Исследование функциональной характеристики проволочных потенциометров методом растровой электронной микроскопии

УДК 001.891.57

А. И. Цыганков

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОЛОЧНЫХ ПОТЕНЦИОМЕТРОВ МЕТОДОМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования является резистивный элемент проволочного потенциометра. Цель работы - определение функциональной характеристики резистивного элемента с последующим моделированием ее отклонения под воздействием различных факторов.

Материалы и методы. Исследование проводилось по специально разработанной методике для растрового электронного микроскопа с последующей обработкой полученного изображения в программе «Компас-3Б». Далее при помощи программы «Компас-3Б» проводилось моделирование влияния эксцентриситета оси на функциональную характеристику потенциометра.

Результаты. Разработана методика контроля функциональной характеристики резистивного элемента (потенциометра) методом растровой электронной микроскопии с применением программы «Компас-3Б».

Выводы. Внедрение в техпроцесс промежуточного этапа контроля рези-стивного элемента потенциометра по предложенной методике позволит на начальной стадии отбраковать резистивные элементы с несоответствующей техническим требованиям функциональной характеристикой, снизить процент бракованных изделий, проконтролировать качество сборки потенциометров и сократить затраты на производство.

Ключевые слова: потенциометр, функциональная характеристика, резистивный элемент, методика, растровая электронная микроскопия.

A. I. Tsygankov

A STUDY OF FUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF A WIRE POTENTIOMETER BY SCANNING ELECTRON MICROSCOPY

Abstract.

Background. The research object is a resistive element of a wire potentiometer. The aim of the work is to determine functional characteristics of the resistive element, followed by simulation of its rejection under the influence of various factors.

Materials and methods. The study was conducted using a specially developed technique for scanning electron microscopes, followed by treatment of the resulting image in the "Compass-3D». Next, using the program "Compass-3D», the author simulated the influence of eccentricity of the axis on potentiometer's functional characteristics.

Results. The author has developed the technique of controlling the functional characteristics of the resistive element (potentiometer) by scanning electron microscopy with the program "Compass-3D».

Conclusions. Introduction of an intermediate step of potentiometer's resistive element control into the technological process according to the proposed method will allow to discard resistive elements with functional characteristics inconsistent with technical requirements at the initial stage, to reduce the percentage of defective items, to check the build quality of potentiometers and to reduce production costs.

Key words: potentiometer, functional characteristics, resistive element, technique, scanning electron microscopy.

Введение

Потенциометр является регулируемым делителем электрического напряжения, представляющим собой резистор с подвижным отводным контактом - движком, при этом коэффициент деления потенциометра является функцией угла поворота движка относительно резистивного элемента.

Потенциометры нашли применение в антенных станциях наземного и бортового базирования, рулевых приводах и приводах механизации крыльев летательных аппаратов, измерительных и исполнительных механизмах дорожно-строительных машин, системах наведения, подъемных кранах, станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и т.д.

Несмотря на развитие цифровой электронной техники и появление в настоящее время цифровых потенциометров, проволочные прецизионные потенциометры находят применение и в настоящее время, так как обеспечивают прецизионные преобразования угол-параметр в аналоговых системах [1]. Прогнозы о том, что прецизионные проволочные потенциометры будут вытеснены с рынка цифровыми датчиками положения, не скоро сбудутся. Современные компьютерные и информационные технологии, а также новые технологические возможности и методы исследования позволяют разработать условия по созданию однооборотных проволочных потенциометров с точностью воспроизведения функциональной характеристики на уровне предельно достижимых для данных механических систем.

Основная часть

Важнейшей технической характеристикой потенциометров, в том числе и проволочных, является отклонение функциональной характеристики потенциометров от заданного уровня. Данная характеристика является выходной и регламентируется документом на поставку потенциометров. Поэтому весьма важно контролировать эту характеристику еще на первых стадиях изготовления резистивного элемента, чтобы не допустить попадания на сборку потенциометров заведомо негодных элементов.

Решение этой задачи можно обеспечить как за счет физического моделирования функциональной характеристики в системе «резистивный элемент -контактная пружина», как это было сделано в работах [1-3], так и за счет моделирования с использованием расчетных методов.

При отработке режимов намотки проволочных потенциометров для контроля раскладки проволоки по каркасу ранее применялась оптическая микроскопия [4]. С ее помощью оценивалась равномерность раскладки проволоки на отдельных участках каркаса или производился поиск дефектных участков (нахлестов) витков друг на друга. Однако просмотр общей картины резистив-ного элемента с помощью оптической микроскопии осуществить практически невозможно из-за малой глубины фокуса, который уменьшается с увеличением оптического микроскопа. В связи с этим с помощью оптической микроскопии достаточно сложно провести точный замер шага намотки проволоки по рези-стивному элементу, подсчитать как общее количество витков в резистивном элементе, так и их количество на различных его участках (секциях).

Функциональная характеристика потенциометров определяется допускаемым отклонением функциональной характеристики от заданной и в соответствии с [5] рассчитывается с помощью выражения

Ли = ир - иИз _ ш

и иР

где ир - расчетное падение напряжения в секции; ииз - измеренное падение напряжения в секции.

Из выражения (1) следует, что отклонение функциональной характеристики потенциометров от установленной определяется коэффициентом деления по напряжению. В свою очередь коэффициент деления при выбранной физической модели [6] определяется числом витков в измеряемой секции или соответственно плотностью витков в данной секции. Плотность витков будет определяться линейной скоростью вращения каркаса при намотке. С учетом этих рассуждений можно утверждать, что допустимое отклонение функциональной характеристики от заданной можно выразить через коэффициент деления, плотность раскладки витков по цилиндрическому каркасу (плотность в секции) или через относительное число витков в секции:

Ли Ду №

ТТ= ,

и у N

ли Ду т

где -,—,--коэффициенты деления напряжения, плотности раскладки

и у N

проволоки по каркасу, отклонения числа витков в секции соответственно.

Учитывая прямо пропорциональную связь между коэффициентом деления и плотностью витков в секции, можно промоделировать функциональную характеристику и отклонение от функциональной характеристики от заданной через число витков в секции. В качестве инструмента, позволяющего получить информацию о числе витков в секции, используется растровая электронная микроскопия. С использованием специального программного пакета проводят обработку полной фотографии (с высоким разрешением) резистив-ного каркаса с намотанной проволокой.

Суть разработанной методики заключается в следующем. С помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) делается цифровая фотография всего резистивного элемента с последующей обработкой полученного изображения в программе Компас-3Б. Это позволяет не только оценить качество раскладки проволоки на каркасе, но и произвести расчет числа витков по 40 секторам, как оговорено в методике измерения функциональной характеристики готового потенциометра [5]. С учетом соотношения (2) функциональную характеристику и допускаемое отклонение функциональной характеристики от заданного значения можно определить по формуле

Ди ^ - N(2«

— = —-Ср-100%,

и ^р

где Nр - расчетное количество витков в секции; Ncр - среднее арифметическое количество витков в секции.

По результатам замеров и последующего расчета строятся зависимости отклонения функциональной характеристики от заданной величины. Затем определяется, входит ли данное изделие в установленный допуск.

Данный метод моделирования очень эффективен на стадии отработки технологии намотки резистивного элемента. Кроме этого, он будет эффективен при выборочном контроле резистивных элементов при серийном производстве.

Если будет выявлено отклонение функциональной характеристики, превышающее допустимое, то данный резистивный элемент не пойдет на сборку потенциометра. Если же отклонение функциональной характеристики резистивного элемента укладывается в заданный диапазон, а потенциометра собранного на его основе нет, то это значит, что были допущены ошибки в процессе сборки потенциометра.

Методика контроля осуществляется в следующей последовательности:

1. Полученные при помощи РЭМ фотографии резистивного элемента потенциометра под углами 0° и 45° помещаются в программу Компас-3Б. Два угла берутся для компенсации погрешности, вызванной сферической аберрацией РЭМ.

2. Находится центр каркаса при помощи построения окружности по трем точкам, которая затем разбивается на 40 секторов по 8°15' согласно методике измерения.

3. Подсчитывается количество витков в каждой секции и находится среднее арифметическое количество витков в одинаковых секциях на двух фотографиях (рис. 1).

4. Для потенциометрической схемы подключения рассчитывается отклонение функциональной характеристики по формуле (3).

5. Строится графическая зависимость (рис. 2) отклонения функциональной характеристики по 40 секторам.

УамО Угол 45

Рис. 1. Фотографии резистивного элемента, полученные при помощи РЭМ под углами 0° и 45° с подсчетом витков по секторам

№ сен

Т 1 а 1 5 2 J 2 5 3 D 3 5 &

Рис. 2. Отклонение функциональной характеристики

В программе Компас-ЗБ имеется возможность измерить и проконтролировать углы наклона витков в каждой секции (рис. 3). Это позволяет контролировать изменение линейных скоростей в процессе намотки. Также угол наклона витков оказывает влияние на функциональную характеристику и должен быть минимальным и равномерным по всей окружности. Для угла наклона витков в каждом секторе также строится графическая зависимость по нескольким точкам (обычно не менее 3 точек) (рис. 4).

При помощи предложенной методики можно моделировать погрешности изготовления. Например, можно промоделировать влияние эксцентриситета оси. На рис. 5 представлены функциональные характеристики с центральным расположением оси и с эксцентриситетом.

Заключение

В соответствии с технологией изготовления потенциометра этап контроля функциональной характеристики резистивного элемента не предусмотрен. Однако после проведения исследования резистивного элемента при помощи РЭМ и программы Компас-ЗБ становится ясно, что промежуточный этап контроля функциональной характеристики необходим. Внедрение в техпроцесс промежуточного этапа контроля позволит на начальной стадии отбраковать резистивные элементы с несоответствующей техническим требованиям функциональной характеристикой, снизить процент бракованных изделий, проконтролировать качество сборки потенциометров и сократить затраты на производство.

Для проверки эффективности данного метода моделирования проводилось сравнение функциональных характеристик, рассчитанных по предложенной методике, с функциональными характеристиками, полученными в результате прямого измерения резистивного элемента по электрическим параметрам. Сравнение показало хорошую сходимость результатов измерений.

Рис. 3. Замер угла наклона витков по каркасу

Рис. 4. Изменение угла наклона витков по секциям

Изображениерезистивного элемента, с Изображение резистивного элемента, с центральным расположением оси эксцентриситетом оси

Расчетная функциональная характеристика Расчетная функциональная характеристика

а) б

Рис. 5. Моделирование погрешности изготовления: а - с центральным расположением оси; б - с эксцентриситетом оси

Список литературы

1. Мещеряков, В. Ф. Установка измерения контактного сопротивления рези-стивных элементов / В. Ф. Мещеряков, В. Г. Недорезов, М. Г. Смычеино // Электронная промышленность. - 1985. - Вып. 8 (146). - С. 67-68.

2. Недорезов, В. Г. Электрические свойства контактирующей пары «резистив-ный слой - контактная пружина» в керметных подстроечных резисторах /

B. Г. Недорезов, Т. П. Каминская, С. В. Подшибякин, М. Б. Анкирская // Электронная техника. Сер. 5 «Радиодетали и радиокомпоненты». - 1988. - Вып. 1 (70). -

C. 20-22.

3. Каминская, Т. П. Старение керметных толстопленочных резисторов с Pd-Ag контактами / Т. П. Каминская, Г. М. Иванов, В. Г. Недорезов // Электронная техника. Сер. 5 «Радиодетали и радиокомпоненты». - 1990. - Вып. 4 (81). - С. 11-15.

4. Белевцев, А. Т. Потенциометры / А. Т. Белевцев. - М. : Машиностроение, 1969. - 327 с.

5. ОСТ В 25 21-86. Потенциометры прецизионные проволочные. Общие технические условия. - М., 1986.

6. Недорезов, В. Г. Ограничения в создании однооборотных прецизионных проволочных потенциометров / В. Г. Недорезов, А. И. Цыганков, А. Ю. Доросинский // Электронные компоненты. - 2015. - № 2.

References

1. Meshcheryakov V. F., Nedorezov V. G., Smycheino M. G. Elektronnaya promyshlen-nost' [Electronic industry]. 1985, iss. 8 (146), pp. 67-68.

2. Nedorezov V. G., Kaminskaya T. P., Podshibyakin S. V., Ankirskaya M. B. Elektronnaya tekhnika. Ser. 5 «Radiodetali i radiokomponenty» [Electronic engineering. Series 5: "Radio parts and components"]. 1988, iss. 1 (70), pp. 20-22.

3. Kaminskaya T. P., Ivanov G. M., Nedorezov V. G. Elektronnaya tekhnika. Ser. 5 «Radiodetali i radiokomponenty» [Electronic engineering. Series 5: "Radio parts and components"]. 1990, iss. 4 (81), pp. 11-15.

4. Belevtsev A. T. Potentsiometry [Potentiometry]. Moscow: Mashinostroenie, 1969, 327 p.

5. OST V 25 21-86. Potentsiometry pretsizionnye provolochnye. Obshchie tekhnicheskie usloviya [Precise wire potentiometers. General technical conditions]. Moscow, 1986.

6. Nedorezov V. G., Tsygankov A. I., Dorosinskiy A. Yu. Elektronnye komponenty [Electronic components]. 2015, no. 2.

Цыганков Алексей Игоревич аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: cygankv-aleksejj@rambler.ru

Tsygankov Aleksey Igorevich Postgraduate student, Penza State University

УДК 001.891.57004.942 Цыганков, А. И.

Исследование функциональной характеристики проволочных потенциометров методом растровой электронной микроскопии / А. И. Цыганков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. - № 1 (37). - С. 56-63.