вычислена по формуле:

                                                                                          (13.3)

                                    

При числе элементов  N размещаемых на ЛП, минимальная площадь ЛП, удовлетворяющая эргономическим требованиям, равна:

                                                                                           (13.4)

                                            

Фактическую площадь ЛП выбирают, как

                                                                                             (13.5)

где  - коэффициент использования площади, обычно равный =0,4…0,7. Для разрабатываемой панели принимаем  =0,4. Тогда:

                                           

Тогда линейные размеры находятся следующим образом.

Один из размеров выбирается из стандартного ряда габаритов, а оставшийся находится по (13.6). Выбираем L=0,315 м.

                                                                                                   (13.6)

где L – выбранный стандартный размер. Подставляя значения L в (13.6), получим:

                                                       =57,67 мм

Округляем значение до Н = 60 мм.

Полученные значения размеров ЛП соответствуют размерам корпуса устройства цифровой индикации, полученным в результате компоновочного расчета.

Минимально допустимые размеры знаков и символов на ЛП определяем по формуле:

                                                                                           (13.7)

где  - допустимый угловой размер символа (знака). Для простых знаков =.

                                          мм

Допустимая минимальная ширина символа определяется по формуле:

                                                                                             (13.8)

где F -  формат символа (F = 2/3, 3/5, 5/7,…).

                                                      мм

Расстояние между символами (знаками) принимается равным половине ширины символа, а расстояние между символами (знаками), располагаемыми по вертикали, принимаем равные половине высоты. Минимальное  расстояние от краев индикаторного устройства до ближайшего знака, отображенного на нем, должно быть равно ширине (или высоте) знака. В этом случае размеры индикаторного устройства, располагаемого на ЛП, могут быть определены по формулам:

                                                                                    (13.9)

                                                                                     (13.10)

где  - высота и ширина индикаторного устройства;

       - высота и ширина знака (символа).

                                   мм

                                  мм

Исходя из результатов расчетов, можно сделать вывод о том, что выбранные параметры индикатора удовлетворяют эргономики и физиологическим особенностям оператора.

13.2. Расчет светотехнических характеристик индикаторных устройств

В разрабатываемой конструкции кварцевого измерителя использована LCD-панель. Для обеспечения оптимального считывания показаний индикаторного устройства оператором РЭА необходимо обеспечить контрастность их изображения в пределах:

                                                 0,60,95                                            (13.11)

где К – коэффициент контраста [33].

Коэффициент контраста подсчитывается соответственно для прямого (Кпр) и обратного (Кобр) видов контраста по формулам:

                                                                                      (13.12)

                                                                                    (13.13)

где В - яркость фона;

- яркость предмета (индикаторного элемента или знака);

В общем случае яркость фона или предмета может состоять из двух составляющих:

  1.  Яркость излучения:

                                                                                       (13.14)

где I – сила света источника;

     S – площадь светящейся поверхности;

      -  угол, под которым видна светящаяся поверхность наблюдателю.

  1.  Яркость отражения:

                                                                                         (13.15)

где Е – освещенность поверхности;

      р – коэффициент отражения поверхности.

С целью обеспечения экономичности индикаторного устройства его расчет целесообразно проводить, приняв минимальное значение внешней освещенности, и проверить соблюдение условия (13.11) при уу максимальном значении [33].

Исходя из конструктивного исполнения кварцевого измерителя принимаем обратный контраст (светлый предмет на темном фоне). Тогда с учетом  (13.15) имеем:

                                            =                               (13.16)

где  - коэффициент отражения поверхности;

       - коэффициент отражения фона;

Отсюда:

                                                                    (13.17)

где  0,60,95                                                       

Следовательно, для соблюдения условия (13.17) необходимо, чтобы коэффициент отражения фона   был меньше значения 0,4. В противном случае  окажется больше единицы, что означает, что индикатор кроме отраженной яркости должен иметь и яркость излучения.

Из [33] определяем, что коэффициент отражения для корпуса кварцевого измерителя будет иметь значения 0,07. Исходя из этого:

                                                  

Следовательно, условие (13.17) выполняется т.к. 0,175 < 1.

Таким образом анализируя данные расчетов, можно сделать вывод о том, что выбранные индикаторы  будут обеспечивать оптимальное считывание показаний оператором.

13.3. Компоновка и выбор цветового решения лицевой панели

С учетом полученных значений можно произвести компоновку ЛП по [33], т.е. можно разместить все элементы ЛП, принимая во внимание психологического восприятия.

Основным принципом компоновки ЛП является расчленение ее на три функциональные зоны: индикации, управления и коммутации. Расположение зон подчиняется основной эргономической закономерности и варьируется в зависимости от насыщенности каждой зоны элементами, от ориентации ЛП в пространстве, от соотношения сторон панели, т.е. от конкретного конструктивного исполнения РЭА.

Лицевые панели современных РЭА в большинстве своем насчитывают несколько десятков, а централизованные пульты управления – сотни элементов индикации, управления и коммутации. Все эти элементы являются источниками информации для оператора, работающего с аппаратурой. Однако, как отмечалось выше, психофизиологические возможности человека ограничены: оператор может успешно контролировать информационные объекты, когда их число, попадающее в поле зрения оператора (около10 град.), лежит в пределах 4-8 единиц. Это объясняется ограниченным объемом оперативной памяти человека.

Применительно к проектируемому блоку кварцевого измерителя, следует вначале произвести группировку элементов: их следует разбить на несколько визуально отличных групп. По общности выполняемых задач или функций будет логично выделить:

  •  индикатор, входящий в зону индикации (средств отображения информации – СОИ);
  •  кнопки коммутации, относящиеся к зоне коммутации;
  •  кнопки управления,  входящие в зону управления.

Теперь, придерживаясь принципа приоритета, определим последовательность размещения элементов на ЛП. Принцип приоритета состоит в том, что прежде следует определить функциональную важность или значимость элементов для задач управления, и только после этого можно производить размещение элементов на ЛП. Определять значимость элементов ЛП следует с учетом функциональной асимметрии зрительной системы человека, которая состоит в том, что непроизвольная (бессознательная) фиксация взгляда человека на вертикальной плоскости распределена неравномерно. Иначе говоря, если разбить плоскость на квадранты, то максимум фиксации взгляда приходится на верхний левый квадрант, количество фиксаций в верхней части плоскости составляет до 74,5 %.

На основании приведенных выше требований можно сформулировать некоторые принципы, на основании которых и будет производиться компоновка ЛП кварцевого измерителя:

  •  под зону индикации предпочтительно оставлять верхнюю часть ЛП с тенденцией левого смещения. По этой причине индикатор будет размещен в левой части ЛП;
  •  придерживаясь принципа взаимосвязи, состоящего в функциональном взаимодействиях между органами управления и соответствующими индикаторами внутри функциональных групп, зону управления следует располагать в непосредственной близости с индикатором (зоной индикации);
  •  остальные органы управления целесообразно разместить на задней панели устройства;
  •  основные элементы ЛП надо стремиться размещать в пределах оптимальной зоны ясного виденья, охватываемой углами зрения 10…15 град относительно центральной оси.

Принимая во внимание все выше сказанное, можно получить оптимальный (окончательный) вариант размещения элементов на ЛП. Следует также отметить, что полученный вариант компоновки ЛП будет учитывать психофизиологические особенности оператора, основанные на принципах группировки, взаимосвязи и приоритета.

Композиционное и цветовое решение РЭС является завершающим этапом их  разработки. Заданная совокупность свойств изделия может иметь много вариантов конструктивного исполнения. Однако для выбора оптимального варианта конструкции необходимо располагать критериями, с помощью которых можно проводить этот выбор. В качестве критериев обычно используют основные требования дизайна: информативность формы, композиционное совершенство, гармоничность.

При выборе цветового решения РЭС используется [28] и необходимо знать назначение изделия (область применения), характер и продолжительность работы с ним, характеристики внешнего и внутреннего освещения, условия зрительной работы и др. При этом обычно выбирают 2-3 основных цвета небольшой насыщенности, обладающие достаточно высокими коэффициентами отражения.

Цветовой тон, насыщенность и коэффициент отражения являются основными параметрами, обеспечивающими наиболее правильное ассоциативное восприятие изделия: абсолютные размеры и его масштабность, метрические и ритмические построения, чувство весовой и тепловой характеристики,  близость и дальность расположения. Надо стремиться к использованию гармоничного сочетания цветов. При этом необходимо наличие между цветовыми компонентами определенной взаимосвязи (контраст или сходство по цветовому тону, светлоте или насыщенности).

Обобщая все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

  •  лучшие сочетания дают цвета в пределах больших и малых интервалов по “цветовому кругу”, худшие – в пределах средних интервалов;
  •  малые интервалы воспринимаются как оттенки одного и того же цвета, а не сочетание цветов;
  •  при сочетании цветов необходимо брать одинаковые соотношения светлости;
  •  более насыщенные цвета при сочетании с менее насыщенными следует подбирать в меньшем количестве;
  •  “теплые” цвета длинноволновой части спектра необходимо сочетать с темными, а “ холодные” цвета коротковолновой части спектра со светлыми.

Применяя вышеизложенный материал непосредственно к кварцевому измерителю отметим:

  •  проектируемый прибор будет эксплуатироваться в условиях с хорошим освещением;
  •  характер работ малой точности и минимальная освещенность при общем освещении люминесцентными лампами составляет 30 лк;
  •  оператор будет работать на приборе длительное время, поэтому при выборе цветов ЛП следует принимать во внимание такие психологические характеристики человека, как цветовое утомление и цветовые ассоциации.

Согласно этому выбираем два цвета: черный (как фон ЛП) и белый (для надписей). Черный цвет по психологической характеристике относится к легким цветам, что уменьшает такое воздействие как цветовое утомление. Применяя белый цвет для нанесения надписей мы тем самым обеспечиваем контрастную цветовую гармонию, что благоприятно воздействует на оператора.

Таким образом, выбор цветов ЛП прибора обоснован с точки зрения психологического воздействия цвета на оператора.

14. Мероприятия по защите от коррозии, влаги, электрического удара, ЭМ полей и механических нагрузок

Одной из причин быстрого разрушения металлов является коррозия, которая возникает при воздействии влаги на место соединения двух разнородных металлов или металлов, находящихся под определенным потенциалом. Влага с содержащимися в ней газами и слоями различных веществ образует электролит. Для избежания этих недостатков применяют покрытия, т.е. поверхность покрывают материалами, более стойкими к воздействию разрушающих факторов. В зависимости от материала, наносимого на поверхность детали, все покрытия разделяют на две основные группы:
  1.  покрытия металлические и неметаллические (неорганические), наносимые на металлические поверхности;
  2.  покрытия лакокрасочные, наносимые на любые поверхности.
Защита РЭА от внешних полей состоит в решении задачи экранирования плоской волны, так как источник излучения может находиться на значительном удалении. На расстояниях более пяти длин волн поле можно рассматривать как плоскую волну, в которой энергия распределена приблизительно равномерно между магнитной и электрической составляющими. Эффективность экрана, оценивается в децибелах как относительное ослабление поля действием экрана. Для эффективного экранирования ЭМ полей в области низких частот применяют магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью.
Известно, что в приборах, не защищенных от вибрации и ударов, узлы, чувствительные к динамическим перегрузкам, выходят из строя. Делать такие узлы настолько прочными, чтобы они выдерживали максимальные (действующие) динамические перегрузки, нецелесообразно, так как увеличение прочности в конечном счете приводит к увеличению массы, а вследствие этого и к неизбежному возрастанию динамических перегрузок. Поэтому считают более целесообразным использовать другие средства для снижения воздействия перегрузок. При проектировании кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий прежде всего следует выяснить, нужны ли вообще защитные мероприятия. С этой целью сравнивают оговоренные в технических условиях величины допустимых механических воздействий для предназначенных к использованию элементов (микросхем, транзисторов и т.д.) с величинами механических воздействий на объекте установки РЭС. При этом величины воздействующих механических факторов следует скорректировать с учетом возможного резонансного усиления колебаний по пути их распространения от места установки блока до конкретного рассматриваемого элемента. В случае, если уровни воздействующих механических факторов превышают допустимые, предусматривают защитные мероприятия с оценкой их эффективности.

14.1.Защита от коррозии

К мерам защиты от климатических воздействий относятся выбор соответствующих материалов и качество обработки поверхности изделия. Основного внимания при этом заслуживает опасность коррозии, под которой понимают распространяющееся от поверхности разрушения твердого тела под действием химических и электрохимических факторов. Защита от коррозии осуществляется путем образования естественных защитных слоев с помощью окраски, химической и электрохимической обработки поверхности и т.д. Защитный слой выбирается в соответствии с классом коррозионной нагрузки, запланированным сроком службы и положением детали в приборе или пространстве.

Класс коррозионной нагрузки характеризует среднестатическое состояние атмосферы в месте эксплуатации изделия, определяющее коррозионное воздействие атмосферы на него. Эти классы позволяют выбрать мероприятия, необходимые для защиты от коррозии.

Металл, имеющий более положительный потенциал по сравнению с контактирующим с ним металлом, необходимо покрывать защитным металлическим слоем в месте касания и вокруг него. Выбор металла для защитного слоя производится с учетом электрохимических потенциалов, технологии нанесения покрытия, условий коррозионного воздействия, а также класса коррозионной нагрузки, запланированного срока службы, материала и расположения деталей, требуемого вида поверхности, способа получения защитного слоя.

Электрический контакт между двумя касающимися металлами может быть предотвращен с помощью использования, например, металлических клеев вместо электрических проводящих соединений или  с помощью окраски (в случае механически малонагруженных соединений).

Вспомогательные материалы, используемые при изготовлении детали, могут оказывать агрессивное воздействие как на деталь, так и на другие составляющие устройства. Особенно активны при этом формальдегид, кислоты, хлориды. Мерами защиты могут быть ограничение воздействия (например, многократная промывка печатных плат от травильного раствора или использование безкислотных флюсов), нанесение защитных покрытий (например, покрытие печатных плат лаком), выбор рациональной конструкции узла (например, отдельное расположение батарей).

Обычно окраску осуществляют в два приема: вначале наносят грунтовый, а затем покровный слой. Грунт предназначен для пассивации защищаемой поверхности, а также для обеспечения надежной связи покровного слоя с основным материалом. Покровный слой состоит из слоев грунтовой краски и лака, причем грунтовая краска предназначена для надежного соединения грунта с покровным слоем, служащий для непосредственной защиты от воздействий окружающей среды, а также для подготовки к нанесению лакового слоя.

Как показывает практика, коррозия деталей из черных металлов, особенно мелких, начинается на кромках, так как слой краски на них недостаточен. Здесь появляется подоплечная коррозия, которая постепенно приводит к отслоению защитного покрытия, Подобный процесс развивается в заклепках, резьбовых сварных швах. Для предотвращения таких явлений необходима дополнительная защита кромок.

В разрабатываемой конструкции кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий защита от коррозии предусмотрена выбором материалов (сплав АМц обладает высокой коррозионной стойкостью).

Кроме того, металлические элементы конструкции покрываются краской МЛ-12

14.2.Защита от воздействия влаги

Приборы требуют защиты от влаги для предотвращения от корродирования, которое влечет за собой сокращение срока службы, уменьшение надежности, изменение механических и электрических параметров, вплоть до отказа. Одним из средств защиты приборов и конструктивных элементов от влаги является герметизация, которая может быть осуществлена только при использовании герметичных корпусов из металлических и неметаллических материалов. В последнее время по экономическим причинам все более широкое применение находят пластмассы. Однако пластмассы в большей или меньшей степени влагопроницаемые, что требует их очень тщательного отбора в каждом конкретном случае использования.

Как правило, все материалы, особенно пластмассы, имеют требуемые свойства только при определенных температурах и влажности. При слишком большой влажности пластмасса может набухать, при слишком сухой атмосфере становиться хрупкой. При падении температуры ниже точки росы, возможно также осаждение воды.

В разрабатываемой конструкции защита от воздействия влаги предусмотрена нанесением анодно-окисных покрытий на металлические детали (втулки, обрамление), а также окраской деталей.

Плата печатная разрабатываемого модуля управления и индикации в процессе производства на последних операциях обработки покрывается специальным лаком для обеспечения влагозащиты, а также для увеличения механической прочности.  

14.3.Защита от электрического удара

Защиту от электрического удара для электронных приборов и устройств подразделяют на защиту от непосредственного касания при нормальной работе и защита от косвенного касания в случае ошибки.

Электронные приборы и устройства аппаратуры связи, электронные измерительные приборы и бытовые устройства, кроме общих требований к электрическим установкам, должны дополнительно отвечать и специальным требованиям к их безопасности.

Все детали (например, проводники), во время работы, находящиеся под напряжением, должны быть изолированы или расположены так, чтобы была предотвращена возможность их касания обслуживающим персоналом. Кожухи и экраны приборов должны быть выполнены так, чтобы их нельзя было снять без использования инструментов.

В электронных приборах все находящиеся под напряжением выводы, касание которых опасно, должны быть соответствующим образом защищены и расположены на определенном безопасном расстоянии от других токоведущих элементов, касание которых возможно. Защита должна быть гарантирована при касании элементов в любой последовательности. Отверстия в корпусах должны быть выполнены так, чтобы была обеспечена степень защиты, требуемая для данного прибора. Правильность расположения отверстий в электронных бытовых приборах проверяют с помощью испытательных оправок.

Открытые для касания детали электронных приборов и устройств, не находящиеся под напряжением (например корпуса) должны быть выполнены так, чтобы даже в аварийном случае на этих деталях не могло появиться опасное напряжение. Для всех электротехнических устройств и электронных приборов номинальное напряжение U= 1кВ (для переменного тока) и U= 1,5 кВ (для постоянного тока) необходимое последовательное выполнение требований  в соответствии с классом их защиты. Защитные мероприятия не требуются: для приборов с установившимся током короткого замыкания 20 мА; для приборов с батарейным электропитанием и преобразователем напряжения, если выходная мощность преобразователя не превышает 2 Вт при его внутреннем сопротивлении не менее 10 кОм; для элементов приборов, которых можно касаться только при снятии напряжения и в которых приняты меры для предотвращения подачи напряжения на касаемые детали (например, на детали внутри выдвижных блоков); для металлических деталей крепления проводов и кабелей.

Классы защиты. Классом защиты определяются мероприятия, в результате которых должно быть полностью предотвращено появление опасных в отношении касания напряжений на деталях электротехнических и электронных устройств и приборов, при нормальных условиях, не находящих под напряжением. При этом различают класс защиты I (защитное заземление, для чего предусматриваются, например, места подключения защитного проводника, соединители (штекеры) с защитным контактом и т.д.), класс защиты II (защитная изоляция) и класс защиты III (защитное пониженное напряжение).

В разрабатываемой конструкции защита от поражения электрическим током предусмотрена защитным заземлением. На задней панели УЦИ расположена клемма для подключения заземления.

14.4.Защита от действия внешних электромагнитных полей

Эффективной защитой от воздействия электрических полей является экранирование, которое снижает энергию внешнего электромагнитного поля, а также помехи и влияние прибора на внешнюю среду. Причинами паразитных наводок на прибор являются внешние источники помех, а также образование межкаскадных связей под влиянием электростатических и электромагнитных полей.

В зависимости от типа и частоты поля различают экранирование электрических и магнитных полей высокой и низкой частоты. Часть электромагнитной энергии отражается от поверхности экрана, часть проникает в него. В свою очередь, определенная доля энергии, проникшая в экран, отражается от его другой стенки, остальная энергия проходит сквозь экран насквозь. Достигаемое при этом ослабление поля называется экранирующим действием, отношение напряженностей полей за экраном и перед ним – эффективностью экранирования, а выражаемый в децибелах логарифм величины, обратной этому коэффициенту – затуханием экранирования.

Корпус кварцевого измерителя толщины напыленных оптических покрытий представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из крышки и основания, благодаря чему обеспечивается определенная помехоустойчивость благодаря экранированию корпусом.

14.5.Защита от механических нагрузок

Механические нагрузки, которые испытывают приборы и окружающая среда, обусловлены, в частности, динамическими воздействиями на них в виде колебаний и ударов. Защита от этих нагрузок возможна с помощью демпфирования, изоляции и гашения колебаний с помощью дополнительных масс. Целями мероприятий по защите от воздействия механических нагрузок являются: обеспечение выполнения прибором, испытывающим механические нагрузки, заданной ему функции; повышение точности, надежности и срока службы приборов, защита обслуживающего персонала от шума и вибраций.

При воздействии определенных входных величин на систему прибор-место установки появляющиеся деформации рабочих элементов, напряжения конструктивных элементов или колебания соседних деталей не должны превышать заданных значений.

Снижение колебательных и ударных нагрузок. При проектировании необходим точный расчет их колебаний, который позволяет исключить в последующем работы по снижению колебательных нагрузок. Точный расчет предполагает точное значение параметров колебаний рассматриваемой системы. Различают следующие мероприятия по снижению колебательных и ударных нагрузок:

  •  первичные мероприятия – уменьшение влияния возбуждающих величин  путем демпфирования, активной изоляцией или гашения колебаний в месте их возникновения;
  •  вторичные мероприятия – изменение передаточной функции колебательной системы с помощью предотвращения ее резонанса и использования пассивной изоляции.

В принципе, конструктор может снизить механические колебательные и ударные нагрузки на прибор и окружающую среду тремя путями: демпфированием;

Изоляцией колебательной системы и гашением этих нагрузок. Гашение колебаний применяется в станкостроении и в крупном приборостроении.

Демпфирование колебаний и ударов. Снижение колебательных и ударных нагрузок путем демпфирования возможно за счет механических или электрических демпферов. В качестве механических демпферов могут использоваться также клапаны, заслонки (дроссели) или сильфоны.

Изоляция колебаний и ударов. Под изоляцией колебаний понимают уменьшение или предотвращение распространения колебаний с помощью изоляторов (упругие элементы).

Для эффективной изоляции частота возбуждения должна значительно отличаться от собственной частоты изолятора, так как  в ином случае могут развиваться так называемые частоты пробоя.

15. Технико-экономическое инвестиционного проекта в сфере эксплуатации новой техники

Краткая характеристика проекта

В данном дипломном проекте описывается разработка устройства, предназначенного для определения толщины напыленных оптических покрытий. Аналог данного устройства в данный момент производится фирмой «Изовак». Прибор был разработан для контроля за напылением многослойных пленочных структур. Для организации процесса напыления необходимо занести параметры материалов, слоев в память и запрограммировать формулу пленочной структуры (указать последовательность напыляемых слоев). Это устройство применяется в производстве кинескопов, полупроводниковых изделий, микросхем и прочих изделий, требующих точного контроля величины напыляемого покрытия, размеры которого лежат в пределах 0,1 – 999,9 нм. Измерения производятся в вакууме. Важной характеристикой прибора является его возможность проводить измерения непосредственно в процессе напыления покрытия. В отличии от аналога, данная модель имеет ряд преимуществ, таких как меньшая потребляемая мощность 4 Вт (у аналога 6 Вт), большая разрешающая способность, возможность контроля до 10 слоев, период измерения 0,6 с (у аналога 1 с).

Расчет отпускной цены  единицы новой техники

Проведем расчёт затрат по статье “сырьё и материалы за вычетом возвратных отходов”. В эту статью включается стоимость основных и вспомогательных материалов, необходимых для изготовления единицы продукции по установленным нормам.

                                                                     (15.1)

где Ктр – коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы при приобретении материалов (примем равным 1,5);

Нрi – норма расхода i-го вида материала на единицу продукции (кг, м, л,);

Цi – отпускная (оптовая) цена за единицу i-го вида материала, ден.ед.;

Овi – возвратные отходы i-го вида материала (кг, м, л). Для упрощения расчётов возвратные отходы принимаем в размере 1 % от стоимости материалов с учётом транспортно-заготовительных расходов;

Цоi – цены за единицу отходов материала i-го вида, ден.ед.;

n – номенклатура применяемых материалов.  

Полный расчет затрат на приобретение основных и вспомогательных материалов представлен в таблице 15.1.

Таблица 15.1 - Расчет затрат на материалы

Наименование

Един. изм.

Количество

Цена, руб

Сумма, руб

Эмалью НЦ-11 черной

кг

0,4

10000

4000

Краска маркировачная МКЭЧ черная

кг

0,05

35000

1750

Припой  ПОС-61

кг

0,25

25000

6250

Флюс ФСК

кг

0,25

10000

2500

Стеклотекстолит    СФ-2-35

м

0,3

12000

4000

Лак УР-231

кг

0,3

27000

9000

Эмаль МЛ-12 белая

кг

0,05

20000

1000

Итого

Всего с транспортно-заготовительными расходами

32775

Расчет затрат по статье “Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты” осуществляется по формуле:

                                                                                          (15.2)

где Dкj – количество покупных комплектующих изделий или полуфабрикатов  j-го вида на единицу продукции, шт;

Цj – отпускная цена j-го вида покупных комплектующих изделий или полуфабрикатов,  ден. ед.;

m – номенклатура применяемых покупных комплектующих изделий или полуфабрикатов;

Ктр – коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы (примем равным 1,15);

Полный расчет затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты приведен в таблице 15.2.

Таблица 15.2 - Затраты на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты

Наименование

Един. изм.

Количество

Цена, руб

Сумма, руб

Корпус

шт

1

20000

20000

Крепление пьезорезонатора

шт

1

13000

13000

Пьезорезонатор

         50 МГц

          10 МГц

шт

шт

2

1

2700

1600

5400

1600

ИМС:

          К1533ЛА3

К1533КП2

КР1554ИР51

КР1533ТМ2

АТ89С52-24JC

AD8561AR

шт

шт

шт

шт

шт

шт

1

1

1

1

1

1

1200

1900

1000

2500

3600

1900

1200

1900

1000

2500

3600

1900

Конденсаторы:

          К10-7

          К50-16

          К52-1

          КП1-4

шт

шт

шт

шт

7

5

1

1

1000

900

1300

1350

7000

4000

1300

1350

Резисторы МЛТ

шт

22

500

11000

Диоды:

          КД522Б

шт

2

450

900

Транзисторы:             

           КТ345А

КТ340Б

шт

шт

3

3

1400

1700

4200

5100

Лампочка КМ24-35

шт

9

360

3240

ЖК панель

шт

1

3000

3000

Блок переключателей

шт

1

1300

1300

Провод           

       ПМВГ

       МГТФЭ

м

м

0,5

0,4

500

600

250

240

Гнездо

шт

1

700

8000

Розетка

шт

1

500

500

Итого:  

103480

Всего с транспортно-заготовительными расходами

119002

Расчет затрат по статье “Основная заработная плата основных производственных рабочих” осуществляется по формуле:                                               

                                                                                           (15.3)

где Кпр – коэффициент премий, установленный за выполнение плановых показателей;

     Тчi -  часовая тарифная ставка, соответствующая разряду выполняемой по i-ой операции работ, ден. ед./ч;

     t - норма времени (трудоемкость) на выполнение работ по i-ой операции, норма-час/шт.;

     к – количество технологических операций при производстве изделия.

Полный расчет затрат по статье “Основная заработная плата производственных рабочих” представлен в таблице 15.3.

Таблица 15.3 - Расчет основной заработной платы производственных рабочих по видам работ

Вид работы

(операции)

Разряд  

работы

Часовая

тарифная ставка р./ч

Норма времени по

операции,

норма-час

Прямая зарплата, р.

1. Подготовительная операция

2

1392

0,03

41,8

2. Установка элементов на печатную плату

4

1884

0,1

188,4

3. Пайка волной

5

2676

0,06

103,8

4. Контроль печатной платы

3

1620

0,02

32,4

5. Развод проводов внутри корпуса

5

2076

0,1

207,6

6. Распайка проводов

5

2076

0,3

622,8

7. Контроль

5

2076

0,02

41,5

8. Изготовление передней панели

4

1884

0,02

37,7

9. Сборка

3

1620

0,05

81

10. Контроль

6

2280

0,02

45,6

11.Маркировка

3

1620

0,04

64,8

12.Упаковка

3

1620

0,01

64,8

Итого

1530

Премия (27%)

410

Всего с премией

1940

Расчет затрат по статье “ Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих ” осуществляется по формуле:

                                                                                              (15.4)

где Зо – основная заработная плата;

Нд – процент дополнительной заработной платы производственных рабочих, равный 20%.           

                                                     руб.    

Расчет затрат по статье “Отчисление в Фонд социальной защиты населения”:

                                                                                         (15.5)

где Нсоц – ставка отчислений в Фонд социальной защиты населения, установленный законодательством, %. Нсоц=35%.                                                                                                                                     

                                               руб.

Расчет затрат по статье “Единый налог от фонда оплаты труда”:

                                                                                            (15.6)

где Нен – ставка единого налога (сумма ставок чернобыльского налога и отчислений в Фонд содействия занятости), установленного законодательством, %. Нен= 5%.                                    

                                                 

Расчет затрат по статье “Износ инструментов и приспособлений целевого назначения” осуществляется по формуле:                                                                             

                                                                                           (15.7)

где Низ – норматив износа инструментов и приспособлений целевого назначения, % (Низ=10%).

                                                     =194 руб.   

Расчет затрат по статье “Общепроизводственные расходы”  осуществляется по формуле:

                                                                                               (15.8)

где Нобп – норматив общепроизводственных расходов, % (Нобп=180%);

                                               руб.    

Расчет затрат по статье “Общехозяйственные расходы”  осуществляется по формуле:

                                                                                                  (15.9)

где Нобх – норматив общехозяйственных расходов, % (Нобх= 200%);

                                                =3880 руб.

Расчет затрат по статье “Прочие производственные расходы”  осуществляется по формуле:                           

                                                                                               (15.10)

где Нпр – норматив прочих производственных расходов, % (Нпр=2%);

                                                      =39 руб.

Производственная себестоимость считается по формуле:

                                     Спрмкодсоценизобпобхпр          (15.11)

Спр=32447+119002+1940+390+820+100+194+3492+3880+39=162304 руб.

Расчет затрат по статье “Коммерческие расходы” осуществляется по формуле:

                                                                                         (15.12)

где Нком – норматив коммерческих расходов, % (Нком=1%);

                                                    =1623 руб.

Полная себестоимость определяется по формуле:

                                                            Сппр + Рком                                       (15.13)

                                              Сп= 162304+1623=163927 руб.

Расчет затрат по статье “Плановая прибыль на единицу продукции” осуществляется по формуле:

                                                                                               (15.14)

где РЕ – уровень рентабельности единицы продукции, % (РЕ=24%);

                                                 =39383 руб.

Цена предприятия считается по формуле:

                                                        Цпрп + Пед                                          (15.15)

                                               Цпр=163927+39383=203310 руб.

Расчет затрат по статье “Отчисления в местный бюджет ” считается по формуле:

                                                                                   (15.16)

где Нмб – ставка отчислений в местный бюджет, % (Нмб=2,5%);

=5254 руб.

Расчет затрат по статье “Отчисления в республиканский бюджет” считается по формуле:

                                                                          (15.17)

где Нрб – ставка отчислений в республиканский бюджет, % (Нрб=2%);

                                            =4289 руб.

Отпускная цена без НДС определяется по формуле:

                                                  Ц* = Спедмбрб                                 (15.18)

                                 Ц* = 163927+39383+5254+4289 = 214452 руб.

Расчет затрат по статье “Налог на добавленную стоимость” осуществляется по формуле:

                                                                                                (15.19)

где Ндс – ставка налога на добавленную стоимость, % (Ндс=20%);         

                                            =42890 руб.

Отпускная цена на оборудование считается так:

                                         Цотп = Сп + Пед + Омб + Орб + НДС                     (15.20)

                      Цотп = 163927+40982+5254+4289 +42890 = 257342 руб.

Расчет себестоимости и отпускной цены единицы продукции представлен в таблице 15.4.

Таблица 15.4 - Расчет себестоимости и отпускной цены единицы продукции

Наименование статьи     

затрат

Условное

обозначение

Значение, руб.

Примечание

1.Сырьё и материалы за вычетом отходов

Рм

32447

См.табл.15.1

2.Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты

Рк

119002

См.табл.15.2

3. Основная заработная плата основных производственных рабочих

Зо

1940

См.табл.15.3

4. Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих

Зд

390

(15.4)

5. Отчисление в Фонд социальной защиты населения

Рсоц

820

(15.5)

6. Единый налог от фонда оплаты труда

Рен

100

(15.6)

7. Износ инструментов и приспособлений целевого назначения

Риз

194

(15.7)

8.Общепроизводственные расходы

Робп

3492

(15.8)

9. Общехозяйственные расходы

Робх

3880

(15.9)

10. Прочие производственные расходы

Рпр

39

(15.10)

Производственная себестоимость

Спр

162304

(15.11)

11. Коммерческие расходы

Рком

1623

(15.12)

Полная себестоимость

Сп

163927

(15.13)

12.Плановая прибыль на единицу продукции

Пед

39383

(15.14)

Цена предприятия

Цпр

203310

(15.15)

13.Отчисления в местный бюджет

Омб

5254

(15.16)

14. Отчисление в республиканский бюджет

Орб

4289

(15.17)

Отпускная цена без НДС

Ц*

214452

(15.18)

15. Налог на добавленную стоимость

НДС

42890

(15.19)

Отпускная цена

Цотп

257342

(15.20)

Расчет стоимостной оценки затрат

В сфере эксплуатации новой техники необходимо рассчитать прирост капитальных единовременных вложений, которые несет потребитель в связи с переходом к ее эксплуатации.

Прирост капитальных единовременных вложений () определяется по формуле:

                                                        (15.21)

где Кнт -  единовременные затраты на приобретение новой техники у предприятия-изготовителя, определяется следующим образом:

                                                                                   (15.22)

где Цнт – отпускная цена за единицу новой техники, руб.;

      Nнт – количество единиц новой техники, закупаемой у изготовителя, шт.;

      Кд -  единовременные затраты на демонтаж ранее установленного оборудования, руб. ( 10%  от  отпускной цены);

 Ктр – единовременные затраты на доставку новой техники к месту эксплуатации, руб. (20-30% от отпускной цены новой техники);       

      Км – единовременные затраты на установку, монтаж и наладку, руб. (10%  от  отпускной цены новой техники);

      Кзд -  единовременные затраты на строительство или реконструкцию здания и других элементов основного фонда, связанных с использованием новой техники, руб. Принимаем равным нулю, так как использование нового оборудования не требует строительства или реконструкции зданий или других элементов основного фонда.

Тогда найдем единовременные затраты на приобретение 10 единиц новой техники:

                                        =257342x10=2573420 руб.

Затем единовременные затраты на демонтаж ранее установленного оборудования (т.е. 10% от отпускной цены):

                                           =38601 руб.

Затем единовременные затраты на доставку новой техники к месту эксплуатации (25% от отпускной цены новой техники):

                                      =64336 руб.

После чего определим единовременные затраты на установку, монтаж и наладку оборудования (10% от отпускной цены новой техники):

                                        =25734 руб.

Тогда прирост единовременных капитальных вложений () определяется по формуле (21):

                      =2573420+38601+64336+25734=2702091 руб.

Расчет стоимостной оценки результата

Результат в сфере эксплуатации представляет собой прирост чистой прибыли за счет экономии ресурсов в результате повышения производительности и мощности, надежности и долговечности, дальности действия, точности, помехозащищенности и других параметров новой техники, которая будет использоваться в процессе производства.

Повышение надежности, долговечности и ремонтопригодности новой техники приводит к сокращению затрат на электроэнергию, ремонт и содержание оборудования, т.е. к уменьшению эксплуатационных издержек.

Эксплуатационные затраты представляют собой совокупность затрат, связанных с содержанием и эксплуатацией оборудования.

Заработная плата обслуживающего персонала не меняется, т.к. переход к эксплуатации нового оборудования не приводит к изменению числа обслуживающего персонала.

Амортизационные отчисления

                                                                                                      (15.23)

где На – норма амортизации используемой техники, %(На=15%);

     - амортизируемая (первоначальная)  стоимость используемой техники.    

Затраты на потребляемую электроэнергию

                 

                                                                                          (15.24)

где Wд – потребляемая мощность, кВт.Так как количество единиц новой техники n=10,то потребляемая мощность W= ;

      - годовой эффективный фонд времени работы используемой техники, ч.

      Цэл – тариф на электроэнергию, руб./кВт ч.

Затраты на текущий ремонт

                                                                                         (15.25)

где Нрем– норматив затрат на плановый текущий ремонт используемой новой техники, %  (Нрем=5%);

     Цотп- отпускная цена используемой техники, руб.

Исходные данные для составления сводной ведомости эксплуатационных расходов приведены в таблице 15.5.

Таблица 15.5.

Исходные данные для составления сводной ведомости

Наименование

Заменяемый вариант

Новый  вариант

1.Затраты на доставку техники к месту эксплуатации (20-30% от отпускной цены), руб

96503

64336

2.Затраты на установку, монтаж и наладку, (10% от отпускной цены), руб.

38601

25734

3.Отпускная цена (единицы техники), руб.

386013

257342

4.Тариф на электроэнергию, ден.ед./кВт ч.

70

70

5.Потребляемая мощность, кВт ч.

0,06

0,04

6. Годовой эффективный фонд времени работы используемой техники,ч.

3886

3886

7. Количество единиц новой (заменяемой) техники

10

10

Сводная ведомость эксплуатационных расходов по новой и заменяемой технике представлена в таблице 15.6.

Таблица 15.6.

Сводная ведомость эксплуатационных расходов по вариантам

Наименование затрат, единицы измерения

Заменяемый вариант

Новый вариант

1.Амортизацион-ные отчисления, тыс. руб.

=580,4

=386,9

2.Затраты на потребляемую электроэнергию, тыс. руб.

=16,3

=10,9

3. Затраты на текущий ремонт, тыс. руб.

=193

=128,7

Итого затрат:

789,7 тыс.руб.

526,5 тыс.руб.

Экономия, полученная за счет снижения эксплуатационных издержек, рассчитывается по формуле:

                                                                                         (15.26)

где  и  - годовые эксплуатационные издержки соответственно по заменяемой и новой технике, руб.;

      К – коэффициент приведения к сопоставимому виду, учитывающий рост производительности оборудования, или коэффициент качества, который определяется по формуле:

                                                                                                   (15.27)

где Кi – частный коэффициент качества i-го параметра нового изделия;

      – степень значимости i-го параметра.

Исходные данные для определения частных коэффициентов качества приведены в таблице 15.7.

Таблица 15.7.

Исходные данные для определения частных коэффициентов качества

Наименование параметров

Заменяемого

образца

Нового образца

1.Процент брака  при выходе готовой продукции.

9

3

2. Площадь зрения на лицевой панели, мм

      13100

6400

Частный коэффициент качества i-го параметра определяется по формуле:

                                                                                                        (15.28)

где - параметр заменяемого оборудования;

- параметр нового оборудования;

Частные коэффициенты качества i-ых параметров оборудования представлены в таблице 15.8.

Таблица 15.8.

Коэффициенты качества i-ых параметров оборудования

Параметры

Кi

1.  Процент брака при выходе готовой продукции, %

3

0,7

2.  Удобство в эксплуатации (т.е. уменьшение площади зрения, что уменьшает давление на зрительные анализаторы рабочего), %

2

0,3

Используя данные таблицы 8  и учитывая формулу (15.27) считаем коэффициент качества:                                              

                                        =2,7

Тогда:                                                             

                      =1605,7 тыс.руб.

Прирост чистой прибыли за счет экономии текущих затрат рассчитывается по формуле:

                                                                                     (15.29)

где n – вид затрат, по которым получена экономия;

     Эi – экономия, полученная за счет снижения i-ого вида издержек, руб.;

     Нп – ставка налога на прибыль, %.

                                  =1220,3 тыс.руб.

Расчет интегрального экономического эффекта в сфере потребления новой техники

Коэффициент дисконтирования , определяемый для постоянной нормы дисконта следующим образом

                                         ,                                         (15.30)

где - норма дисконта (в долях единиц);

      - порядковый номер расчетного года,  = 1.

      - порядковый номер года, затраты и результаты которого приводятся к расчетному году.

При расчете коэффициентов дисконтирования по годам использовалась норма дисконта Ен = 40%.

По полученным ранее расчетам осуществляем расчет интегрального экономического эффекта у потребителя новой техники, который представлен в таблице 15.9.

Таблица 15.9.

Расчет интегрального экономического эффекта в сфере потребления новой техники

Наименование