电子信息工程毕业设计1.doc

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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目： 绝对式光栅尺 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： B006214 作 者 姓 名 ： 贾晓帅 作 者 学 号 ： 20064021420 指导教师姓名： 王援朝 完 成 时 间 ： 2008年6月20日 北华航天工业学院教务处北华航天工业学院毕业设计(论文)任务书(理工类)学生姓名： 贾晓帅 专 业：电子信息工程 班 级：B06214 学 号：200621420 指导教师： 王援朝 职 称： 工程师 完成时间： 10/6/2010毕业设计(论文)题目：绝对式光栅尺题目来源教师科研课 题纵向课题（）题目类型理论研究（）

2、注：请直接在所属项目括号内打“”横向课题（）应用研究（）教师自拟课题（）应用设计（）学生自拟课题（）其 他（）总体设计要求及技术要点：该传感器与光栅数显表,或与电子细分卡、计算机、PLC，或与数控单元一起组成测量、控制系统。被广泛地用于数控镗床、铣床、车床、磨床、电加工机床、镗铣床、加工中心、专用机床、测量机、工作台、激光加工、半导体加工等数控设备。主要特色：基准器刻有两个定位码道，精码道用于栅尺判向和细分，粗码道它以二进制伪随机码编程，再通过与其配用的译码显示器使全长的测量范围内的任意位置实现单值函数的测量，实时确定光栅尺移动的绝对位置。极大地提高了系统的 抗干扰能力。 工作环境及技术条件：

3、主要技术指标： 量程5011000mm 工作速度30120m/min 准确度515m 分辨率0.5m 工作温度-10+50C 耐振动2035M/sec2 工作及最终成果： 1. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器系统分析与论证2. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器产品结构分析与设计3. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器电路设计4. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器电路板设计与制作5. 绝对式直线编码器JGX-7光栅传感器产品电路及总体安装调试成果：1.毕业设计论文2.设计产品实物3.全套分析、设计技术资料时间进度安排：第56周 参观、布置任务第78周 收集技术资料，完成技术可行性

4、论证并撰写开题报告第910周 系统分析与论证第1112周 结构分析与设计第1314周 电路板设计与制作、总体安装与调试第1516周 撰写毕业设计论文第17周 毕业设计论文答辩及成绩评定指导教师签字： 年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日北华航天工业学院本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）绝对式光栅尺是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论

5、文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日摘 要绝对式光栅尺，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常应用于数控机床的闭环伺服系统中。本文就光栅的数据采集，信号的细分辨相作详细的研

6、讨和论证。本设计的主要特点就是能够对光栅尺实时定位得到绝对位置，并通过辨向细分电路对信号处理使其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。关键词： 辨向细分电路 数据采集 光栅尺AbstractAbsolute grating, is the measurement feedback device using of grating optics , often used in closed-loop CNC machine tool servo systems.In this paper, there will be a detailed discussion a

7、nd demonstration about raster data acquisition and signals subdivision. The main feature of this design is the ability to obtain real-time location of the grating absolute position, and to distinguish the sub-circuit through the signal processing to measure the output signal into digital pulses with

8、 a detection range, high precision and fast responseKey words Quadrature decoder/ counter Data Acquisition Grating Sensor目 录第1章 绪论11.1 光栅传感器简介11.2 课题背景11.3 课题的建立以及本文完成的主要工作2第2章 光栅测量技术32.1 光栅简介32.2 光栅测量原理42.2.1 信息采集原理42.2.2 裂相窗口测量原理52.2.3 绝对位移测量6第3章 光栅尺的电路设计73.1 光栅尺辨相技术73.1.1 辨相的原理73.1.2 辨相电路93.2 细分原

9、理103.2.1 四细分103.2.2 五细分11第4章 光栅尺版图制作144.1 版图制作概况144.2 版图制作设计144.2.1 软件环境介绍144.2.2 电路图的绘制144.3 电子版图布线设计154.4 主要技术性能指标18第5章 光栅尺的制造与安装195.1光栅尺的制造195.1.1 元器件筛选的目的和作用195.1.2 元器件筛选的原理195.1.3 电子元器件筛选方案205.2光栅尺的安装215.2.1 位移传感器安装基面215.2.2 位移传感器主尺安装225.2.3 位移传感器读数头的安装225.2.4 位移传感器限位装置225.2.5 位移传感器检查225.2.6 光栅

10、传感器安装注意事项23第6章 结论24致 谢25参考文献26附 录27附录127附录232绝对式光栅尺第1章 绪论1.1 光栅传感器简介传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现

11、自动检测和自动控制的首要环节。光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。1.2 课题背景从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式

12、测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到

13、20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅传感器，并制造出栅距为4m（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1

14、966年制造出了栅距为20m（50线/mm）的封闭式直线光栅传感器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对传感器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对传感器和增量传感器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下

15、内容：1光栅传感器的设计原理，设计方法，设计的实现，原理的建立和联系到原理所产生的设计方法，方法的优缺点，困难，和解决思路。在原理的完成，查漏，补全以及替换上反复验证。各部分的采用实现，适合的元器件选择，理论的完成设计思想。2使用protel 99工具，学会使用工具，再熟悉并可以使用的基础上根据完成的电路设计，画出原理电路图，结合元器件的选择，在版图制作中进行版图制作，根据实际的生产情况，对版图的制作进行修改加工，在实际的基础上完成对版图的制作。在这里需要对实际工作的认识和熟悉，加工工艺的要求在这里要有充分的认识。3熟悉光栅传感器的制作工艺，了解生产过程，在工程生产中所要求的注意事项，在工艺中

16、实际的实现有技术要求，要联系到实际可能性和实用性，最后完成并生产出实际的光栅传感器。第2章 光栅测量技术2.1 光栅简介光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽

17、表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图1所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为，衍射角为，衍射级次为m，d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：M=d（sin+sin） 定义为入射光线与衍射光线夹角的一半，即=(-)/2；为相对于零级光谱位置的光栅角，即=(+)/2,得到更方便的光栅方程： m=2dcossin 从该光栅方程可看出： 对一给定方向，可以有几个波长与级次m相对应满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光

18、谱滤光片轮的意义。 衍射级次m可正可负。 对相同级次的多波长在不同的分布开。 含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变，则在+不变的方向得到不同的波长。 光栅单色仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据罗兰判据为： R=/ 光栅光谱仪中有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)。实际上，分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。 R MF/W M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度。 2.2 光栅测量原理2.2.1 信息采集原理传感器的目的是把现实生活中的各种物理、化学信息转化成电子信号从而方便数据的后期处理。光栅尺所完成的任务就是把

19、位移信号转化成相应变化的电信号。光栅尺信息采集原理，如图2-1。原理概述如下：由发光源发出的激光透过光栅尺照射到光敏元件上，光敏元件把得到的光线强度反应到电路中从而得到相应的电信号。当然，为了增强数据的准确性往往在光源后和光敏元件前增设透镜装置。在生产实际中，栅式光栅尺使用两根光栅尺，如图2-2所示。一根为主光尺，也就是刻度标尺，尺的一侧，均匀的刻有明暗相间的光栅条纹。另一根光栅尺很短很小，有5个裂相窗口，其中4个窗口用与辨相计数，另外的窗口用于定位，每个窗口刻有与标尺相同栅矩的光栅条纹。当测量光栅左右移动时，透过光栅尺的光强度会有明暗的变化，通过光敏元件把这种明暗变化用电信号表示出来，完成数

20、据的采集。图2-2 光栅尺的主光栅尺与指示光栅示意图2.2.2 裂相窗口测量原理上节理论上简单介绍了光栅尺的测量原理。在生产实际中，栅式光栅尺使用两根光栅尺，如图2-3所示。一根为主光尺，也就是刻度标尺，上均匀的刻有明暗相间的光栅条纹。另一根光栅尺很短很小，有4个裂相窗口，每个窗口上刻有与标尺相同栅矩的明暗相间的光栅条纹，且4个窗口各自相距为栅矩的（N+1/2）倍，此光栅尺称为测量光栅。在两尺的一端有光源，即发光二极管。另一端有光敏电阻，对齐窗口的位置安装4对管，如图2-4。图 2-3 四裂相窗口光栅尺图 2-4 四裂相窗口光栅尺实物图使用时，主光尺是固定的，指示光栅在主光栅上移动，按照收到光

21、照程度不同产生正弦波，由于4窗口位置的相位关系，因此产生的4个正弦波依次相位差为90度。测量位移的大小，速度的多少都经过指示光栅进行读取和记录。2.2.3 绝对位移测量普通光栅尺所测只是相对位移无法准确的得到此刻的位移量，为了能够对位移大小准确定位，往往增加一个特殊的窗口（定位窗口）来采取绝对位移信号。实际制造中，常会在主光栅尺上方每隔一定的距离刻光栅条纹。使用时，当定位窗口与定位光栅重合时就会发出信息，从而确定此事测量光栅的绝对位置。第3章 光栅尺的电路设计3.1 光栅尺辨相技术主光尺指示光栅3.1.1 辨相的原理上章我们已经阐述了光栅尺的信息采集，下文简述光栅尺的如何进行辨相。图 3-1首

22、先，看一下光栅采集数据的特点：光栅尺如图3-1，当用光电元件作为检测元件接受光强明、暗变化时，就会转换为相应的电信号。移动测量光栅尺，两尺栅线相对位置改变，使得每个裂相窗口中的光强发生变化，光电元件输出电压或电流波形与光强的变化类似，是一个具有直流分量的正弦交变信号。当主光栅尺与指示光栅对应叠放，若指示光栅0窗口的栅线与主光栅栅线完全重叠,如图，刻线对齐刻线，该窗口最明亮，可认为是莫尔条纹的亮带；180窗口两尺栅线完全错开刻线对齐缝隙，窗口最黑暗，可认为是莫尔条纹的暗带；90和270窗口中栅线缝隙遮挡一半，此时窗口半明半暗。光栅栅线很细肉眼看到的只是裂相窗口的平均光强。此时，0度窗口全明，90

23、度窗口半明半暗，180度窗口全暗，270度窗口则是半明半暗。假设测量光栅向右移动1/4栅距时，0度窗口半明半暗，90度窗口是全明，180度窗口半明半暗，270度窗口全暗。测量光栅向右移动1/2栅距时，0度窗口全暗，90度窗口半明半暗，180度窗口全明，270度窗口则是半明半暗。测量光栅向右移动3/4栅距时，0度窗口半明半暗，90度窗口是全暗，180度窗口半明半暗，270度窗口全明。继续右移，遵此循环，可得到图3-2A所示波形。00t22u1u2tu00t18020t90270u2A 四个光电管输出波形B 两个差动放大器输出波形图 3-2 波形输出以90与180窗口对应输出的两个正弦电信号为一组

24、送入一个差动放大器，再把90与270窗口对应输出的两个正弦电信号为一组送入另一个差动放大器，这样，四个光电接收管的信号经过两个差动放大器后，消除了直流分量，转换为两路相位相差90的正弦交流信号u1 、u2输出同理左移测量光栅尺得到图3-3A所示波形，对应合并得到图3-3B所示u1、u2。00t22u1u2tu00t18020t27090u2A 四个光电管输出波形B 两个差动放大器输出波形图 3-3 波形输出总之，无论测量光栅尺从何处开始移动，只要是向左移动，u2波形相位落后u1波形90；测量光栅尺向右移动，u2波形相位超前u1波形90。将以上两路信号送入辩向电路，即可区分测量光栅尺的移动方向。

25、光栅输出的回路信号,通过差分放大电路消除直流电平,形成两路幅值为的正弦信号A和B,其相位差为90，如图 3-4所示。图 3-43.1.2 辨相电路上节得到两路正弦信号A和B,经过辨相电路，当测量光栅右移时使得计数器加计数数，左移时减计数，此时，我们就可以完成对测量的辨相。辨相电路如图3-5所示。图3-5 辨相电路框图下面我们依据图3-6所示波形来分析辨相电路如何完成辨相工作：测量光栅左移时，u2波形相位落后u1波形90。两路信号经放大整形输出两路相差 90的方波信号u1, u2。接着我们对u1及其反向信号进行微分，得到的两路微分信号分别与u2做与运算。观察图形可知Y2有输出而Y1无输出，经RS

26、触发器，Q输出高电平，此时可逆计数器进行加计数。同理，测量光栅右移时，可逆计数器进行减计数。至此，我们完成了当测量光栅右移时使得计数器加计数数，左移时减计数的设计要求，电路辨相完成。图3-6 辨相电路各点输出波形3.2 细分原理经过整形电路后的输出信号放大倍数有限，精度也不是很高，所以需要细分电路处理。这就分为软件细分和硬件细分。目前，光栅计量的软件细分方法有：正切查表法、直接细分法、斜率陡峭切割法等。硬件细分方法很多下面介绍几种。3.2.1 四细分光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B.如图3-4所示，用A，B两相信号的脉冲数表光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动四倍频后的信

27、号，经计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。图3-7 光栅传感器输出信号示意图3.2.2 五细分五细分电路可以和其他细分电路配合组成十的倍数的放大倍数，是一种很受欢迎的专用集成电路。硬件五细分，通过对正弦信号移向并组合，从而实现细分。首先介绍一下电阻链移向原理：根据戴维南的等值发电机原理，图中图 3-8 电阻链移向原理令：则：令： 则： 所以当选不同的和值时，可获得不同的相移角t，从而使得正弦信号得到移相的目的。此后，经过电路的整合达到细分的目的。实际生产中往往采用集成电路，电路内部框图如图3-9，

28、输入端有，,比较电平和绝对零点五路输入信号，输出O1,O2 ,O。首先，和信号经过电阻链1形成，五路信号，同理由和产生，。经过过零比较器产生十路方波信号，再经过如图组合的异或电路形成两路相差90度的五细分方波信号。以上就是五细分电路的基本原理。至此，电路设计完毕。图 3-9 五细分电路第4章 光栅尺版图制作4.1 版图制作概况光栅传感器的设计，在基础电路设计完成后，需要实现硬件的产品。而在这之前，还需要光栅传感器的版图制作。他作为向硬件过渡的关键，是基于电路设计的基础，绘制电路版图，利用软件功能，实现硬件电路板的设计。根据软件功能，布线布局安排好后，可由厂家直接生产电路板，实现硬件的设计。本次

29、设计采用Protel 99软件完成对电路版图的设计和制作。在设计制作中，耗用了大量的时间在布局设计上面，是本次设计最为耗时的环节。4.2 版图制作设计Protel 99是应用最广泛的电子线路设计软件，使用简单、易于学习、功能强大。此次设计使用该软件实现电路版图的制作，绘制。为硬件设计实现提供指导。由于电路设计的完成，按照原理图，首先构建电路图，在软件环境中把前面提到的电路设计思想用电路图的形式画出来，同时注意器件的选择，摆放的结构，各部分细节，都要完整，不可缺失。4.2.1 软件环境介绍本设计的版图绘制环境是在Protel 99下完成的。Protel是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软

30、件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高。完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。4.2.2 电路图的绘制启动Protel 99软件，新建sch文件，根

31、据前面设计的电路，调用合适的元件，开始绘制电路图。同电路设计类似，电路图的设计同样各部分都要一一对应。各部分功能都相应实现，电路图的设计，功能调试，完成后，进行检测。电路图的完成如下：图4-1 光栅尺电路图4.3 电子版图布线设计在完成电路图后，要对电路进行版图设计，这一处更加费时费力，把对应的器件，电阻，模块选取出来，放到模板上，首先确定模板范围，然后各器件和模块的摆放，位置的不一样，让布线的难易不一样，在这一点上，经过多次的实验，不断地改良中，层板改为2层，上下层，模板大小更加紧凑，精细。下面将对版图各部分进行图片示意，在版图设计中，布局尤为关键，但是还有一个不可忽视的问题存在，可实现性。

32、不是所有版图最精细，最简省就是好的，可采用的，工艺上有些是达不到的，所以在设计中还要考虑到可实现性的问题，在这一方面，我缺乏经验，却得到指导老师的指导，对于一些理论存在，但无法实现的部分作了修改和调整，最后，将各部分图片展示如下：电路上层的完成版图：图4-2 上层版图电路下层的完成版图：图4-3下层版图电路器件模块布局图：图4-4 布局图版图底层反面图：图4-5底面图最终完成的版图设计如下：图4-6 完成图版图的设计中，软件提供了自动布线，但是实际存在是否可以实现的问题，所以在版图的设计中我经过了多次的布线，设计，重新布局，甚至电路都改了很多次，相应的版图也要重新设计，这是这次设计中最为困难的

33、一部分，直到最后的认定可行，经过了大量的工作和实验。在这过程中的辛苦和汗水换来了最后版图设计的成功。清单如表4-1表4-1 元件清单封装元件值数量0805300708052K5080543K80805100K30805220uH110053300P1PAD-10测点1PAD-12.5V测点1PAD-15V1PAD-190测点1PAD-1180测点1PAD-1GND1SIP-31K2SIP-320K1SIP-420K1SIP-55K1SIP-5CON51SIP-7CON71SO-1626LS311SOL-20PDC92041SOT-23TL43114.4 主要技术性能指标表4-2 性能指标量程（

34、mm）01100准确度（m/m）3（200.5）测量分辨率（m）0.5m光栅工作间隙0.81.2mm测量重复性1个分辨率玻璃尺厚度0.18mm玻璃尺宽度12mm工作电压5V工作速度60M/min输出信号A，B俩路正弦信号五细分适配器输入波形：相差90度俩路正弦信号输出波形：相差90的俩路TTL方波信号电缆最长0.55M外形尺寸（长*宽*高）40mm*16mm*24mm工作温度-10+50第5章 光栅尺的制造与安装5.1光栅尺的制造 电子信息技术是当今新技术革命的核心,其技术基础是电子元器件(以下简称元器件) ，其中大部分是微电子器件。元器件是电子设备和系统的基本单元,为了提高系统的可靠性,必须

35、首先保证元器件的可靠性,但是即使高可靠性的元器件，在最好的生产工艺和生产控制下，仍然不可避免地会产生一些有缺陷、质量不符合要求的产品。所以在装机前对元器件进行测试筛选就显得尤其重要。5.1.1 元器件筛选的目的和作用筛选是通过检验和试验剔除不合格或有可能早期失效产品的方法。检验包括在规定环境条件下的目视检查、功能测量等，某些功能测试是在强应力下进行的。电子元器件筛选分为一次筛选和二次筛选。一次筛选也称成品筛选, 是由元器件生产厂按元器件技术标准和订货合同要求进行的出厂前筛选。二次筛选是元器件用户在元器件到货后进行的筛选。筛选的目的是有效地剔除早期失效产品，使失效率降低到可接受的水平。元器件筛选

36、是提高电子元器件使用可靠性的重要手段，因而也是提高电子产品固有可靠性的有效手段。元器件经过筛选可以发现并剔除在制造、工艺、材料方面的缺陷和隐患。元器件筛选对于空空导弹这样在飞行任务期间没有可能维修、可靠性指标要求又很高的产品尤其重要。5.1.2 元器件筛选的原理元器件是整机的基础,它在制造过程中可能会由于本身固有的缺陷或制造工艺的控制不当，在使用中形成与时间或应力有关的失效。为了保证整批元器件的可靠性，满足整机要求，必须把使用条件下可能出现初期失效的元器件剔除。元器件的失效率随时间变化的过程可以用类似“浴盆曲线”的失效率曲线来描述,早期失效率随时间的增加而迅速下降，使用寿命期(或称偶然失效期)

37、内失效率基本不变。筛选的过程就是促使元器件提前进入失效率基本保持常数的使用寿命期,同时在此期间剔除失效的元器件。事物的好与坏的判别必须要有标准去衡量。判断元器件的失效与否是由失效判别标准即失效判据所确定的。失效判据是质量和可靠性的指标，有时也有成本的内涵，所以元器件失效不仅指功能的完全丧失，而且指电学特性或物理参数降低到不能满足规定的要求。简而言之，产品失去规定的功能称为失效。失效一般分为现场失效和试验失效。现场失效一般是在装机以后出现的失效，因此，我们在元器件测试筛选过程中只考虑试验失效。试验失效主要是封装失效和电性能失效。封装失效主要依靠环境应力筛选来检测。所谓环境应力筛选，即在筛选时选择

38、若干典型的环境因素，施加于产品的硬件上，使各种潜在的缺陷加速为早期故障,然后加以排除,使产品可靠性接近设计的固有可靠性水平，而不使产品受到疲劳损伤。在正常情况下是通过在检测时施加一段时间的环境应力后，对外观的检查(主要是镜检，根据元器件的质量要求，采用放大10倍对元器件外观进行检测，也可以根据需要安排红外线及X射线检查) ，以及气密性筛选来完成，当有特殊需要时，可以增加一些DPA (破坏性物理分析)等特殊测试；这些筛选项目对电性能失效模式不会产生触发效果。所以,一般将封装失效的筛选放在前面,电性能失效的筛选放在后面。电性能失效可以分为连结性失效、功能性失效和电参数失效。连结性失效指开路、短路以

39、及电阻值大小的变化，这类失效在元器件失效中占有较大的比例。因为在元器件筛选测试过程中，由于过电应力所引起的大多为连结性失效，同时,连结性失效可以引发功能性失效和电参数失效，但是功能性失效和电参数失效不会引发连结性失效。主要原因是，当连结性失效模式被特定的筛选条件触发时，往往出现的现象为元器件封装涂覆发生锈蚀、外壳断裂、引线熔断、脱落或者与其他引线短路，主要表现为机械和热应力损伤,但是有时并不表现为连结性故障，而是反映为金属疲劳、键合强度不够等问题，这些本身不会引发连结性失效，但是会引发功能性失效和电参数失效，需要通过功能性和电参数监测才能发现。但是，电路的功能性失效和电参数失效被特定的的筛选条

40、件触发时，出现的现象是某些特定的功能失效、电参数超差等。造成这些失效的主要原因在于：制造、设计中的缺陷以及生产工艺控制不严，使生产过程中各种生产要素如空气洁净度等级、超纯水的质量监测、超纯气体和化学试剂达不到规定的要求；在运输转运过程中由于防静电措施不到位也会发生静电损伤。这些因素作用下半导体晶体会受到各种表面污染物的玷污,会使产品不能达到规定的质量等级要求。当受到特定的外部条件激发的情况下，就会产生功能性失效和电参数失效，但是这些功能性失效和电参数失效造成的影响往往只能造成元器件部分的功能失去作用，还不能使芯片的封装和各部分的连结线出现烧毁、短路、开路等现象,所以电路的功能性失效和电参数失效

41、与连结性失效不产生引发效果。5.1.3 电子元器件筛选方案 在安排测试筛选先后次序时,有两种方案：方案1:将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。方案2:将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面,将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。如果选择方案1,会发现将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面时,出现本身失效模式没有被触发、其他关联的相关失效模式被触发的情况时,这种带有缺陷的元器件不能被准确地定位、剔除,因为该类失效模式的检测已经在前面做过了。而选择方案2就可以非常有效地避免上述问题的发

42、生,使筛选过程优质、经济和高效。因此,决定元器件测试筛选先后次序的原则是:1失效概率最大的筛选方法首先做。2当一种失效模式可以与其他失效模式产生关联时,应将此失效模式的筛选放在前面。3使用不同方法对同一种失效模式进行筛选时,首先考虑失效概率的分布,容易触发失效的筛选方法首先进行。4考虑经济性,便宜的先做。5考虑时间性,时间长的后做。6测试顺序的安排是后面的参数能够检查元器件经前面参数测试后可能产生的变化。对有耐电压、绝缘电阻测试要求的元器件,耐压在前、绝缘在后,功能参数最后测试;对有击穿电压和漏电流测试要求的元器件,击穿电压在前,漏电流在后,功能参数最后测试。5.2光栅尺的安装光栅线位移传感器

43、的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。 一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。5.2.1 位移传感器安装基面 安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于0