Способ обнаружения скрытых дефектов соединителей

ИЗ ОБРЕ К ПА Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(УВ) Дианов Вячеслав Николаевич(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ СОЕДИНИТВЗЕЙ(5) .Использование: относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам контролясоединений. Сущность изобретения заключается втом, что фиксируется третье состояние соединителей "Сбой" в диапазоне изменения отраженногосигнала по амплитуде между А и/1 ЛО 1.15/А,икз .. иогде А, А - соответственно амплитуды отраженииз ио,ных импульсов в состоянии "Короткое замыкание" и"Обрыв" при одновременном механическом перемещении составных частей соединителя (вилка-ров) ИГ (1 ц 20 О 3126 С 1 (ЯЦ О К зетка) и при изменении длительности фронта отра. женного импульса в диапазоне 1251201 ; где- длительностьфро фри фро фрофронта отраженного импульса эталонного соединителя в состоянии "Обрыв". Кроме того, третье состояние соединителей фиксируется при скачкообразнОм переходе в него из других состояний "Короткое замыкани "и "Обрыв", а также по виду кривой отраженного сигнала: апериодическому, колебательному, кусочно-линейному, неустойчивому характеру отраженного импульса Фиксация третьего состояния соединителя с увеличением числа его включений - выключений осуществляется с измерительными в сторону уменьшения амплитудой и в сторону увеличейия длительностью фронта отра: женного сигнала. б за-лы,6 ил.Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для выявления скрытыхдефектов соединителей от неконтактных явлений и других причин при эксплуатацииконтрольно-измерительных приборов, аппаратуры связи, высокопроизводительныхвычислительных систем.Известны способы обнаружения дефектов соединителей, которые предполагаютпроводить обнаружение дефектов соединителей как перед их эксплуатацией (входнойконтроль), так и в процессе эксплуатациисоединителей по одному параметру - электрическому сопротивлению замкнутых (илиразомкнутых) контактов.Общий недостаток данных способовконтроля - функциональная ограниченность и низкая достоверность контроля, непозволяющие распознавать скрытые дефекты соединителей,Известны способы контроля соединителей, когда с целью увеличения полноты контроля использу 1 отся другие параметрысоединителей или несколько одновременноконтролируемых параметров.Общий недостаток данных способовконтроля заключается в невысокой достоверности контроля из-за невозможностиконтроля соединителей в области высокихчастот.Известен способ контроля соединителей, в соответствии с которым подают импульсные тестовые воздействия черезсогласованную линию связи на соединительв виде ряда активных контактных пар, измеряют степень воздействия на пассивнуюконтактную пару, а о состоянии соединителя судят. по коэффициенту ослабления сигнала на пассивной контактной паре,Недостаток данного способа заключается в низкой достоверности контролявследствие неучета высокочастотных реактивных составля 1 ощих проверяемых контактньх гавр. Указанный недостаток можетпривести к тому, что соединитель, имеющийскрытые дефекты, обусловленные наличиемвысокочастотных составляющих определенного диапазона, будет классифицироваться кэк годный.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу контроляявляетсяспособ контроля соединителей,основанный на измерении коэффициента отражения волны по напряжениюпосредством Формирования последовательности импульсов напряжения на передающей стороне в наносекундномдиапазоне, воздействия ими через согласованную линию связи на испытуемую контак 50 55 Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение достоверности контроля соединителей за счет выявления в них скрытых дефектов в виде сбойных явлений, соответствующих третьему(промежуточному) состоянию соединителей. Исключение из работающей аппаратуры соединителей со скрытыми дефектами указанного типа позволяет повысить надежность аппаратуры в целом и эффективность использования составных ее узлов, в частности. тную пару проверяемого соединителя, находящегося в режиме согласования с нагрузкой, Формирования отраженного сигнала напряжения и сравнения полученного сиг нала на приемной стороне с эталоном попервому состоянию "Короткое замыкание" и по второму состоянию "Обрыв". Следует заметить, что фактически дается описание способа измерения коэффициента отраже ния волны по напряжению с использованием принципа импульсного зондирования на базе импульсного рефлектометра, Вопросы теории данного метода измерений известны из литературы. Примеры же конкретной 15 реализации операций, являющихся составными при измерении коэффициента отражения волны по напряжению, даны, в частности, в описании импульсных рефлектометров. Указано, что одной из основных 20 областей применения данного прибора яв ляется контроль соединений быстродействующих вычислительных устройств,Известен способ, позволяющий вестивысокочастотный контроль соединителей по амплитуде отраженного от контактной пары соединителя импульса напряжения и его длительности фронта.Недостатком способа является его функциональная ограниченность и невысокая 30 достоверность контроля соединителей изза невозможности обнаружения в них скрытых дефектов, причиной возникновения которых может быть, например, недостаточное контактное усилие во всем диапазоне З 5 изменения положений составных частей(вилки и розетки) соединителя относительно друг друга. Одним из проявлений скрытых дефектов соединителей в действующей аппаратуре является возникновение сбойных 40 явлений (сбоев), т,е, самоустраняющихся отказов, Особенностью работы аппаратуры в режиме сбоя является труднорэзличимость данного режима из-ээ: незначительного разброса параметров, во-первых, а во-в 5 о рых, кратковременности проявления сбоя исложности диагностирования его местоположения.Цель достигается тем, что в способеконтроля соединителей, основанном на измерении коэффициента отражения волныпо напряжению посредством Формирования последовательности импульсов напряжения на передающей стороне внаносекундном диапазоне, воздействияими через согласованную линию связи наиспытуемую контактную пару проверяемогосоединителя, находящегося в режиме согласования с нагрузкой, формирования отраженного сигнала напряжения и сравненияполученного сигнала на приемной сторонес эталоном по первому состоянию "Короткое замыкание" и по второму состоянию"Обрыв", дополнительно соединитель проверяют на наличие или отсутствие в немтретьего состояния, которое фиксируют вдиапазоне изменения отраженного сигналапо амплитуде между Аии (1,10-1,15)Аи о,где Аи кэ - амплитуда отраженного импульсаэталонного соединителя в первом состоянии "Короткое замыкание"; Аи о - амплитуда отраженного импульса эталонногосоединителя во втором состоянии "Обрыв", при одновременном механическомперемещении составных частей соединителя (вилка-розетка) относительно другдруга при изменении длительности фронта отраженного импульса в диапазоне 301,25 тфр о 1 ффр и2,0 рр о, где ъфр о -длительность фронта отраженного импульса эталонного соединителя во втором состоянии "Обрыв", причем соединитель,имеющий третье состояние, бракуется как 35имеющий скрытый дефект, а не имеющийтретьего состояния - принимается за годный,Цель также достигается тем, что перевод соединителя в третье состояние осуществляется скачкообразно.Цель также достигается тем, что фиксация третьего сосгояния соединителя осуществляется по апериодическому изменениюотраженного сигнала. 45 Поставленная цель также достигается тем, что фиксация третьего состояния соединителя осуществляется по колебательному характеру изменения отраженного сигнала с числом колебаний равным 1 и амплитудой равной (1,10 - 1,15) Аи о.Поставленная цель также достигается тем, что фиксация третьего состояния соединителя осуществляется по кусочно-линейному изменению отраженного сигнала с уменьшающимся углом наклона (то а 1 а а 2) амплитудно-временной характеристики,Цель также достигается тем, что фиксация третьего состояния соединителя с увеличением числа его включений-выключенийосуществляется с изменяемыми в сторонууменьшения амплитудой и в сторону увеличения длительностью фронта отраженногосигнала.Цель также достигается тем, что фиксация третьего состояния соединителя происходит в неустойчивом (самоустранимом)положении равновесия с параметрами отраженного импульса по амплитуде равной амплитуде отраженного сигнала в первомсостоянии "Короткое замыкание", а по длительности импульса - превышающей длительность импульса в первом состоянииотраженного сигнала,На Фиг, 1 представлены известный способ контроля (фиг. 1,а) и предлагаемый (фиг,2,б); на фиг, 2 - перечень состояний соединителя и скачкообразный. характер их перехода друг в друга; на фиг. 3кусочно-линейный характер изменения параметров (амплитуды и длительности фронта) отраженного сигнала в третьемсостоянии соединителя; на фиг. 4 - изменение характера отраженного сигнала с ростом числа включений-выключенийсоединителя (фиг; 4,а) и вид кривой сигналасоединителя в третьем состоянии при неустойчивом (сбойном) характере его работы(фиг, 4,б); на фиГ. 5 - колебательный характер изменения отраженного сигнала соединителя в третьем состоянии; на фиг, 6 -структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа,Кроме того, на фиг. 1-5 показаны известные (для контроля) состояния соединителя, причем состояниесоответствуетрежиму короткого замыкания в работе соединителя, а состояние- режиму обрыва;Известный способ контроля, поясняемый фиг. 1, характеризуется амплитудамиотраженного сигнала Аи в состоянии("Короткое замыкание" ) - Аи кэ и в состоянии(" Обрыв" ) - Аи о, а также длительностьюфронта отраженного сигнала мафр, в состоянии (. На фиг. 1, фиг. 3, 4, 5 не показаныамплитуды падающего импульса, а такжерасстояние по согласованной линии связимежду генератором и соединителем в функции времени.На фиг. 2 третье состояние соединителей показано в общем виде (без масштаба).Данное состояние "С" присуще как новымсоединителям, имеющим скрытый дефект (вчастности, по величине контактного усилия),так и соединителям, число включений-выключений которых превысило допустимыенормы эксплуатации по техническим усло 200312610 20 виям, Переход в состояние И из состоянияили из состоянияосуществляется скачкообразно и характеризуется скачкообразным изменением амплитуды отраженного сигнала (в общем виде) и длительности фронта (фиг. 2). На Фиг. 1,б показано третье состояние соединителей в общем виде, которое характеризуется одинаковой (с состоянием ) амплитудой, но разной длительностью Фронта. На Фиг. 3, 4,б и 5 показаны частные случаи третьего состояния, причем случай, показанный на фиг, 4,б соответствует случаю неустойчивого (сбойного) состояния, На фиг, 4,а показана динамика третьего состояния соединителей с ростом числа включений-выключений, Из этого следует, что оставаясь равным по амплитуде, отраженный сигнал имеет большее запаздывание у "старого" соединителя по сравнению с более новымНа фиг, 6 представлена структурная схема устройства для получения и наблюдения (регистрации) третьего состояния соединителей, Устройство содержит, генератор импульсов в пикосекундном диапазоне 1,генерирующий импульсы с длительностью фронта до нескольких десятков (например, 6-7) пикосекунд, осциллограф,с блоком управления 2, проверяемый соединитель 3, согласующую нагрузку (50 Ом) 4 и источник механических колебаний 5, механическая связь которого с соединителем показана двойной линией. Соединитель 3 соединен с осциллографом 2 и нагрузкой 4 коаксиальным 50-ти омным кабелем (на фиг,.б не показан),Требования к формированию последо" вательности импульсов напряжения на пе редающей стороне в наносекундном диапазоне Выбирались из следующих сооб" ражений, Поскольку требовалось обнаружить в соединителях скрытый дефект в виде сбоя или третьего (промежуточного) состояния, то первоначально определялся информативный параметр, соответствующий данному состоянию соединителя. В качестве такого информативного параметра выбиралось полное электрическое сопротивление контактов соединителя в виде совокупности активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Третье (дополнительное) состояние или состояние сбоя может быть зафиксировано при этом наличием одновременных скачкообразных изменений этих составляющих от значений, соответствующих состояниям соединителя "Короткое замыкание" или "Обрыв", к промежуточному или промежуточным значениям, соответствующих состоянию сбоя соединителя. Экспериментально для класса соединителей типа РППМ было получено, что диапазон изменений емкостной составляющей в режиме сбоя соответствует значениям 0,01-0,8 пкф, скачкообразные изменения индуктивности - соответственно 0,9-2 н Гн, скачки омической составляющей превышали номинальное значение по Техническим Условиям в состоянии "Короткое замыкание" (номинальный режим работы соединителя) не менее, чем в два раза.Существующие импульсные рефлектометры позволяют определять непосредственно по рефлектограмме минимальную емкостную неоднородность 0,008-0,02 пкФ, минимальную йндуктивность 0,01- 0,05 НГн. Возможности импульсного рефлектометоа в обнаружении и оценки малых неоднородностей, а именно таковыми и являются сбойные состояния соединителей, характеризуются длительностью фронта зондирующего сигнала тф и отношением сигнал-шум рефлектометра, С другой стороны, как известно 9, с. 641, оценку расстояния до.неоднородности производят по. формуле(1) где Ч - скорость распространения волны в линии;р - временной интервал между двумя импульсами, соответствующий расстоянию между неоднородностями,Для рассматриваемого случая расстояние между неоднородностями представляет собой расстояние между выходом генератора с импульсом перепада (иэ серии последовательности импульсов на передаюгцей стороне) и соединителем в режиме сбоя тф = тр. Кроме того, расстояниеменяется для реальной аппаратуры от единиц сантиметров до десятков сантиметров (на практике данная величина составляет порядка 50 см). С учетом того, что для линий с воздушным заполнением (а именно о них должна идти речь применительно к рассматриваемому классу аппаратуры, в частности, к высокопроизводительным вычислительным системам) скорость распространения Ч волны в линии равна 3 10 м/с. Тогда положив для определенности минимальное расстояниеравное 5 см, иэ формулы (1) получим, что длительность фронта зондирующего сигнала составит 0,33 нс. Для максимального расстояния (50 см) данная величина будет соответственно равна 3,3 нс. Другими словами, последовательность передающихся на соединитель в режиме сбоя импульсов напряжения должна соответствовать наносекундному диапазону, Дополнительно за 200312 б 10тф, сафо - соответственно длительностифронтов зондирующего и отраженного сигналов,Выделяя из формул (2)-(4) коэффициентотражения Котр (в формула 4 данный коэффициент равен 1) и использ, принцип суперпозицин для линейных систем (т,е.систем с неизменными параметрами), получим значение суммарного коэффициентаотражения или амплитуды отраженного импульса для соединителя в третьем состоянии, Из выражений (2), (3) видно, что данныевыражения будут определять величину коэффициента отражения (амплитуду отраженного импульса) соединителя в режиме.сбоя, а выражение (4) - изменение длителькости фронта отраженного сигнала,Диапазон изменения цифровых коэффициентов амплитуды и длительности фронта отраженных импульсов е режиме сбоя исами коэффициенты определялись эмпирически путем перевода в режим сбоя нескольких сотен контекткых пар соединителей,находящихся на разных стадиях эксплуатации. Фиксация данного состояния осуществлялась,рефлектометром СК 7-18посредством регистрации амплитуды отраженного сигнала(коэффициента отражения).и длительности отраженного сигнала настробоскопическом осциллографе,Для ускоренных испытаний соединителей и искусственного перевода их в третье(сбойное) состояние используется генератор механических колебаний 5, основныетребования к которому следующие. Во-первых, он должен обеспечивать колебания составн ых частей соединителя(вилка-розетка)в инфранизком диапазоне (до 0,5 герца всекунду), Во-вторых, должна быть при этомобеспечена точность позиционирования вединицы микрометров без перерегулирования и колебаний, а также переход на низшую скорость при выявлении состояниясбоя соединителей. Учитывая, что областьвозникновения и существования режимасбоя очень узкая и составляет десяткимикрон, в генераторе колебаний долженбыть использован электрический привод,управляемый от ЗВМ при точности позиционирования в 4 мкм, При этом механическаясвязь соединителя и привода генератораколебаний (источник колебаний) 5 можетбыть осуществлена также известным путем.В процессе механических перемещенийсоставных частей соединителя осуществл".ется его перевод в третье состояние, приэтом на экране стробоскопического осциллографа оператором-контроллером (на фиг.6 не и оказанного) фиксируется скачкообС =2 х(тф г тф)". (4)В вы раже.ниях (2)-(4):И- волновое сопротивлениелиниисвязи и величина согласованной нагрузки (в данном случае 50 Ом);Котр - коэффициент отражения волны метим, что при согласованной нагрузке в 50 Ом (подразумевается нагрузка, находящая-. ся за испытуемым соединителем), а также при использовании соединительного кабеля с таким же сопротивлением, максималь ное расстояние между импульсным рефлектометром и контролируемой неоднородностью (т,е, соединителем со скрытым дефектом типа режима сбоя) значительно превышает максимально допустимую для 10 рассматриваемого класса аппаратуры.Для теоретического обоснования рассматриваемого способа выберем модель соединителя типа РППМ в виде параллельно включенных элементов Я, 1 и С, Отметим, 15 что упомянутая модель соединителя является упрощенной, поскольку предполагается (что, фактически, и есть на самом деле) использование диэлектриков в составе соединителей и окружающей их среде (воздух) с 20 очень малой проводимостью, В пользу такой модели может служить и тот факт, что поверхность контактной пары соединителя всегда в той или иной степени шероховата, обеспечивая тем самым электрический кон такт не по всей поверхности электрического соединения, а только в отдельных его точках или микровыступах, Данное обстоятельство является причиной того, что соприкасающиеся точки имеют различные значения (в том 30 числе и в режиме сбоя) параметров Й,1 и С, В процессе эксплуатации происходит изменение данных параметров и во времени. Для ускоренного и гарантированного выхода соединителя на режим сбоя,.т.е, асосто яние деградации его контактных пар, была использована методика, известная в литературе.Расчетные соотношения для определения параметров модели соединителя в ре жиме сбоя получим, используя известные соотношения для одноэлементных неоднородностей й, Е и С из литературы, Так для последовательно включенного сопротивления величина Я определяется по формуле 45в - .е-. л . р) для последовательно включенной индуктивности -1 =2 И 1 фКотр, . (3) для последовательно включенной емкости -разное наступление данного состояния вследствие скачкообразного изменения составляющих электрических параметров соединителя, а именно, - электрического сопротивления й, индуктивности . и емкости С, что и фиксируется на экране осциллографа по обобщенным (как было отмечено ,выше) параметрам в виде амплитуды отраженного импульса (коэффициента отражения сигнала) и длительности Фронта отраженного импульса.Анализ Формул (2)-(4) также показывает, что в отраженном сигнале за апериодическую составляющую "отвечает" емкостная составляющая эквивалентной схемы замещения (модели) соединителя, а за колебательную - совокупность параметров Я и , В процессе деградации соединителя вследствие действия многочисленных Факторов (температура, химический состав окружающей среды, электрические доля и т,д.) естественно и различна степень влияния их на эквивалентные параметры схемы замещения соединителя: в случае превалирующего измЕнения емкостной составляющей имеем дело с отражейиым сигналом в состоянии сбоя соединителя в видеапериодического изменения его Формы, е случае превалирующего изменения индуктивной и активной (омической составляющих- с колебательным характером отраженного сигнала, в случае превалирующего изменения омической составляющей - наблюдаем кусочно-линейное изменение отраженного сигнала, а в случае проявленйя резонансных свойств составляющих элементов С и . - наблюдаем неуйстойчивое положение равновесия отраженного сигнала, Все отмеченные формы отраженного ог соединителя в режиме сбоя сигнала наблюдались в про" . цессе контроля соединителей на наличие в них скрытых дефектов в форме третьего (промежуточного) состояния соединителей, но, естественно, с различной частотой их проявления (отметим, что самый трудноуловимый случай наблюдения сбойного состоя. ния - неустойчивый сбой), Третьему состоянию соединителей в неустойчивом положении равновесия можно в качестве аналога привести состояние контактов реле в режиме дребезга -явление достаточноизвестное и хорошо изученное, Оператором это неустойчивое состояние нэ экране осциллографа фиксируется по амплитуде отраженного сигнала равной амплитуде в состоянии "Короткое замыкание", э по длительности импульса - превышающей длительность импульса в указанном состоянии соединителя на менее чем на 10-15;,Устройство (фиг, 6) реализует предложенный способ следующим образом. Запуск генератора импульсов 1 осуществляется с блока управления осциллографа 2. Последовательность импульсов от генератора 1 поступает по сквозному 10 тракту осциллографа 2 нэ вход контролируемого соединителя и одновременно на экран осциллографа 2, куда также поступает отраженный сигнал от проверяемой контактной пары соединителя. Одновременно на 20 соединитель воздействуют механическими колебаниями от источника механических колебаний 5. Соединитель считэется годным, т.е, не имеющим скрытых дефектов, если в процессе его контроля отсутствует третье состояние в любой разновидности (фиг. 3, 4, 5). И наоборот, соединитель считается не годным, т.е. имеющим скрытые дефекты, если третье состояние в нем обнаруживается (те же фигуры), При этом соединитель, в ко 30 тором третье состояние отсутствует, принимают за эталонный при данном методе контроля. Таким Образом, предлагаемый способ обладает большими функциональными воз можностями вследствие введения в способ дополнительной информативности параметров соединителя и большей достоверностью контроля за счет выявления и отбраковки соединителей со скрытыми дефектами, Применение способа позволяет 40 исключить сбойные ситуации из аппаратуры, содержащей соединители с заложенной в них возможностью к скрытым дефектам, а также заранее прогнозировать срок службы(56) Технические условия на "Соединителинизковольтные прямоугольные типа РППМ27" ГЕ 0.364.234.ТУ, 1987, с, 13 - 15. 45 исправных контактных пар по поведению контактных пар, имеющих третье состояние.Формула изобретения1. СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ СОЕДИНИТЕЛЕЙ, основанный на измерении коэффициента отражения волны па напряжению посредством формирования последовательности импульсов напряжения на передающей стороне в наносекундном диапазоне, воздействия ими через соглаоованнйа линию связи на испытуему 1 о контактную пару проверяемого соединителя, находящегося в режиме согласования с нагрузкой, формирования отраженного сигнала напряжения и сравнения полученного сигнала на приемной стороне с эталоном по первому состоянию "Короткое замыкание" и па второму састаяниа "Обрыв", отличающийсч тем, чта саединигель проверяют на наличие или отсутствие в нем третьего состояния, которое фиксируют в диапазоне изменения отраженного сигнала по амплитуде между А кз и (1,10-. 1,15) А о, где Алкз - амплитуда отраженного импульса эталонного соединителя в первом состоянии "Короткое замыкание", Аио - амплитуда отраженного импульса эталонного соединителя ва втором состоянии "Обрыв", при одновременном механическом перемещении составных частей соедините. ля (вилка - розетка) одна относительна другой при изменении длительности франта отраженного импульса в диапазоне 1,25 тф1 Ф2,01 фр, где тфр - длительность фронта отраженного импульса эталонного соединителя во втором состоянии "Обрыв", причем соединитель, име 1 а щий третье состояние, бракуется, как им еющий скрытый дефект, а не имеющий третьего состояния принимается за годный. 2. Способ по п.1, отличающийся тем,чта йеревод соединителя в третье состояние осуществляются скачкообразно,5 3. Способ па п,1, отличающийся тем,что фиксацил третьего состоячя соединителя осущесгвляется по апериодическомуизменению отраженного сигнала.4. Способ по п.1, отличающийся тем.1 О чта фиксация третьего состояния соединителя осуществляется по колебательномухарактеру изменения отраженного сигналас числам колебаний 1 и амплитудой (1,1015) А5. Способ по п,1, отличающийся тем,чта фиксация третьего состояния соединителя осуществляется па кусочно - линейному изменению отраженного сигнала с2 О уменьшающимся углом наклоната а 1 та а 2 амплитудна-временной характеристики,б, Способ по п.1, отличающийся тем,чта фиксация третьего состояния соединилТеля с увеличением числа его включенийвыключений осуществляется с изменяемыми в сторону уменьшения амплитудой и всторону увеличения длительностью фронтаотраженного сигнала.71 Способ пб П,1, отличающийся тем,что фиксация третьего состояния соединителя происходит в неустойчивом (самоустранимом) положении равновесия с5 параметрами отраженного импульса по; ,амплитуде, равной амплитуде отраженногосигнала в первом состолнии "Короткое замыкание", э па длительности импульсапревышающей длительности импульса вщ первом состояний отраженного сигнала.2003126 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Редактор В.ТрубченкоЗаказ 3232 Составитель М.Хаенко Техред М.Моргевтал КоРректор О.Кравцова Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 45