Procedimiento de evaluación del envejecimiento de un conjunto electrónico.

Procedimiento de evaluación del envejecimiento por fatiga a vibración de un conjunto electrónico,

en el que- se miden una o varias magnitudes cinemáticas en uno o varios puntos particulares que experimentan elmovimiento vibratorio,

caracterizado porque:

- se establece un modelo dinámico que relaciona las magnitudes cinemáticas medidas y unas tensionesmecánicas experimentadas en unos puntos críticos con relación a la fatiga a vibración, denominándose estemodelo observador de estado,

- se infiere de las tensiones mecánicas calculadas según el observador de estado un estado de daño decada uno de los puntos críticos, estados de daño que caracterizan el envejecimiento que se persigue,

- se integra la cadena medidas cinemáticas - observador de estado - cálculo de los estados de daño en undispositivo embarcado que dispone de una capacidad de cálculo autónoma.

Procedimiento de evaluación del envejecimiento de un conjunto electrónico.

La invención concierne a un procedimiento para evaluar el estado de envejecimiento denominado daño por fatiga a vibración en un sistema electrónico cualquiera. Puede tratarse de placas electrónicas individuales o de un conjunto de placas electrónicas. La evaluación estriba en un dispositivo de medida y de procesado digital de magnitudes físicas relativas a la solicitación que es causante del daño.

Actualmente existen dispositivos similares para piezas y estructuras mecánicas, pero no disponen de determinadas características necesarias para su aplicación en las placas electrónicas. Estas características son la capacidad de procesar, en tiempo real y de manera autónoma con toda la capacidad de cálculo embarcada, la estimación del daño sin recurrir a telemedida ni a post-procesado.

La telemedida y el post-procesado de datos son de uso corriente para supervisar estructuras aéreas y obras de fábrica, pero los correspondientes dispositivos no dan respuesta simultáneamente a los criterios de aptitud para ir embarcados y de autonomía de toda la potencia de cálculo.

La invención se basa en la asociación de uno o varios sensores cinemáticos de la vibración ubicados en puntos particulares, de un observador de estado para evaluar dinámicamente unas tensiones mecánicas localizadas en puntos críticos y de un cálculo de daño en esos puntos críticos, integrables los tres en un dispositivo embarcado y autónomo en cuanto a su función. Los puntos particulares de medida y los puntos críticos de cálculo de daño están diferenciados o coinciden, según las aplicaciones.

La noción de observador de estado halla su definición en las disciplinas de la automática y de la teoría de la información. Se aplica a sistemas dinámicos representados mediante magnitudes de estado. Cuando un estado de un sistema no es accesible a la medida, se construye un modelo dinámico que permite reconstruir el estado no mensurable a partir de medidas de otras magnitudes accesibles. Este modelo dinámico recibe el nombre de observador de estado de la magnitud. Sin embargo, la construcción de un observador de estado no siempre es posible y la posibilidad de construir uno recibe el nombre de condición de observabilidad de esa magnitud.

En la presente invención, con el concurso de sensores, por ejemplo de acelerómetros, son accesibles a la medida magnitudes cinemáticas (una aceleración o una velocidad o una posición o una deformación) de puntos particulares del conjunto electrónico que ha de supervisarse. Por el contrario, en puntos críticos del ensamble electrónico, casi siempre hay tensiones mecánicas inaccesibles a la medida, y más aún estados de daño, salvo en laboratorio. Se puede establecer un observador de estado de las tensiones mecánicas en los puntos críticos que utiliza la medida de una o varias magnitudes cinemáticas en puntos particulares, a condición de observabilidad. El carácter observable de las tensiones mecánicas depende directamente del o de los puntos particulares en los que se ubican el o los sensores cinemáticos. En general, basta con ubicar el o los sensores cinemáticos fuera de los nodos de vibración, esto es, ubicarlo (s) por ejemplo en la fijación del conjunto electrónico.

Cada vez se impone más la necesidad de saber evaluar correctamente el daño a vibración en placas electrónicas embarcadas. Esta necesidad se relaciona con un cierto número de puntos críticos de estas placas electrónicas, cuyo sometimiento a vibraciones es susceptible de acarrear el fallo del conjunto electrónico. Por ejemplo, los puntos críticos que han de supervisarse son juntas de soldadura de aleación de ciertos componentes electrónicos. En el caso de tales placas electrónicas, existen sistemas de supervisión embarcados. Estos pueden estar dotados de acelerómetros o de calibres de deformación para medir aceleraciones o deformaciones experimentadas por esa placa. No obstante, estos sensores casi nunca pueden ser ubicados en los puntos críticos de la placa a causa de las pequeñísimas dimensiones de los componentes y, más aún, de las juntas de soldadura de aleación. Por lo tanto, los sistemas existentes no pueden acceder al dato de las tensiones mecánicas en esos puntos críticos. Se sabe medir un estado de envejecimiento general de la placa, pero no se sabe medir un estado de fatiga local de un componente, al no poder emplazar en él un sensor que dé indicación de las tensiones experimentadas por ese componente.

La técnica anterior conoce, por la solicitud de patente PCT N.° WO2007/102155, un procedimiento y un sistema de simulación de fiabilidad.

La técnica anterior conoce asimismo, por la publicación científica LALL P ET AL «Failure-Envelope Approach to Modeling Shock and Vibration Survivability of Electronic and MEMS Packaging», ELECTRONIC COMPONENTS AND TECHNOLOGY, 2005. ECTC ’05, PROCEEDINGS LAKE BUENA VISTA, FL, USA MAY 31 - JUNE 3, 2005, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, 31 de mayo de 2005, páginas 480-490, un procedimiento de evaluación de fiabilidad a los choques de componentes electrónicos.

Han sido propuestos procedimientos por el laboratorio CALCE, Center for Advanced Life Cycle Engineering, para establecer el nexo entre medida y tensiones en los puntos críticos. Pero la gran laguna de estos procedimientos es la de no tomar en cuenta los efectos dinámicos de las vibraciones. En efecto, el procedimiento que el CALCE

propone omite la mayoría de los modos propios de vibración y estriba únicamente en cálculos estáticos de curvatura, vibración y estriba únicamente en cálculos estáticos de curvatura.

Por el contrario, la presente invención estriba en observadores de estado que dan razón de los efectos dinámicos vinculados a las fuerzas de inercia y a los modos propios de vibración del conjunto electrónico. El procedimiento que la invención propone hace un uso mucho más amplio de las medidas cinemáticas para evaluar con la mayor fidelidad posible las tensiones mecánicas en los puntos críticos. Se respeta el carácter multiaxial de las tensiones mecánicas y la dinámica del conjunto electrónico. La ventaja de evaluar de manera precisa estas tensiones mecánicas está en poder calcular de manera mucho más precisa el daño sufrido por el conjunto electrónico, en el lugar en el que se ubican el o los componentes críticos. La utilización de tal procedimiento permite mejorar las previsiones de mantenimiento, ya que la indicación de daño que éste suministra sirve para anticipar los potenciales fallos. El planteamiento propuesto permite aplicar los principios de la supervisión de las estructuras mecánicas y el procesado digital de las medidas para conocer el estado de daño en varios lugares, merced a un dispositivo embarcado, con uno o varios sensores.

El dispositivo que integra el procedimiento completo es un pequeño sistema electrónico embarcado de supervisión (PHM por Prognostics and Health Management) provisto de uno o varios sensores cinemáticos (aceleración o velocidad o posición o deformación) y de una unidad de cálculo. El sistema de supervisión está destinado a estimar el daño vinculado a un potencial fallo de las placas electrónicas constitutivas del conjunto electrónico que ha de supervisarse. El o los sensores miden una magnitud cinemática en uno o respectivamente varios puntos del conjunto electrónico que ha de supervisarse. Una de las funciones del sistema de supervisión es la evaluación, a partir de la o de las medidas del o de los sensores, de la tensión mecánica a vibración que es causante de un potencial fallo. Esta función la realiza un observador de estado, que permite reconstruir la dinámica de la tensión mecánica a partir de un modelo dinámico y de las medidas cinemáticas. La función se opera en tiempo real. El o los puntos de medida y los puntos de evaluación de las tensiones no son forzosamente los mismos. La utilización de un observador de estado tan sólo requiere de la unidad una potencia de cálculo bastante limitada y, así, el dispositivo completo se puede estructurar por ejemplo en torno a un mero microcontrolador. Por lo tanto, el propio procedimiento de evaluación de envejecimiento por fatiga es el que permite la integración en un pequeño dispositivo embarcado que dispone de una capacidad de cálculo autónoma.

En la práctica, el observador de estado puede realizarse por ejemplo mediante una operación de convolución de la aceleración medida con una respuesta al impulso en tensión mecánica. De esta manera, se toma en cuenta el conjunto de la banda de frecuencias solicitada, devolviendo así todos los efectos dinámicos. Además, se respeta el carácter multiaxial de la tensión mecánica,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de evaluación del envejecimiento por fatiga a vibración de un conjunto electrónico, en el que 5-se miden una o varias magnitudes cinemáticas en uno o varios puntos particulares que experimentan el movimiento vibratorio,

caracterizado porque:

-se establece un modelo dinámico que relaciona las magnitudes cinemáticas medidas y unas tensiones mecánicas experimentadas en unos puntos críticos con relación a la fatiga a vibración, denominándose este modelo observador de estado, -se infiere de las tensiones mecánicas calculadas según el observador de estado un estado de daño de cada uno de los puntos críticos, estados de daño que caracterizan el envejecimiento que se persigue,

-se integra la cadena medidas cinemáticas - observador de estado - cálculo de los estados de daño en un dispositivo embarcado que dispone de una capacidad de cálculo autónoma.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque -se ubica un sensor cinemático en un lugar del conjunto electrónico que no es ni una fijación del conjunto electrónico al soporte ni un punto crítico que ha de supervisarse.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el observador de estado se determina mediante cálculo según el método de los elementos finitos.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se ubica el o los sensores en uno o unos lugares que permiten la observabilidad de las tensiones mecánicas en los puntos críticos basándose en el análisis vibratorio del conjunto electrónico por medio del método de los elementos finitos.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque

-el número de puntos de medida es mayor o igual que el número de grados de libertad de las excitaciones.

6. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque dicho conjunto electrónico 35 es una placa electrónica.

7. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque una o varias magnitudes cinemáticas comprende la aceleración.

8. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque una o varias magnitudes cinemáticas comprende la deformación.

9. Procedimiento según una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque uno o varios puntos particulares que experimentan el movimiento vibratorio corresponde al lugar o a los lugares de su fijación a uno o 45 unos soportes.