 |
Ф – фильтр-анализатор; РП – регистрирующий прибор
|
|
|
|
В качестве измерительных преобразователей чаще всего используются пьезоэлектрические акселерометры (для измерения параметров вибраций, ударов и линейных нагрузок) и конденсаторные микрофоны (для измерений параметров акустических шумов). Схематично конструкция пьезоэлектрического акселерометра представлена на рис. 6.12.
Рис. 6.12. Пьезоэлектрический акселерометр
1 – пьезоэлементы; 2 – дополнительная масса
При воздействии на датчик вибрации 
реакция дополнительной массы 2 на пьезоэлементы 1 будет приводить к их деформации и к появлению на выходе датчика переменного электрического напряжения 
.
Одна из известных фирм по выпуску элементов подобных измерительных трактов – фирма «Брюль и Къер» (Дания).
6.2.3. Динамические характеристики конструкций РЭС
Для возможности проведения расчетов конструкции аппаратуру и ее элементы необходимо предельно упростить – представить в виде физических моделей (рис. 6.13.).
Рис. 6.13. Резистор (а), печатная плата (б), блок аппаратуры (в) и их модели
Для более детального анализа процессов, протекающих в аппаратуре и ее составных элементах при воздействии вибрации, используют более сложные модели. Пример такой сложной модели радиоэлектронного аппарата представлен на рис. 6.14, a.
Рис. 6.14. Сложная модель аппарата (а) и динамика передачи
вибраций от места закрепления аппарата к элементам,
закрепленным на печатной плате (б)
Иногда для анализа механических процессов используют математические (метод конечных разностей, метод конечных элементов и др.), аналоговые и электромеханические модели.
При передаче вибраций по конструкции аппаратуры их амплитуда может и ослабляться и усиливаться (рис. 6.14, б).
|
|
|
Для анализа вибрационныз процессов необходимо уметь оценивать основные динамические характеристики аппаратуры и ее элементов.
К основным динамическим характеристикам аппаратуры и ее элементов относят значения собственных (резонансных) частот, собственные формы колебаний, значения коэффициентов динамичности и коэффициентов демпфирования.
Значения собственных частот конструктивных элементов аппаратуры (элементов рамных конструкций, пластин и т.д.) определяются по формулам, известным из курса классической механики.
Значения частот собственных колебаний электрорадиоэлементов (ЭРЭ), приводимых к балочным моделям, можно определить аналитически или по номограммам. Например, для резистора, модель которого представлена на рис. 6.13.а резонансная частота определяется выражением:
где 
– модуль упругости материала выводов;
момент инерции сечения вывода резистора (d – диаметр вывода резистора);
масса резистора;
длина резистора.
Подобные расчеты удобнее производить по номограммам, разработанным для наиболее употребительных ЭРЭ (резисторов и конденсаторов).
Вид одной из таких номограмм представлен на рис.6.15. Зная тип резистора и длину его выводов, определяют значение собственной частоты.
Значение первой собственной частоты печатной платы, закрепленной по углам в четырех точках, можно определить, воспользовавшись выражением
где 
цилиндрическая жесткость платы;
– распределенная по площади масса платы и элементов, размещенных на плате;
E – модуль упругости материала платы;
h – толщина платы;
m – масса платы с элементами (МС, ЭРЭ и т.д.);
a – длина платы;
b – ширина платы;
γ – коэффициент Пуассона для материала платы.
Рис. 6.15. Номограмма для определения значения 
резисторов
типа МЛТ в зависимости от суммарной длины выводов
|
|
|
Более общее выражение для расчета значения собственных частот пластин имеет вид
где Ка – коэффициент, зависящий от способа закрепления пластины (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Значения коэффициента Ка для различных способов
закрепления сторон пластин
| Вариант закрепления сторон пластины | Ка |
| 
|
| 
|
| 15,42 |
| 
|
| 22,37 |
| 
|
Примечание. Обозначения штриховок:
– жесткое закрепление стороны пластины; 
– сторона лежит на опоре; 
– сторона пластины свободна.
В практике проектирования печатных плат РЭС иногда пользуются формулой несколько иного вида:
где 
– коэффициент, зависящий от материала платы (для гетинакса – 0,5, для стеклотекстолита – 0,52);
коэффициент, зависящий от массы элементов 
, размещенных на поверхности платы, масса которой 
;
коэффициент, зависящий от соотношения длины сторон и способа закрепления платы, табл. 6.2;
толщина платы, см;
длина платы, см.
Таблица 6.2
Значения коэффициента 
| Варианты закрепления сторон платы | 
| |||||||
| 0,25 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 | |
| - | - | ||||||
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
|
Для блока, установленного на виброизоляторах, значение определяется из выражения
где 
– суммарная жесткость используемых виброизоляторов;
масса блока.
Задача
Блок РЭС массой 10 кг установлен на четырех равнонагруженных виброизоляторах, жесткость каждого из которых при осевом нагружении составляет 4 Н/мм. Определить значение частоты собственных колебаний блока в вертикальном направлении.
Решение
Собственные формы колебаний представляют собой виброрельефы колебаний конструктивных элементов типа балок и плат на соответствующих резонансных частотах (рис. 6.16).
Рис.6.16. Конструктивный элемент в виде балки и его три первые
собственные формы колебаний
Важной динамической характеристикой плат и других конструктивных элементов аппаратуры является коэффициент динамичности, который представляет собой отношение амплитуды колебаний блока или центра печатной платы к амплитуде колебаний основания или точек закрепления платы:
|
|
|
.
Вид зависимости значения 
конструктивного элемента от частоты воздействующей вибрации 
представлен на рис. 6.17.
Рис. 6.17. Зависимость значения от частоты вибрации
Из приведенных кривых видно, что может принимать значение как больше, так и меньше единицы, т.е. конструктивный элемент или блок аппаратуры в зависимости от частоты возмущающей силы может как усиливать, так и ослаблять вибрацию.
График изменения в зависимости от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой конструктивного элемента. Эта кривая в дальнейшем будет использована для обоснования и оценки эффективности различных способов виброзащиты.
Коэффициент динамичности для любого значения текущей частоты может быть определен по формуле
где 
логарифмический декремент затухания колебаний;
коэффициент расстройки по частоте.
значение собственной частоты.
Задача
Определить амплитуду колебаний центра печатной платы на частоте = 100 Гц, если амплитуда точек закрепления платы 
= 1 мм, значение ее собственной частоты = 200 Гц, а значение логарифмического декремента затухания колебаний платы 
= 0,1.
Решение
1. Определяем значение коэффициента расстройки по частоте:
2. 
Из полученного результата следует, что при таком соотношении частот ( = 100 Гц и = 200 Гц) плата практически не усиливает воздействующую вибрацию (
1).
При проведении расчетов динамических характеристик конструкций, особенно в области резонансной частоты, необходимо учитывать их поглощающие свойства при колебаниях. Влияние этих свойств на значение коэффициента динамичности в диапазоне частот наглядно видно из рис. 6.17.
Наиболее часто в инженерной практике для оценки поглощающих свойств конструктивных элементов используется логарифмический декремент затухания колебаний. Его значение достаточно просто может быть определено экспериментально даже для конструктивного элемента, состоящего из комбинации разнородных материалов, например многослойной печатной платы.
|
|
|
Если имеется запись свободных затухающих колебаний механической системы (рис. 6.18), то значение логарифмического декремента затухания колебаний определяется из выражения
Рис. 6.18. Запись свободных затухающих колебаний
При учете нескольких периодов колебаний 
, например n:
Если имеется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) механической системы в области собственной частоты (рис. 6.19), то
где 
ширина полосы частот на уровне 0,707 от максимального значения амплитуды.
Pиc. 6.19. Амплитудно-частотная характеристика
Задача
Определить значение логарифмического декремента затуханий для печатной платы, собственная частота которой = 200 Гц, а ширина полосы частот на уровне 0,707 составляет 20 Гц.
Решение
6.2.4. Реакция конструкций РЭС на механические воздействия
При воздействии на радиоэлектронную аппаратуру вибраций, ударов, линейных нагрузок и акустических шумов возможно возникновение нарушений ее функционирования, которые можно классифицировать следующим образом (рис. 6.20).
Восстанавливаемые отказы функционирования аппаратуры, к которым относят искажение или появление в полезном сигнале большого уровня шумов и паразитную модуляцию полезного сигнала, возникают из-за тензорезистивных эффектов, пьезоэлектрических и электромагнитных явлений в элементах РЭС, обладающих способностью к проявлению подобных эффектов при знакопеременных деформационных нагрузках.
К подобным элементам аппаратуры можно отнести тонкопленочные резисторы на подложках микросхем, сегнетокерамические конденсаторы, полупроводниковые приборы и даже обычные проводники, колеблющиеся в магнитных полях.
Невосстанавливаемые отказы, к которым приводят различного рода обрывы и поломки, окончательно выводят аппаратуру из строя, и ее функционирование не возобновляется после прекращения воздействия вибрации. Примерами такого рода отказов могут быть, например, разрывы дорожек печатного монтажа вибрирующей платы, разрушение паяных, сварных и клеевых соединений, обрывы выводов резисторов, конденсаторов и т.д.
Рис. 6.20. Классификация нарушений функционирования аппаратуры
Разновидности механических процессов, возникающих в элементах конструкций радиоэлектронной аппаратуры при воздействии вибрации, представлены на рис. 6.21.
Рис. 6.21. Возможные виды реакции конструктивного элемента
аппаратуры на вибрацию
При воздействии на конструктивный элемент аппаратуры вибрации малого уровня возникает его динамическая упругая деформация ε, которую можно оценить отношением величины удлинения или укорочения элемента 
к его исходной длине 
.
|
|
|
При увеличении уровня вибрационной нагрузки возможно появление в конструктивном элементе из металла пластических деформаций, которые приводят к возникновению остаточных механических напряжений 
.
При больших уровнях вибрационной нагрузки возможно разрушение конструктивного элемента после некоторого количества циклов (Nц) изменения нагрузки, обусловленной вибрацией. Определение количества циклов изменения нагрузки до разрушения Nц производится для металлов по линиям Веллера.
В общем виде линии Веллера, или кривые усталости металлов, представляют собой графические зависимости числа циклов изменения нагрузки до разрушения (Nц) от величины переменного механического напряжения σ (рис. 6.22).
Рис. 6.22. Линии Веллера для стали (1) и цветных металлов (2)
Ход линии Веллера для стали параллельно оси Nц для малых значений механических напряжений физически означает то, что в таком случае конструктивный элемент практически выдержит бесконечное число циклов изменения нагрузки (Nц = 
).
Кроме механической ветви реакции элементов РЭС на механические воздействия существует и электрическая ветвь, обусловленная механическими процессами – деформацией и механическими напряжениями (рис. 6.23).
Эта ветвь реакции определяет устойчивость РЭС к механическим воздействиям и должна учитываться при проектировании чувствительной аппаратуры, с помощью которой осуществляется преобразование сигналов малого уровня.
Под устойчивостью аппаратуры понимают ее нормальное функционирование при механических воздействиях. Если РЭС не обладает достаточной устойчивостью, то в ее выходном сигнале могут появиться составляющие, не предусмотренные функциональным назначением. Возможно появление и шумового напряжения достаточно высокого уровня. Наиболее типичными причинами нарушения устойчивости работы РЭС при механических воздействиях являются следующие:
1.Изменение значения переходного сопротивления в контактных группах разъемов, реле, герконов и т.д.
2.Изменение параметров пассивных элементов РЭС (тонкопленочных резисторов, катушек индуктивности, некоторых типов конденсаторов).
3.Изменение параметров активных элементов РЭС – ИМС и ПП.
4.Появление шумовых напряжений в проводниках, колеблющихся в магнитных полях.
5.Появление шумовых напряжений в кабелях за счет возникающих электрических зарядов на деформируемых при механических воздействиях высококачественных диэлектриках.
Рис. 6.23. Реакция активных и пассивных элементов РЭС
на механические воздействия:
появление напряжения шумов; 
изменение параметров пассивных элементов РЭС; 
– нестабильность переходных сопротивлений
Основные виды откликов элементов РЭС на механические воздействия и возможные защитные мероприятия представлены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
|
|
|
