Вихретоковое измерительное устройство Советский патент 1982 года по МПК G01N27/90 

(54) ВИХРЕТОКОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к электрома нитной дефектоскопии, в частности, к вихретоковым устройствам для нераз рушаюших измерений параметров электр проводящих труб и отверстий в электройроводящих изделиях, например в металлизации печатных плат. Известно вихретоковое измеритель 1ое устройство, содержащее генератор вихретоковой преобразователь, блок /ангшоговой обработки сигналов и индикатор 11 j. Недостатком данного устройства является низкая точность из-за 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 вих|)етокового преобразователя, подключенный к цифровому контроллеру, а также блок тестов, входы которого подключены к генератору и цифровому контроллеру, а выход - к блоку вихретокового преобразователя L2J. 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 вихретокового 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 синусоидешьного 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 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 неразрушающего контроля металлизации отверстий печатны плат, поэтому для простоты и больше ясности изложения, в дальнейшем оно описано на примере использования его для измерения толщины металлизации отверстий печатных плат.

Автоматизированное вихретоковое измерительное устройство (фиг. 1) содержит генератор 1, блок 2 формир вателей, вход которого соединен. с выходом генератора 1, усилитель 3 с .автоматической регулировкой усиления, первый вход которого подключен к выходу синусоидального напряж ния 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 б, выходы 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. 2) содержит вихретоковый преобразователь 9, возбуждающая обмотка 10 которого соединена с выходом усилителя 3 с автоматической регулировкой усиления, компенсирующий усилитель 11, первый вход которого подключен к измерительной обмотке 12 вихретокового преобразователя 9, а выход соединен с входом блока 5 обработки сигналов, трансформатор 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.З) содержит управляемый фильтр 16, один вход которого подключен к выходу

0 компенсирующего усилителя 11, управляющие входы соединены с выходами цифрового контроллера б, управляемый усилитель 17, вход которого подключен к выходу управляемого фильтра

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

0 импульсными выходами блока 2 формирователей, а управляющие входы подключены к выходам цифрового контроллера б, 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.

Блок 2 формирователей выполнен

на основе псэследовательно 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

0 блок 18 выполнен на базе схем выборки-хранения.

Блок 7 вывода информации выполнен в виде цифрового индикатора и, печатающего устройства, а механизм 8 пе5 ремёщений базе шаговых двигателей.;.

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 (п + 1 тактов. В п вспомогатель1.л.1Х тактах измеряются известные толщины , .. . , Ти металлизации в отверстиях образцов, а в основном такте - толщина TO 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..

где. I удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость металлизации i-го отверстия;

i 1 ,2 п + 1 .

Генератор 1 вырабатывает высокочастотные и стабильные колебания с частотой f. Они преобразуются блоком 2 формирователей в два импульсных квадратурных напряжения и синусоидальное напряжение с частотой . Синусоидальный ток с выхода блока 2 формирователей усиливается усилителем 3 с автоматической регулировкой усиления, работсшэщим 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 и на вторичной обмотке 15, установившееся после включения устройства. Напряжение О холостого хода измерительной обмотки 12 вследствие этого также поддерживается постоянным.

Цифровой контроллер выдает в механизм 8 перемещений блока 4 вихре;токового преобразователя код координат 1-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 й(Т), зависящее от толщины металлизации i Напряжение ОСТд) u с измерительной обмотки 12 поступает на первый вход компенсирующего усилителя 11, на второй вход которого подается напряжение О со вторичной обмотки

Цифровой контроллер 6, когда 5 вихретоковый преобразователь 9 занимает рабочее положение в отверстии, выдачей кодов на соответствующие входы устанавливает полосу пропусканий управляемого фильтра 16, соответствующего частоте , и режим выборки аналогового запоминающего блока 18.

. Управляемый фильтр 16 выделяет первую гармонику частоты сигнала, а управляемый усилитель 17 усиливает его с коэффициентом K-f. Аналоговый запоминающий блок 18 по спадам импульсов квадратурных напряжений с импульсных выходов блока 2 формирователей запоминает реальную и

0 мнимую составляющие синусоидального сигнала и по команде цифрового контроллера 6 переходит в режим хранения. Аналого-цифровой преобразователь 19, управляемый цифровым контроллером б, преобразует R.- и в двоичные коды и выдает их в цифровой контроллер б. В первом такте измерения/Т naxjTi,0 (Tt);mcix} ОСГ)1 цифровой контроллер б, изменяя по

Q итерационному алгоритму код на входах управления управляемого усилите- . ля 17, устанавливает коэффициент /Усиления К, при котором напряжения бч л1 ® превышают предела изменения входного напряжения ангшого5цифрового преобразователя 19. Коэффициент усиления Kjj не меняется затем в течение всего цикла измерения. Этим обеспечивается масштабирование сигналов.

0

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

и-

v))-Cla.U)Ti «. -t-Qv, (i)T

-. )TM+. +

(1) %4Г-ОЛ-Ь) ... -av,(

где VV + Irrv;

(t) .aj t)ay,(t) - коэффиcQ циенты математической модели градуировочной характеристики устройства, включая вихретоковый преобразователь. Искомое значение толщины Тд металлизации в отверстии печатной платы определяется из уравнения (2) при

55 подстановке в него значений коэффициентов ), a(t),...,a(t), полученных решением системы уравнений (1) Эти операции выполняет цифровой контроллер 6.

60

Цикл измерения заканчивается вь1дачей кода Тд в блок 7 вывода инфор.мации, например на цифровой индикатор.

Аналогично можно измерять удельную 65 электрическую проводимость металлизации в отверстиях печатных плат. Геометрические параметры отверстий образцов и печатных плат при этом должны быть соответственно идентичны, а удельные электрические проводимости, металлизации 7а.,..-Уп различны и , .,

Таким образом, зк:ачительно снижается пог;ре1дность, 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, превышакйдей точность блока тестов известного устройства. Образцы выполняются по прецизионной технологии, а изменение их параметров под влиянием внешнихоусловий, например темпе.ратуры, 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

0 формирователей соединены с двумя тактовыми входами блока обработки сигналов, а выход усилителя соединен с входом возбуждения блока вихретокового преобразователя, выход обратной

5 связи которого соединен с вторым входом усилителя.

5 при этом вход управляемого фильтра соединен с входом блока обработки сигналов, тактовые входы аналогового запоминающего блока соединены с тактовыми входами блока обработки

Q 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, 50 принятые во внимание при экспертизе

IF

-N

К/

S

Фиг. 5