Статья посвящена вопросу испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия. Кратко рассматриваются виды механических воздействий на резонаторы и виды отказов после воздействия вибрации. Основное содержание статьи посвящено классификации и рассмотрению видов испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия. Автор дает краткую информацию, характерную для каждого вида механического воздействия на резонаторы. В заключении статьи представлена итоговая классификация видов испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия.
Ключевые слова: механические испытания, вибростойкость, вибропрочность, фиксированная частота, качающаяся частота, ударные воздействия, ударная стойкость, ударная прочность
The article is devoted to testing of quartz resonators to mechanical impact. Briefly discusses types of mechanical stress on the resonators and the types of failures after exposure to vibration. The main content of the article is devoted to the classification and review of quartz resonators kinds of tests on mechanical impact. The author gives brief information specific to each type of mechanical influence on the resonator. In conclusion, the article presented the final classification of the types of tests quartz resonators to mechanical impact.
Keywords: mechanical tests, vibration, vibration, fixed frequency oscillating chastotota, shock effects, impact resistance, impact strength
Введение
Для обеспечения качества производимой продукции (а именно, кварцевых резонаторов) необходимо контролировать соответствие выходных характеристик пьезоэлемента номинальным параметрам, представленных в техническом задании. Таким образом качество продукции обуславливается результатами испытаний контролируемых изделий.
Целью испытаний кварцевых резонаторов является проверка соответствия их параметров заданным значениям и работоспособности при различных климатических условиях и механических воздействиях, что в конечном счете определяет надежность работы кварцевого резонатора [1].
В данной статье будут рассмотрены механические испытания применительно к кварцевым резонаторам.
Анализ механических воздействий
Кварцевые резонаторы при эксплуатации и транспортировке обычно находятся в условиях динамических воздействий.
При воздействии механических нагрузок на кварцевые резонаторы, в них возникают разного рода деформации, сопровождающиеся довольно сложными колебательными процессами. Это может привести к различным дефектам при использовании кварцевых резонаторов в электронной аппаратуре. Например, трещина в кристалле, отрыв траверс, разрушение кристалла [2] (рисунок 1). Кроме того, под воздействием механических нагрузок в кварцевых резонаторах возникают не только локальные напряжения в конструкции, но и изменение электрических характеристик.
Рис. 1. Виды отказов кварцевых резонаторов после воздействия вибрации: а) трещина в кристалле; б) отрыв траверс; в) разрушение кристалла
На рисунке 2 приведены виды возможных механических воздействий на кварцевые резонаторы.
Рис. 2. Виды механических воздействий
Виды механических испытаний кварцевых резонаторов
Механические испытания кварцевых резонаторов сводятся к испытанию их на вибропрочность, вибростойкость, на ударную прочность, ударную устойчивость и на воздействие линейных нагрузок. Кварцевые резонаторы считаются вибростойкими и вибропрочными, если они противостоят разрушающему действию вибрации и не меняют значений своих параметров или меняют их в допустимых пределах [1].
Данные испытания проходят на специальной аппаратуре, называемой вибростендом. При испытаниях на вибростойкость частоту кварцевого резонатора измеряют во время разрушающего воздействия вибрации, на вибропрочность — после вибрации. Далее рассмотрим данные испытания по подробнее.
Испытания на вибростойкость. В данном случае контролируется способность кварцевого резонатора сохранять значение номинальной частоты в пределах норм в условиях вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений.
Испытуемый резонатор с использованием специальных приспособлений и оснастки устанавливается и крепится к рабочему столу вибростенда. Генератор воздействиям вибрации не подвергается, и поэтому не крепится к рабочему столу вибростенда. Генератор обычно соединяется с кварцевым резонатором с помощью проводов минимальной длины. При измерениях учитывается их влияние на частоты резонатора.
Заданное ускорение должно обеспечиваться непосредственно в местах крепления резонатора. Испытание проводятся в разного рода положениях, при которых эксплуатируются резонаторы, поочередно.
Во время проведения испытания измеряется величина отклонения реальной частоты резонатора от номинальной.
При плавном изменении частоты вибрации не должно наблюдаться уходов частоты резонатора, замеренных до испытания, сверх допустимых значений.
Испытания на вибропрочность. Проводятся для проверки способности кварцевых резонаторов противостоять разрушающему воздействию вибрации [3], а так же сохранять значения номинальной частоты в пределах норм после ее воздействия.
При испытании на вибропрочность применяются следующие методы проведения испытаний.
Метод фиксированных частот. Данное испытание проводится при плавном изменении частоты в каждом поддиапазоне с задержкой на фиксированных частотах (на определенное заданное время). Испытания могут осуществляться:
‒ на одной фиксированной частоте;
‒ на ряде частот механического резонанса;
‒ на ряде частот, заданных в рабочем диапазоне.
Структурная схема испытания методом фиксированных частот представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема испытания методом фиксированных частот
Синусоидальный сигнал с задающего генератора, усиленный с помощью усилителя мощности, подается на вибратор. Выходные характеристики с испытуемого изделия регистрируются измерительной аппаратурой.
Метод качающейся частоты. Данное испытание проводится при непрерывном изменении частоты вибрации от минимального до максимального значения и обратно с определенной скоростью прохождения диапазона частот. Основными параметрами, характеризующими метод качающейся частоты, являются:
‒ время одного цикла качания Тц;
‒ скорость качания nк;
‒ продолжительность испытаний Тп.
Диапазон высоких частот вибраций обычно намного шире, чем диапазон низких частот вибраций, следовательно, при качании частоты с постоянной скоростью в пределах рабочего диапазона область низких частот будет проходить за меньшее время, чем высокочастотная область. В результате обнаружение резонансов в низких частотах будет затруднено. В связи с эти обычно изменение частоты в пределах диапазона рабочих частот осуществляется по экспоненциальному закону.
(1)
где fв — частота вибрации в момент времени t, Гц;
fн — нижняя частота рабочего диапазона, Гц;
k — показатель степени, характеризующий скорость качания.
Так же следует учитывать, что при выборе большой скорости качания оценка свойств испытуемого ЭС будет проводиться с большими погрешностями, т. к. амплитуда резонансных колебаний изделия достигнет меньших значений, чем при малой скорости, а также возможны пропуски (необнаружения) резонансов. При выборе малой скорости качания длительное прохождение диапазона рабочих частот может вызвать повреждение испытуемого изделия на резонансных частотах и увеличение длительности испытаний.
Структурная схема испытания методом качающейся частоты приведена на рис. 4
Рис. 4. Структурная схема испытания методом качающейся частоты
Синусоидальный сигнал с задающего генератора, усиленный с помощью усилителя мощности, подается на вибратор. Выходные характеристики с испытуемого изделия регистрируются измерительной аппаратурой. Данные с измерительной аппаратуры поступают на задающий генератор. Таким образом, с помощью обратной связи происходит автоматическая регулировка уровня частоты.
Испытание на ударную прочность. Обычно ударные нагрузки возникают совместно с другими видами механических нагрузок и отличаются от них импульсным характером и кратковременностью действия
Целью испытаний на ударные нагрузки являются:
‒ проверка способности изделий противостоять разрушающему воздействию ударных нагрузок и, если необходимо, выполнять свои функции в процессе воздействия ударов и после их воздействия;
‒ оценка конструктивной прочности изделий;
‒ демонстрация возможности применения изделий в условиях воздействия ударных нагрузок. [3]
Резонаторы испытываются на ударную прочность при непрерывном воздействии ударов с установленными значением ускорения и продолжительностью ударного импульса. Значение ускорения обеспечивается в местах крепления резонаторов.
Резонаторы считаются выдержавшими испытания на ударную прочность; если их параметры и состояние конструкции после испытаний остаются в норме.
Испытание на ударную устойчивость. Испытания проводят с целью проверки способности резонатора выполнять свои функции в условиях действия механических ударов многократного действия. Испытание проводят под электрической нагрузкой, характер, параметры и метод контроля которой устанавливаются в стандартах и ТУ на изделие и в ПИ.
Испытание на воздействие линейных нагрузок позволяет проверить способность кварцевых резонаторов противостоять разрушающему воздействию линейного (центробежного) ускорения и выполнять функции в процессе воздействия линейного ускорения. Испытание проводится на центрифуге.
Центрифуга должна обеспечивать получение линейного (центростремительного) ускорения, значение которого соответствует требуемой степени жесткости.
Резонатор считается выдержавшим испытание на воздействие центробежного ускорения, если после испытаний он удовлетворяет по параметрам и состоянию конструкции установленным требованиям.
На основе анализа результатов, полученных после испытаний, делаются соответствующие выводы и формируются дальнейшие требования по противодействию разрушающему воздействию вибрации во время перевозки, эксплуатации, и хранения кварцевых резонаторов.
Итоговая классификация видов испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Классификация видов испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия
Заключение
В данной статье были рассмотрены основные виды механических испытаний, актуальных для кварцевых резонаторов. Дана краткая характеристика для каждого испытания. Итогом данной статьи является классификация видов испытаний кварцевых резонаторов на механические воздействия.
Литература:
- Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с.
- Джандаров А. Р. Классификация кварцевых резонаторов с позиции их виброустойчивости // Молодежный научно-технический вестник. — 2016. — № 4.
- Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств. — М.: Техносфера, 2005. — 502 с.
