Невидимый сбой: как инженер-испытатель ищет слабое место прибора

Фото: Shutterstock

Электронный прибор включился, показания в норме. Но после нескольких часов работы он перестаёт отвечать. Его выключают, он остывает — и снова работает как прежде. При обычной проверке такой сбой можно не заметить. Чтобы найти причину, инженеру нужно воспроизвести условия, при которых она проявляется, и измерить работу прибора именно в этот момент.

Этим занимаются инженеры-испытатели. Они проверяют, выполняет ли устройство свою задачу после нагрева, охлаждения или вибрации, а при обнаружении отклонения помогают найти его источник. Разберём такую работу на примере электронной аппаратуры, которую выпускает научно-производственное предприятие «Измеритель» в Смоленске, в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Сигналу нужен надёжный путь

Внутри электронного прибора детали соединены тонкими металлическими дорожками на печатной плате. По ним проходят электрические сигналы. Если дорожка оборвётся, сигнал не дойдёт до нужной детали. Если появится соединение там, где его быть не должно, электричество пойдёт другим путём и прибор может работать неправильно.

В сложной аппаратуре дорожек много, поэтому их размещают на нескольких слоях платы. Между слоями находится изоляционный материал, а в нужных местах сделаны переходы, которые связывают проводники. Такая конструкция помогает разместить большое число соединений на небольшой площади. Но проверить их одним взглядом уже невозможно: часть путей скрыта внутри платы.

Фото: Shutterstock

«Измеритель» выпускает многослойные печатные платы и электронные блоки, в том числе для авиационных приборов. Предприятие располагает конструкторской и испытательной базой. При этом программа проверок зависит от назначения конкретного устройства: требования к прибору, который работает на борту самолёта, определяют по документации именно на этот прибор.

Проверка начинается до включения стенда

Первый вопрос испытателя — что устройство должно делать и при каких условиях. Например, принимать сигнал, обрабатывать его и выдавать результат в заданных пределах. Для каждого требования специалист подбирает способ проверки, готовит измерительные приборы и заранее определяет, какой результат считать допустимым.

Затем проводят испытание. Часть проверок показывает, правильно ли прибор работает при обычном включении. Другие помогают узнать, сохранит ли он свои функции после воздействий, ожидаемых при эксплуатации. Нагрев, охлаждение и вибрация позволяют обнаружить слабые места, которые при комнатной температуре и неподвижном приборе не проявляются.

Но само воздействие ещё не даёт ответа. Если плату поместили в температурную камеру, испытателю нужно измерить, что происходит с ней при изменении температуры. Если блок подвергли вибрации, после неё следует проверить, выполняет ли он прежние функции. Поэтому инженер продумывает не только условия опыта, но и момент измерения.

Обрыв, который исчезает после остывания

Показательный случай описало Европейское космическое агентство при работе с платами, где множество очень маленьких переходов соединяет разные слои. Если такой переход изготовлен с дефектом, при нагреве контакт может нарушиться. Когда плата остынет, контакт восстановится — и проверка при комнатной температуре покажет, будто всё в порядке.

Специалисты агентства наблюдали за электрическим сопротивлением соединений во время температурных циклов. Если сопротивление неожиданно возрастало при нагреве, это указывало на нарушение контакта, которое позднее могло снова исчезнуть из показаний.

Фото: Shutterstock

Этот пример раскрывает суть профессии испытателя: найти условия, в которых неисправность становится видимой. Он не означает, что платы «Измерителя» имеют такую же конструкцию или что на предприятии применяют именно эту методику. Принцип шире конкретного случая: способ измерения должен соответствовать предполагаемому сбою.

После вибрации прибор включился — проверка продолжается

Другое возможное воздействие на электронику — вибрация. Она создаёт нагрузку на детали, разъёмы и места пайки. Пайка одновременно удерживает деталь на плате и обеспечивает электрический контакт. Если соединение повредится, прибор может начать работать с перебоями или вовсе перестать выполнять свою задачу.

В рекомендациях NASA по испытаниям электроники подчёркивается необходимость сравнивать её работу до и после вибрации. Проверки при разных температурах помогают обнаружить повреждения проводов и паяных соединений, которые не видны при обычном включении. Речь идёт о практике испытаний космической техники; набор проверок и допустимые нагрузки для любого другого прибора определяются его назначением.

Даже если устройство после испытания включилось, инженер уточняет, что именно этим подтверждено. Работает ли только индикатор или все необходимые функции? Сохраняется ли результат при нагреве? Не меняется ли выходной сигнал через несколько минут? Последовательные измерения дают больше сведений, чем одно успешное включение.

Протокол ведёт к причине

Обнаружить отклонение — половина работы. Дальше нужно понять, где возникла проблема. Если на выходе электронного блока пропал сигнал, причина может быть в проводнике, разъёме, установленной детали или даже измерительном оборудовании. Испытатель проверяет возможные участки цепи и постепенно сужает поиск.

Для этого он записывает условия опыта и показания приборов. Одно число без пояснений мало что говорит: напряжение, нормальное для одной части устройства, может быть недопустимым для другой. В протоколе указывают, какой прибор проверяли, при каком питании и воздействии получили результат и с каким установленным пределом его сравнили.

Такая запись нужна не только самому испытателю. Разработчик по ней может понять, требуется ли изменить схему, а технолог — обратить внимание на изготовление или сборку. Если похожий сбой возникает на нескольких приборах, результаты проверок помогают искать общую причину. Испытание превращается из простого решения «годен или нет» в способ улучшить устройство и его производство.

Профессия для тех, кто задаёт точные вопросы

Инженеру-испытателю нужны знания электроники, измерений и устройства приборов. Важны также внимательность и умение не принимать первое объяснение за доказанный вывод. Если после охлаждения сбой пропал, специалист не заканчивает проверку словами «теперь работает», а пытается установить, что происходило с устройством до этого.

Познакомиться с таким подходом можно ещё в школе: собрать безопасную схему со светодиодом и датчиком, изменить одно условие, измерить результат и записать наблюдение. После школы подойдут направления, связанные с электроникой, приборостроением и электротехникой. Например, в смоленском филиале Национального исследовательского университета «МЭИ» есть программы по электронике и наноэлектронике.

Над готовым прибором трудится целая команда: разработчик создаёт схему, технолог продумывает изготовление, монтажник собирает блок, а испытатель проверяет, выполняет ли тот свои функции в предусмотренных условиях. Найденный в лаборатории сбой даёт этой команде возможность исправить слабое место до того, как прибор начнёт работать там, где на повторную проверку уже не будет времени.