Для режима отслеживания характерна невысокая точность совме- j\ щения курсора с линией. Поэтому необходимо ввести более крупный шаг дискретизации. Подавляющее большинство практических случаев удовлетворяют два шага: 0,1 и 0,5 мм. Шаг 0,1 мм широко применяегся в растровых устройствах вывода графической информации на бумажный носитель с помощью гра(1х)постронтелей, а шаг 0,5 мм весьма близок к возможностям вывода на экран растрового дисплея.

Таким образом, полный набор шагов дискретизации УЦК аналоговой информации составляет 0,01; 0,1; 0,5; 2,5; 5 мм. Последние два значения обеспечиваются в режиме кодирования с помощью карандаша.

Рассмотрим схему, позволяющую получить режимы кодирования о шагом 0,1 и 0,5 мм. Определяющими факторами, которые при этом учитываются, являются тремор руки и появление ошибок округления при делении по формуле (4.45). В режиме кодирования по расстоянию генератор тактирующих импульсов запускается с максимальной частотой, а сигнал на передачу кода в выходной регистр вырабатывается только при условии изменения считанного кода по одной из координат. Изменения шага нельзя достичь простой заменой величины пд, поскольку на границе смены координат считанные коды будут изменяться многократно вследствие тремора и ошибок округления.

Способ исключения ложных считываний состоите образовании координатных линий, в зоне которых»разрешена смена кода, разделенных зонами, где смена кода на внешнем регистре запрещена. Код в зоне координатных линий изменяется по результатам нескольких считываний подряд однозначных кодов. В связи с указанным требованием граница разделения зон должна быть по возможности точной. Это достигается вследствие выбора Пд значительно большим, чем 2,5 мм/Дх, где Ад: - требуемая дискретность (Аде = 0,1 мм. Ал; = 0,5 мм).

Дискретизация с шагом 0,1 мм выполняется при Пд == 199. Признаком разрешенной зоны служит наличие единицы в третьем младшем разряде частного га,. Число однозначных считываний для защиты от тремора достаточно выбрать равным четырем. В выходной регистр заносится содержимое старших пяти разрядов регистра п,.

Для перехода к шагу 0,5 мм достаточно счетчик 6 (см. рис. 4.27) настроить на коэффициент пересчета 40 (пд = 39), требуемая точность АЦП в этом режиме обеспечивается при отсутствии импульсного фильтра. Поэтому допустимая скорость отслеживания линии увеличивается до 100 точек/с или 50 мм/с.

Рассмотренный способ дискретизации рабочего поля приводит к его разбиению на вертикальные и горизонтальные полосы чувствительности с шагом 0,1 и 0,5 мм, разделенные зонами нечувствительности. Таким образом, в этом режиме устройство автоматически осуществляет дискретизацию непрерывной информации с выбранным шагом 0,1 или 0,5 мм.

Соответствие между видом съемника, режимами работы и чувствительностью устанавливается согласно табл. 4.3. Режимы работы и чувствительности задаются с помощью клавиш на электронном блоке устройства. При работе с курсором в ЭВМ по приводной шине пере.

Таблица 4.3. Режим работы

устройства

Курсор

даются коды номеров координатных шин Лкх и Икр н коды уровней дискретизации расстояния между шинами rtx и п. Расстояние кодируемой точки от нулевой шины вдоль координаты X вычисляется по формуле Д, = (Пкх-2,5 + /г,Дл;) [мм].

(4.47)

Одновременно с передачей кодов о координатах в систему передается информация о чувствительчости (3 бита), режиме работы (2 бита) и виде съемника (1 бит). Кроме того, выдача каждой пары координат сопровождается выдачей сигналов готовности. В режимах работы со щупом коды /г, и Пу не вырабатываются.

Конструктивно устройство выполняется в виде чертежной доски с форматом рабочего поля 640 X 920 мм. На рабочем поле располагаются коммутаторы тока возбуждения координатных шин, а электронные блоки управления и обработки сигналов - с тыльной стороны рабочего поля и расположены в один ряд с шагом 30 мм. Такое конструктивное решение наряду с малым потреблением электроэнергии (50 Вт) позволило избавиться от системы воздушного охлаждения, благодаря чему созданы предпосылки для массового применения устройств в обычных конструкторских бюро. Точность измерения координат составляет ± 50 мкм.

4,10. Индукционный микроскоп

Для контроля качества фольгированных материалов и печатных плат используются в основном оптические методы обнаружения и визуализации поверхностных неоднородностей проводящих материалов (115]. Недостаток применения оптических микроскопов для обнаружения поверхностных дефектов проводящих материалов заключается в их низкой чувствительности в связи с тем, что в оптических отражательных микроскопах отсутствует избирательность к величине проводимости контролируемой новерхности, а отражательная способность определяется в основном поверхностными неровностями. Поэтому диэлектрические вещества на металлических поверхностях затрудняют обнаружение неоднородностей в металле.

Для электронных микроскопов характерна большая избирательность к металлам, чем для оптических. Однако электронные микроскопы затруднительно использовать втехнодогических процессах, поскольку они сложны и их работоспособность обеспечивается только в вакууме [116].

В измерительной технике широко применяются оптические измерительные микроскопы [117] для измерения и контроля. В отличие от оптических микроскопов для визуального наблюдения неоднородностей они имеют приемник отраженного излучения, обесаечивающий автоматическую их регистрацию.

в качестве источника потенциальной энергии в них обычно используется источник постоянного напряжения, питающий преобразователь электрической энергии в энергию оптического излучения. Преобразователем служит лампа накаливания или лазер. Оптическое излучение локализуется объективом на исследуемой поверхности. В зависимости от наличия неоднородностей на контролируемой поверхности изменяется характер рассеивания отраженного оптического излучения. Следовательно, на ЧЭ приемника приходит различное количество энергии. ЧЭ преобразует поступающую отраженную энергию в напряжение на входе усилителя. Усиленное напряжение отображается регистрирующим устройством.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитное колебание настолько высокой частоты, что глубина проникновения в металлическую поверхность пренебрежимо мала. Поэтому количество отраженной энергии оптического излучения не зависит от проводимости отражательной поверхности, примерно одинаковой для металлов и диэлектриков, что приводит к уменьшению чувствительности оптического микроскопа. На практике неоднородности контролируемых металлических поверхностей часто заполнены диэлектрическим материалом, что затрудняет их обнаружение, поскольку отражательная способность не существенно отличается от отражательной способности металла. Следовательно, чувствительность оптического измерительного микроскопа мала при обнаружении неоднородностей металлических поверхностей.

Вследствие снижения чувствительности к неоднородносгям, заполненным диэлектриком, необходимо обеспечивать высокую степень частот контролируемых металлических поверхностей. Кроме того, исключается обнаружение неоднородностей металлических поверхностей, покрытых слоем диэлектрика, что ограничивает область применения оптического микроскопа.

Для контроля проводящих поверхностей наиболее приемлем индукционный микроскоп. Высокая чувствительность индукционного микроскопа достигнута в результате того, что неоднородности проводящей поверхности обнаруживаются с помощью электромагнитного излучения низкой частоты, длина волны которого значительно превышает размеры излучателя и расстояние от излучателя до объекта исследования. Таким образом, неоднородности обнаруживаются в ближней зоне излучателя. При работе в ближней зоне микроскоп строится на принципе отражения магнитной составляющей поля при воздействии электромагнитной волны на проводящую поверхность. Нормальная к проводящей поверхности составляющая магнитного поля вызывает в ней индуцированные токи, магнитное поле которых направлено противоположно полю излучения. Поэтому отраженная составляющая магнитного поля вычитается из магнитного поля излучателя. Индуцированный ток определяется проводимостью исследуемого объекта, которая велика для проводящих поверхностей и пренебрежимо мала для диэлектриков. Следовательно, индукционный способ обнаружения неоднородностей проводимости нечувствителен к величине диэлектрического материала на исследуемой поверхности. Главной технической

задачей при реализации в микроскопе индукционного способа обнаружения неоднородностей проводимости является обеспечение приемлемой чувствительности при заданной пространственной разрешающей способности.

Чувствительность индукционного микроскопа при обнаружении неоднородностей проводящих поверхностей и требуемая разрешающая способность достигаются посредством выполнения преобразователя потенциальной энергии в энергию излучения в виде генератора импульсов тока, соединенного с двумя идентичными излучающими проводниками, расположенными над экранирующей проводящей поверхностью. Блок локализации энергии излучения и отраженной от исследуемой проводящей певерхности выполнен в виде отверстия в экранирующей проводящей поверхности под одним из проводников возбуждения. Чувствительный элемент выполнен в виде индуктивно связанных идентичных участков проводников возбуждения и съемных проводников, а усилитель - в виде синхронного детектора.

Применение преобразователя потенциальной энергии в энергию излучения в виде генератора импульсов тока, соединенного с проводниками возбуждения, позволяет сформировать импульсное магнитное поле с крутыми фронтами при сравнительно низкой частоте импульсов возбуждающего поля. При этом достигается малая глубина проникновения магнитного поля в проводящие поверхности за время фронта импульса, что позволяет уменьшить толщину экранирующей проводящей поверхности и выполнить отверстие над проводниками возбуждения малого диаметра, а также упрощает построение синхронного детектора. Экранирующая проводящая поверхность с отверстием малого диаметра позволяет локализовать действие поля проводника возбуждения на исследуемую проводящую поверхность, благодаря чему достигается требуемая пространственная разрешающая способность. ЯЭ в виде индуктивно связанных съемных и излучающих проводников, один из которых проходит над отверстием в экранирующей поверхности, образует стабильный относительно воздействий окружающей среды мост, соединенный с усилителем сигналов. Мостовая схема позволяет эффективно подавить немодулироваиную неоднородностями исследуемой поверхности составляющую сигнала возбуждения и получить требуемую чувствительность индуктивного микроскопа. Применение синхронного детектора для усиления выходного сигнала индуктивного моста позволяет накапливать сигналы, индуцированные в ЧЭ на заднем и переднем фронтах импульса возбуждения, и, таким образом, осуществить оптимальную обработку выходного сигнала по критерию сигнал/шум.

Индукционный микроскоп (рис. 4.28) работает следующим образом.

Потенциальная энергия источника напряжения 2 преобразуется генератором 3 импульсов напряжения в импульсы тока прямоугольной формы с крутыми передним и задним фронтами. Выходной ток генератора 3 распределяется между парой излучающих проводников 4, расположенных на минимальном удалении от экранирующей проводящей поверхности 5, пропорционально их индуктивности, величина которой определяется отношением магнитного поля, связанного с ука-

. Схема индукционного

занными проводниками, к протекающему по ним току. Магнитное поле проводников 4 формируется током генератора 3 и индуцированными токами, протекающими по экранирующей проводящей поверхности 5. Благодаря вычитанию полей токов проводников 4 и полей индуцированных токов в проводящей поверхности магнитное поле локализуется вблизи проводников при условии, что они проходят на малом расстоянии по сравнению с толщиной проводника от этой поверхности. Поскольку индуцированные токи возбужд«?Ьы импульсами магнитного поля с крутыми фронтами, то глубина их проникновения в поверхность 5 мала, магнитное поле под проводящей поверхностью 5 отсутствует и не взаимодействует с исследуемой проводящей поверхностью 7. Такое взаимодействие наблюдается только под отверстием 6, где между излучающим проводником и исследуемой проводящей поверхностью отсутствует экранирующая проводящая поверхность.

Импульсное поле, воздействующее на исследуемую проводящую поверхность, формируется за счет вычитания полей токов, протекающих по излучающему проводнику и экранирующей поверхности вокруг отверстия 6. Благодаря вычитанию магнитное поле, воздействукщее на исследуемую проводящую поверхность, локализовано вблизи отверстия 6. Его интенсивность падает при увеличении расстояния между проводящими поверхностями 5, 7i линейно вблизи проводника 4 и пропорционально квадрату этого расстояния в удаленной зоне от излучающего проводника.

Поле, локализуемое отверстием 6, воздействует на исследуемую проводящую поверхность 7, вызывая в ней индуцированные токи, которые также создают магнитное поле, направленное встречно полю тока излучающего проводника, что проявляется в увеличении индуктивности проводника 4 на участке пересечения им отверстия 6. Если однородность проводящей поверхности 7 будет нарушена в зоне отверстия 6, то величина индуцированных токов изменится, что проявляется в модуляции величины индуктивности излучающего проводника.

Модуляция индуктивности вызывает модуляцию величины тока в проводниках 4 за счет перераспределения тока генератора 3 между этими проводниками. Появление разности токов между проводниками 4

приведет к появлению разностного сигнала, индуцируемого на индуктивно связанных участках проводников 4 и съемных проводников 9. Разностный сигнал преобразуется в цифровой код блоком обработки 8. Разность напряжений, пропорциональная величине модуляции тока, усиливается усилителем 10. Его особенность состоит в том, что усиленное напряжение формируется в результате суммирования напряжений, которые индуцируются в проводниках 9, на переднем и заднем фронтах тока возбуждения проводников 4. Суммирование обеспечивается благодаря синхронизации усилителя 10 генератором импульсов тока 3. Усиленное напряжение отображается в регистрирующем устройстве 11, выполненном, например, в виде АЦП.

Рассчитаем чувствительность индукционного микроскопа, используя пространственное разрешение. Предположим, что локализующее отверстие 6 имеет диаметр d = 20 мкм, амплитуда тока возбуждения в каждом из проводников 41 = 1 А, фронт тока Тф = 10 не, при расстоянии между проводящими поверхностями 5, 7 20 мкм, коэффициент модуляции индуктивности би = 0,2, погонная индуктивность излучающего проводника над отверстием 6L„ = 0,35 • 10~° Гн/мм. Амплитуда индуцированного импульсного напряжения на входе усилителя

и„ = = 0.35 .10--02. 1.0.2

Порог чувствительности синхронных детекторов MJ = 2,5 мкВ. При этом порог чувствительности индукционного микроскопа к неод-нородностями проводящей поверхности

= 20/5-2.7 „км.

Следовательно, индукционные микроскопы можно исполызовать для обнаружения неоднородностей с размерами до нескольких микрон, а минимальные размеры измеряемых неоднородностей с погрешностью в несколько микрон составляют десятки микрон.

Кроме высокой чувствительности обнаружения неоднородностей проводящих поверхностей индукционный микроскоп имеет следующие преимущества передоптическими измерительными микроскопами: простота изменения конфигурациизондируемого участка исследуемой поверхности, которое осуществляется изменением формы отверстия в экранирующей проводящей поверхности; простота конструкции; высокая точность изготовления и повторяемость конструктивных элементов благодаря возможности применения интегральной планарной технологии фотолитографии для изготовления индукционного микроскопа; возможность работы в дифференциальном режиме, когда локализующие отверстия в экранирующей поверхности располагаются над обоими излучающими проводниками, а выходной сигнал чувствительного элемента пропорционален разности величины неоднородностей; возможность применения матриц зондирующих отверстий и ЧЭ для повышения скорости контроля проводящих поверхностей; возможность контроля толщины проводящих поверхностей, если она не превышает