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        基于LabVIEW的應(yīng)力檢測系統(tǒng)設(shè)計

        2014-06-04 11:14:50霍淑珍
        機床與液壓 2014年2期
        關(guān)鍵詞:測量檢測系統(tǒng)

        霍淑珍

        (天津市職業(yè)大學(xué),天津 300402)

        在現(xiàn)代電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中,PCB的表面貼裝技術(shù)已經(jīng)被廣泛采用,一些更小封裝、管腳密度更高的元器件被越來越多地采用,如BGA形式的封裝。在不到1 cm2的面積上排列了幾十個球狀的管腳。這些管腳在焊接完成后,可能會由于制程中應(yīng)力的存在,發(fā)生焊接部分開裂的現(xiàn)象,如圖1所示。

        圖1 焊點受到應(yīng)力后斷裂的圖像

        產(chǎn)生的開裂對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響,因為這些開裂并沒有完全破壞該部分的電氣連接,通過一般的檢測不能夠檢查出這種虛連性質(zhì)的缺陷,在使用過程中,產(chǎn)品會出現(xiàn)功能不正常的現(xiàn)象,隨著時間的推移,該部分會發(fā)生完全的開裂造成產(chǎn)品的損壞。所以在生產(chǎn)過程中要測量過程中每一生產(chǎn)制程對產(chǎn)品PCB產(chǎn)生的應(yīng)力大小。采用LabVIEW開發(fā)了應(yīng)力檢測系統(tǒng),可以檢測各個制程對PCB產(chǎn)品的應(yīng)力大小,從而使得PCB產(chǎn)品免于應(yīng)力的破壞。

        1 系統(tǒng)組成

        該系統(tǒng)采用了NI公司的SCXI-1000型機箱,配合信號調(diào)理模塊SCXI-1520以及NI E系列采集卡6036E組成了系統(tǒng)的基本硬件框架,如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)的硬件配置

        SCXI-1520為NI公司生產(chǎn)的應(yīng)力應(yīng)變信號調(diào)理模塊,該模塊具有8路應(yīng)力應(yīng)變信號調(diào)理功能,結(jié)合E系列16位數(shù)據(jù)采集卡,系統(tǒng)可具有同時采集8路應(yīng)力大小的能力。通過軟件編程可以方便地配置采集卡所采用的電橋形式,電橋可以選擇四分之一橋、半橋和全橋等,在該系統(tǒng)中,將系統(tǒng)配制成四分之一橋的形式。采用的電路框圖如圖3所示。還可對該信號調(diào)理模塊進行橋臂電阻、激勵電壓等方面的配置。另外,該調(diào)理模塊還具有硬件濾波、零點補償?shù)裙δ?,這使得系統(tǒng)應(yīng)力測量更加準確。

        圖3 系統(tǒng)的電橋配置

        在測試PCB制程應(yīng)力時,對于某一個需要考慮測量應(yīng)力大小的元器件,通常需要測量3個方向上的應(yīng)力大小,所以該系統(tǒng)能夠同時測量兩個點處的應(yīng)力大小。應(yīng)變片常用的一種安裝方式如圖4所示。

        圖4 應(yīng)變片的安裝

        2 系統(tǒng)軟件

        系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件編寫。該軟件為NI公司推出的圖形化軟件,可以方便地進行系統(tǒng)集成。在安裝完系統(tǒng)的硬件、LabVIEW及DAQmx等軟件及驅(qū)動后,可以在NI的Measurement&Automation Explorer中看到所安裝的板卡,可以利用該軟件測試系統(tǒng)的安裝狀態(tài)。

        根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計系統(tǒng)的圖形界面,該界面包含設(shè)置部分及顯示部分,設(shè)置部分用來設(shè)置系統(tǒng)所選擇的通道、激勵電壓、采樣周期、采樣時間、應(yīng)變片參數(shù)等內(nèi)容。顯示部分用來顯示經(jīng)過采樣及計算之后的應(yīng)力大小。點擊界面上的開始按鈕后,系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)置開始采樣顯示等工作。

        在LabVIEW中,對于該應(yīng)力采集卡的編程使用了DAQ中的VI控件,主要包括的內(nèi)容如圖5所示,在該圖中省略了DAQ等對象的設(shè)定部分。首先,程序建立一個虛擬通道,設(shè)定該通道采集的物理通道,并且設(shè)定應(yīng)力采集功能及其參數(shù);然后設(shè)定系統(tǒng)的采樣周期及時長,通過判斷語句判斷是否使能低通濾波器、是否使能零點校準功能,通過順序程序框圖等待操作人員確認開始采集操作;當(dāng)收到采集命令后開始采集任務(wù),采集完成后讀取結(jié)果并顯示,如果出現(xiàn)錯誤,報告錯誤信息。

        圖5 程序主要內(nèi)容

        3 算法組成

        在該系統(tǒng)中采用了半橋的結(jié)構(gòu),應(yīng)變片作為其中的一個橋臂。在該系統(tǒng)中選擇是阻值為120 Ω的應(yīng)變片,該應(yīng)變片的電阻值的變化與所產(chǎn)生形變的關(guān)系:

        其中:ΔR為受到應(yīng)力后電阻值的變化量;

        R為應(yīng)變片的電阻值;

        G為應(yīng)變因子,通常的應(yīng)變片為2。

        將應(yīng)變片接入電橋,當(dāng)應(yīng)變片受到壓力后,應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化,從而應(yīng)變片兩端的電壓發(fā)生變化,該電壓的變化反映出應(yīng)變片部位形變的大小,在忽略導(dǎo)線電阻的情況下,該形變與電橋輸出電壓之間的關(guān)系為:

        其中:Vr為電橋受到應(yīng)力后的輸出與電橋輸入的比值。

        通過應(yīng)變的大小,在知道PCB彈性參數(shù)的情況下,根據(jù)胡克定律可以計算應(yīng)變粘貼處所受到應(yīng)力的大小。通常情況下不需要知道所受應(yīng)力的大小,只需要應(yīng)變在許可的范圍內(nèi)即可。

        4 實驗結(jié)果

        系統(tǒng)開發(fā)完成后,將其用于產(chǎn)品生產(chǎn)線的應(yīng)力測試。PCB板上某BGA元件部分的測試應(yīng)力報告如圖6所示,圖中顯示了該PCB在3次被壓下后應(yīng)變的波形,每次PCB被壓下后的波形是一致的,波形重復(fù)性好,說明系統(tǒng)采樣穩(wěn)定。其中最大應(yīng)變?yōu)?0 με,該應(yīng)變大小滿足IPC組織推薦的最大應(yīng)變允許值。

        5 結(jié)論

        介紹了一種采用LabVIEW開發(fā)的生產(chǎn)線PCB應(yīng)力測量系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠精確測量生產(chǎn)線上的制程中的應(yīng)力大小,對于控制生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

        【1】王天利,孫曉幫,王永順,等.基于虛擬儀器的氣彈簧測控系統(tǒng)[J].機床與液壓,2007,35(7):170 -172,179.

        【2】孫曉幫,王天利,李瑩,等.基于虛擬儀器的減振器生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)[J].機床與液壓,2011,39(5):84-87.

        【3】胡博,吳超海.基于虛擬儀器的離合器助力器檢測系統(tǒng)軟件編程[J].制造業(yè)自動化,2011(8):74-77.

        【4】王愛兵,王豐元,劉華莉,等.基于LabVIEW的制動試驗臺測試技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2009(2):97-99.

        【5】林穎,常永貴,李文舉,等.基于虛擬儀器的振動測試系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓,2008,36(3):131 -134.

        【6】王淑芳,杜飛明.基于虛擬儀器的多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓,2009,37(8):306 -308.

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