Symptom: propad amplitudy v pevném úhlu – lokalizace místních vad a znečištění

Klesne-li amplituda signálu při každé otáčce ve stejném úhlu, je na kotouči nejspíš místní vada nebo skvrna. Hloubka propadu je přibližně rovna zakryté ploše dělené plochou snímacího okna, délka trvání v oblouku přibližně délce vady plus šířce okna. Článek ukazuje, jak z údajů osciloskopu zpětně určit velikost a úhlovou polohu vady, popisuje průběhy signálu tří druhů vad a uvádí kritéria přípustného propadu amplitudy.

Kotouč se otáčí rovnoměrně, amplituda je ve většině úhlů normální, ale pokaždé v určité pevné poloze se propadne a propad trvá několik stupňů; při porovnání s impulsem Z poloha propadu vždy sedí. To ukazuje, že problém je vázán na určité místo kotouče: škrábanec, zbytkový chrom, částici nebo otisk prstu. Místo hledání po celém kotouči pod mikroskopem je lepší nejprve z propadu na osciloskopu vypočítat velikost, povahu a polohu vady a pak ji cíleně ověřit.

Obrázek 1 – Vada 0,30 × 0,25 mm prochází s kotoučem snímacím oknem 1,0 × 0,5 mm; poměr zakryté plochy počítaný v reálném čase je hloubkou propadu amplitudy (příkladové parametry, zvětšené schéma).

Hloubka a šířka propadu

Uvažujme jednopolové snímání (všechny fáze prokládané v jednom společném snímacím okně). Je-li vada větší než rozteč, přestane jí zakrytá část okna vytvářet modulaci; všechny čtyři fáze jsou zasaženy ve stejném poměru a amplitudy A a B klesnou stejně:

d = A_overlap / (W·H)

kde A_overlap je plocha překrytí vady a okna, W a H jsou tangenciální šířka a radiální výška okna. Má-li vada tangenciální délku L a radiální šířku h, je oblouk, po který okno přechází, L + W a úhel trvání:

Δθ ≈ (L + W) / r

Propad je obvykle lichoběžníkový: obě boční hrany zabírají každá min(L, W), plochá část |L − W|, maximální hloubka je min(L, W)·min(h, H)/(W·H); u eliptických vad se navíc násobí asi π/4. Je-li vada menší než rozteč, závisí výsledek na tom, zda leží na chromové rysce, nebo v propustné mezeře, a u jednotlivé vady se může pohybovat mezi 0 a asi 2násobkem.

Příklad výpočtu: r = 20 mm, 5000 rysek (p ≈ 25,1 μm), snímací okno 1,0 × 0,5 mm (předpoklad):

Vada (tangenciálně × radiálně)	Max. hloubka	Úhel trvání	Přibližně period signálu	Tvar
Částice 0,1 × 0,1 mm	2 %	3,2°	44	Úzké hrany, široké dno
Zbytkový chrom 0,5 × 0,15 mm	15 %	4,3°	60	Hrany i dno každé asi 20 period
Tangenciální škrábanec 3 × 0,03 mm	6 %	11,5°	159	Dlouhý a mělký
Radiální škrábanec 0,03 × 0,5 mm	3 %	3,0°	41	Téměř obdélníkový, strmé hrany

Obrázek 2 – Propady amplitudy čtyř vad (obdélníkové vady, příkladové parametry) a vztah pro zpětné určení velikosti vady z počtu period.

Zpětné určení velikosti vady z osciloskopu

Časové odečty ovlivňuje kolísání otáček; spolehlivější je počítat periody signálu. Trvá-li propad celkem N_tot period, ploché dno N_f period a jedna hrana N_r period a rozteč je p, platí:

L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p, min(L, W) = N_r·p

Blíží-li se N_r·p šířce okna W, je L ≥ W a délka vady L = (N_tot − N_r)·p; jinak L = N_r·p. Z hloubky pak plyne radiální rozměr h ≈ d·W·H/min(L, W). Při nerovnoměrném osvětlení okna se okraje propadu zaoblí; za délku hrany je pak vhodné vzít počet period mezi 10 % a 90 % hloubky a přiměřeně extrapolovat.

Úhlová poloha: spočítáme periody n_c od impulsu Z ke středu propadu; úhel natočení je Δφ = n_c·360°/N. Poloha vady na kotouči se najde odpočtem Δφ od rysky Z proti směru otáčení a odečtením tangenciálního přesazení mezi detektorem Z a středem inkrementálního okna podle výkresu snímací hlavy. Pod mikroskopem se kotouč s ryskou Z jako referencí natočí do tohoto úhlu a hledá se v pásu r ± H/2 kolem poloměru snímání; obvykle stačí jedno zorné pole.

Průběhy signálu tří druhů vad

Ze samotné střídavé amplitudy povahu vady nepoznáme, je nutné sledovat i stejnosměrnou složku. Diferenciální výstup stejnosměrnou složku odečte, proto jsou potřeba nesymetrické měřicí body snímací hlavy nebo součet čtyř fází (viz obrázek 3):

Chromová vrstva proškrábnutá: v místě vady prochází veškeré světlo; střídavá složka klesne o f, stejnosměrná naopak vzroste, při střídě kotouče 50 % přibližně o f. Strmé hrany; tangenciální škrábance dlouhé a mělké, radiální krátké a hranaté.
Zbytkový chrom nebo neprůhledná částice: střídavá i stejnosměrná složka klesnou ve stejném poměru; tvar propadu je dán obrysem vady, obvykle jde o jednotlivý bod.
Otisk prstu nebo olejový film: převážně rozptyl. Je-li podíl rozptýleného světla s a z něj dopadá na detektor ještě podíl η, klesne střídavá složka o s a stejnosměrná jen o s·(1 − η); střídavá klesá více než stejnosměrná. Pozvolné okraje, dlouhý úhel trvání, nepravidelný tvar, často plošně. Kvantitativní model rozptylu je v článku o znečištění v této knihovně.

Existuje ještě podobně vypadající případ, který však není vázán na úhel: nečistota na okénku snímací hlavy nebo na snímací mřížce. Ta způsobí po celém obvodu konstantní pokles amplitudy nebo offset bez pevné fáze vůči Z, a tím se dá odlišit od vady na kotouči.

Obrázek 3 – Souběžná změna střídavé amplitudy a stejnosměrné složky u tří druhů vad: u proškrábnutého chromu stejnosměrná složka roste, u zbytkového chromu klesá ve stejném poměru jako střídavá, u otisku prstu klesá střídavá více než stejnosměrná (schematický příklad výpočtu).

Kritéria přípustného propadu amplitudy

Při jednopolovém snímání je propad souhlasnou změnou A a B; interpolace atan2 sama chybu nevytváří a kritérium se týká hlavně rezervy: minimální amplituda A·(1 − d − η_other) musí být s rezervou nad prahem alarmu a u obdélníkového výstupu i nad hysterezí komparátoru; relativní podíl pevného offsetu se zvětší 1/(1 − d). Obecně d do 10 % nevadí, nad 20 % je třeba zasáhnout (příkladové kritérium, upravit podle prahu alarmu výrobku).

Při snímání s oddělenými poli (vlastní okno pro A+, B+, A−, B−) jsou nároky mnohem přísnější: leží-li vada jen v jednom poli, vznikne offset asi f/(2M), kde M je hloubka modulace. Při M = 0,5 a přípustném offsetu 1 % (u 2048 rysek asi 1″) smí být v jednom poli zakryto jen asi 1 % plochy.

Je třeba počítat i s vlivem otáček: při nízkých otáčkách může automatická regulace zesílení nebo autokalibrace sledovat propad, „vyhladit“ ho, ale za cenu skoků offsetu; při vysokých otáčkách trvá propad jen velmi krátce. Měří se proto při pevných nízkých otáčkách s vypnutou nebo zaznamenávanou automatickou regulací zesílení.

Zásady pro praxi

Nejprve ověřit, zda je propad vázán na Z: je-li vázán na kotouč, jde o vadu; není-li, hledat na straně snímací hlavy.
Velikost určovat z počtu period, ne z času: L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p; hloubka dává radiální rozměr.
Současně sledovat nesymetrickou stejnosměrnou složku: roste-li, je chrom proškrábnutý; klesá-li ve stejném poměru, jde o neprůhledný materiál; klesá-li střídavá více než stejnosměrná, jde o rozptylující znečištění.
Při kontrole pod mikroskopem vycházet z rysky Z, odpočítat Δφ proti směru otáčení a odečíst tangenciální přesazení mezi Z a inkrementálním oknem.
Oddělená snímací pole snášejí místní vady mnohem hůře než prokládané jednopolové pole; limity velikosti vad ve vstupní kontrole je proto nutné stanovit zvlášť podle architektury snímací hlavy.
Po vyčištění znovu změřit hloubku propadu ve stejném úhlu: zmenší-li se, šlo o znečištění; zůstane-li stejná, jde o vadu vzoru.

Shrnutí

Propad amplitudy v pevném úhlu lze použít jako měřítko: hloubka odpovídá podílu zakryté plochy okna, počet period součtu tangenciálních rozměrů vady a okna a Z udává úhlovou polohu. Ve spojení s nárůstem či poklesem nesymetrické stejnosměrné složky pro určení povahy vady lze vadu přímo ověřit na udaném místě kotouče a podle architektury snímací hlavy stanovit přípustné meze propadu.

Překlad čínského originálu (0204). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com