Вихретоковое измерительное устройство

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реснублик

pi>983527 (61) Дополнительное к авт. свид-ву= (22) Заявлено 200781 (21) 3322218/18-21

Р М К з

G 01 N 27/90 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытнй (23) Приоритет—

Опубликовано 231282. бюллетень ¹ 47

Дата опубликования описания 231282 (33) УДК 620. 179.. 14 (088. 8) (72) Автор изобретения

A.A. Родин

Московский ордена Ленина и ордена Октябрьскоч Революции энергетический институт (71) Заявитель (54) ВИХРЕТОКОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к электромагнитной дефектоскопии, в частности, к вихретоковым устройствам для неразрушающих измерений параметров электро- 5 проводящих труб и отверстий в электропроводящих иэделиях, например в металлизации печатных плат.

Известно вихретоковое измерительное устройство, содержащее генератор, вихретоковай преобразователь, блок аналоговой обработки сигналов и индикатор (,1).

Недостатком данного устройства является низкая точность из-эа влияния колебаний характеристик объекта контроля и внешних условий на показания устройства.

Известно также вихретоковое измерительное устройство содержащее последовательно соединенные генератор, блок вихретокового преобразователя, блок обработки сигналов, цифровой контроллер и блок вывода информации, механизм перемещения блока вихретакового преобразователя, подключенный к цифровому контроллеру, а также блок тестов, входы которого подключены к генератору и цифровому контроллеру, а выход — к блоку вихретокового преобразователя 1.21.

Однако для известного устройства характерна недостаточная точность измерений, которая ограничена погрешностью блока тестов и.погрешностями, вызванными изменением характеристик объекта контроля, например удельной электрической проводимостью, и параметров вихретокового преобразователя под влиянием внешних условий, например температуры.

Цель изобретения — повышение точности вихретокового измерительного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в вихретоковое измерительное устройство, содержащее генератор, последовательно включенные блок вихре« токового преобразователя, блок обработки сигналов, цифровой контроллер и блок вывода информации, а также механизм перемещения, включенный между цифровым контроллером и блоком вихретокового преобразователя, введены блок формирователей и усилитель с автоматической регулировкой усиления, генератор выполнен в виде управляемого синтезатора частоты, при этом выход генератора соединен с входом блока формирователей, выход синусоидального напряжения которого

983527 ходы которого подключены к входам блока 7 вывода информации, управляющим входом механизма 8 перемещений блока вихретокового преобразователя, управляющим входом генератора 1 и блока 5 обработки сигналов. Входы цифрового контроллера подключены к выходам блока 5 обработки сигналов и механизма 8.

Блок 4 вихретокового преобразователя (фиг. 2J содержит вихретоковый преобразователь 9, возбуждающая обмотка 10 которого соединена с выходом усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления, компенсирую15 щий усилитель 11, первый вход которого подключен к измерительной обмотке 12 вихретокового преобразователя 9, а выход соединен с входом блока 5 обработки сигналов, трансфор20 матор 13, первичная обмотка 14 которого включена последовательно с возбуждающей обмоткой 10, а вторичная обмотка 15 соединена с вторыми входами усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления и компенсирую,щего усилителя 11.

Блок 5 обработки. сигналов (фиг.3) содержит управляемый фильтр 16, один вход которого подключен к выходу компенсирующего усилителя 11, управляющие входы соединены с выходами цифрового контроллера 6, управляемый усилитель 17, вход которого подключен к выходу управляемого фильтра

16, а управляющие входы соединены с выходами цифрового контроллера 6, аналоговый запоминающий блок 18, вход которого подключен к выходу управляемого усилителя 17, два тактовых входа соединены с первым и вторым

40 импульсными выходами блока 2 формирователей, а управляющие входы под ключены к выходам цифрового контроллера 6, аналого-цифровой преобразователь 19, входы которого соединены с выходами аналогового запоминающего блока 18, управляющие входы - с выходами цифрового контроллера 6, а выходы — с входами последнего.

Автоматизированное вихретоковое измерительное устройство фиг. 1) содержит генератор 1, блок 2 Формирователей, вход которого соединен, с выходом генератора 1, усилитель 3 с .автоматической регулировкой усиления, первый вход которого подключен к выходу синусоидального напряжения блока 2 формирователей, блок 4 вихретокового преобразователя, вход возбуждения которого соединен с выходом усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления, выход обратной связи подключен к второму входу блока усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления, блок 5 обработки сигналов, один вход которого @ соединен с выходом блока 4 вихретокового преобразователя, а два тактовых входа — с первым и вторым импульсными выходами блока 2 формирователей, цифровой контроллер 6, вы- 65 соединен с первым входом усилителя, управляющие выходы цифрового контроллера соединены с входами генератора, первый и второй импульсные выходы блока Формирователей соединены с двумя тактовыми входами блока обработки сигналов, а выход усилителя соединен с входом возбуждения вихретокового преобразователя, выход обратной связи которого соединен с вторым входом усилителя.

Кроме того, блок обработки сигналов вихретокового измерительного устройства выполнен в виде последовательно соединенных управляемого фильтра, управляемого усилителя, аналогового запоминающего блока и аналого-цирового преобразователя, при этом вход управляемого фильтра соединен с входом блока обработки сигналов, тактовые входы аналогового запоминающего блока соединены с тактовыми входами блока обработки сигналов, управляющие входы управляемого фильтра, управляемого усилителя, аналогового запоминающего блока и аналого-цифрового преобразователя соединены с управляющими входами блока обработки сигналов, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом блока обработки сигналов.

На фиг. 1 изображена структурная схема вихретокового измерительного устройства; на фиг. 2 — блок вихретокового преобразователя; на фиг. 3 - .блок обработки сигналов.

Применение устройства наиболее эФфективно для нераэрушающего контроля металлизации отверстий печатных плат, поэтому для простоты и большей ясности изложения, в дальнейшем оно описано на примере использования его для измерения толщины металлизации отверстий печатных плат.

Блок 2 формирователей выполнен на основе последовательно включенных первого компаратора, интегратора и второго компаратора.

Управляемый фильтр 16 и управляемый усилитель 17 выполнены на основе цифро-аналогового преобразователя и операционных усилителей с регулируемыми сопротивлениями на полевых транзисторах в цепях обратной связи. Аналоговый запоминающий блок 18 выполнен на базе схем выборки-хранения.

Блок 7 вывода информации выполнен в виде цифрового индикатора и, печатающего устройства, а механизм 8 перемещений на базе шаговых двигателей., 983527

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с заданной программой цифровой контроллер 6 выдает и принимает по своим выходам и входам, соответственно, информацию в двоичных кодах.

Цикл измерения состоит из (n + 1) тактов. В n;..;..х тактах измеряются известные толщины

,, Т, ..., Ti, металлизации в отверстиях образцов, а в основном такте - толщина То металлизации в отверстии печатной платы. Толщина образцов и диаметр, отверстий в них соответственно равны толщине и диаметру отверстия печатной платы.

Каждый такт измерения начинается с выдачи цифровым контроллером б в генератор 1, выполненный в виде управляемого синтезатора частоты, когда частоты

4=хо„,-1в щж) где .,,о. — удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость металлизации i-го отверстия;

i = 1,2,..., n + 1.

Генератор 1 вырабатывает высокочастотные и стабильные колебания с частотой f . Они преобразуются бло.ф ком 2 формирователей в два импульсных квадратурных напряжения и синусоидальное напряжение с частотой

Синусоидальный ток с выхода блока 2 формирователей усиливается усилите- лем 3 с автоматической регулировкой усиления, работающим в режиме источника тока, и поступает в возбуждающую обмотку 10 вихретокового преобразователя 9 и первичную обмотку 14 трансформатора 13. Усилитель 3 с автоматической регулировкой усиления поддерживает постоянным напряжение на вторичной обмотке 15, установившееся после включения устройства.

Напряжение 0 холостого хода измерительной обмотки 12 вследствие этого также поддерживается постоянным.

Цифровой контроллер выдает в механизм 8 перемещений блока 4 вихре токового преобразователя код координат i-го отверстия. Последний устанавливает вихретоковый преобразователь 9 соосно с отверстием и вводит

его в отверстие.

Вихревые токи, возбуждаемые в металлизации отверстия возбуждающей обмоткой 10, создают в измерительной обмотке 12 напряжение U(T, ), зависящее от толщины металлиэации

Напряжение 0 (Т ) + U c измерительной обмотки 12 поступает на первый вход компенсирующего усилителя 11, на второй вход которого подается напряжение U со вторичной обмотки

15. Компенсирующий усилитель 11 усиливает напряжение 0(Т„-)+U" - К0, где Кю U /U . Усиленное напряжение поступает в блок 5 обработки сигналов.

Цифровой контроллер б, когда вихретоковый преобразователь 9 занимает рабочее положение в отверстии, выдачей кодов на соответствующие входы устанавливает полосу пропусканий управляемого фильтра 16, соответствующего частоте f. и режим выборки аналогового запоминающего блока 18. . Управляемый фильтр 16 выделяет первую гармонику частоты f; сигнала, а управляемый усилитель 17 усилива15 ет его с коэффициентом Кл. Аналого вый запоминающий блок 18 по спадам импульсов квадратурных напряжений с импульсных выходов блока 2 формирователей запоминает реальную Rg, и мнимую 1г,л„ составляющие синусоидального сигнала и по команде цифрового контроллера 6 переходит в режим хранения. Аналого-цифровой преобразователь 19, управляемый цифровым конт.г5 Роллером 6, преобразует R@ - и 1щ„. в двоичные коды и выдает их в цифровой контроллер б. В первом такте изме. Рения/Тл =1ах Т;,0 ГГл)= aX ) О (T„) )/ цйфровой контроллер б, изменяя по

ЗО итерационному алгоритму код на входах управления управляемого усилите- . ля 17, устанавливает коэффициент

/усиления Кл, при котором напряжения

R« z i « He превышают предела иэменейия входного напряжения аналогоцифрового преобразователя 19. Коэффициент усиления К> не меняется saтем в течение всего цикла измерения.

Этим обеспечивается масштабирование сигналов.

Результаты (п + 1) тактов измерения можно представить в виде

Ч„=ал(+)+О,й)т„+" л-а1„(+,)т„" 3,„= 0л(Ь) Г С1 ®Тг л-. ° л. СЗ„(Ь) T„" (4 )

45 ,л Л 1„,л=О,И,) +а ()тол-.. 0 (4) T г — х где ул = ЧКел + ю;: а1 (t), а (t) а„(t ) - коэффициенты математической модели градуировочной характеристики устройства, включая вихретоковый преобразователь.

Искомое значение толщины T метало лиэации в отверстии печатной платы определяется из уравнения (2) при подстановке в него значений коэффициентов ал (t), à. (t),...,а,(г.), полу. ченных решением системы уравнений (1).

Эти операции выполняет цифровой контроллер б.

Цикл измерения заканчивается выдачей кода Т„ в блок 7 вывода информации, например на цифровой индикатор.

Аналогично можно измерять удельную

65 электрическую проводимость металлиэа983527

55 ции в отверстиях печатных плат. Геометрические параметры отверстий образцов и печатных плат при этом должны быть соответственно идентичны, а удельные электрические проводимости металлизации у.„ у раздичны и, Г = max ô )., Таким образом, значительно снижается погрешность, вызванная изменением параметров устройства под влиянием внешних условий,, так как в каждом цикле измерения продолжительностью менее 1 с искомая величина определяется с учетом текущих значений коэффициентов градуировочной характеристики.

Коррелированная составляющая погрешности измерения снижается поддержанием с помощью генератора 1 и усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления постоянства оптимального значения обобщенного параметра контроля и напряжения холостого хода вихретокового преобразователя 9, а также применением метода образцовых мер °

Некоррелированная составляющая погрешности измерения, связанная с воздействием случайных импульсных помех, снижается применением управля. емого фильтра 16 с полосой пропускания, соответствующей сигналу, и аналогового запоминающего блока 18, осуществляющего выборку за время менее

10 с.

Точность измерений обеспечивается точностью изготовления образцов, превышающей точность блока тестов известного устройства. Образцы выпол- няются по прецизионной технологии, а изменение их параметров под влиянием внешних, условий, например температуры, идентично изменению однородных параметров объекта контроля и не влияет на погрешность измерений.

Испытания устройства показали, что точность измерения им толщины металлизации в отверстиях печатных плат в 2 раза выше, чем у известного устройства, при этом предлагаемое ,вихретоковое измерительное устройство позволяет осуществлять контроль металлизации отверстий печатных плат в технологическом процессе их производства.

Формула изобретения 1. Вихретоковое измерительное устройство, содержащее генератор, последовательно включенные блок вихретокового преобразователя, блок обработки сигналов, цифровой контролер и блок вывода информации, а также механизм перемещения, включенный между цифро- вым контроллером и блоком вихротокового преобразователя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с .целью повышения точности, в него введены блок формирователей и усилитель с автоматической регулировкой усиления, генератор выполнен в виде управляемого синтезатора частоты, при этом выход генератора соединен с входом блока формирователей, выход синусоидального напряжения которого соединен с первым. входом усилителя, управляющие выходы цифрового контроллера соединены с входами генератора, первый и второй импульсные выходы блока формирователей соединены с двумя тактовыми входами блока обработки сигналов, а выход усилителя соединен с входом возбуждения блока вихретокового преобразователя, выход обратной связи которого соединен с вторым входом усилителя.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок обработки сигналов выполнен в виде последовательно соединенных управляемого фильтра, управляемого усилителя, аналогового запоминающего блока и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход управляемого фильтра соединен с входом блока обработки сигналов, тактовые входы аналогового запоминающего блока соединены с тактовыми входами блока обработки сигналов, управляющие входы управляемого фильтра, управляемого усилителя, аналогового запоминающего блока и аналого-цифрового преобразователя соединены с управляющими входами блока обработки сигналов, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом блока обработки чгналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В. Клюева. N., "Машиностроение", 1977, т. 2. с. 326.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2954205/25-28, кл. G 01 N 27/90, 27.01.81

983527 иг.

Составитель С. Иумил ыская

Редактор И. Николайчук Техред К.Мыцьо Корректор У. Пономаренко

Закаэ 9908/49 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4