一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及半导体制造技术中的传感器领域，特别指一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测系统及其监测方法。

背景技术：

随着PCB电路板集成度越来越高，高密度连接器作为电路板之间优良的连接器件也被应用的越来越广泛，连接器的连接方式有焊接式和压接式，相比传统的焊接式，压接式具有可靠性高及适用于高密度插针的连接器的优点，已成为主要的连接器的连接方式，如图1所示为连接器自动压接工艺的基本工序流程示意图，主要包括以下工艺步骤：插连接器至PCB板、PCB板经料带流入压接工位处、PCB板卡紧定位、连接器自动压接、PCB板流出。

连接器自动压接，就是由弹性可变形插针或刚性插针与PCB金属化孔配合而形成的一种连接，在插针与金属化孔之间形成紧密的接触点，靠机械连接实现电气互连；为了形成紧密的配合，针脚的横截面尺寸必须大于金属化孔孔径，在压接过程中，针脚横截面或金属化孔要发生变形；压接质量的好坏取决于对压接压力的控制精度，在大型通讯连接器压接工艺中，由于压力大，连接器探针所能承受的力很小，这就对压力传感器的精度提出了很高的要求，而传统的压力传感器的精度达不到这种要求。

连接器自动压接过程分为两个阶段：插入段、压接段，如图2所示。在插入段，连接器的每根插针要顺滑的进入到压块的通孔中，不发生弯曲；如某一种连接器，根据连接器供应商提供的数据，每根插针的最小弯曲压力是1 N；在压接段，连接器的压接压力最大为35000 N；这样，对压接压力采集系统的要求是：在插入段，压力采集的精度要达到1N；在压接段，压力采集的最大量程为35000 N；即需要构建一个测量精度为1 N，测量量程为35000 N的压力采集系统。

由上述要求可知，如果采用单个压力传感器来搭建压接压力采集系统，目前市场上没有一款传感器能同时达到测试精度和量程两个方面的要求；如果采用多个压力传感器，就需要设计一个特殊的导力机构；另外，在压接过程中连接器插针插入PCB板插孔时，常出现跪针情况，因此，需要根据压力传感器检测到的压头受力情况进行跪针判断，并进行报警。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种同时保证压力检测精度及量程需求，形成压力曲线进行压力监测及跪针情况判断的大量程高精度压力实时监测系统及其监测方法。

本发明采取的技术方案如下：一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测系统，包括压力传感器、数据采集模块及插针弯曲报警模块，其中，上述压力传感器包括反向及正向设置于压力传导机构内大压力传感器及小压力传感器，大压力传感器及小压力传感器随压力传导机构下压连接器时，检测压头的压力实时变化数据，并将检测到的数据传送至数据采集模块，通过数据采集模块形成压力曲线；上述插针弯曲报警模块通过扫描压力曲线获取压力数据，并通过将压力数据与预设的报警值进行分别对比判断是否出现连接器跪针情况，如出现连接器跪针则报警，如未出现跪针则继续扫描压力曲线。

优选地，所述的压力传导机构固定于压接机架的下部，并随压接机架运动至连接器上方；压力传导机构的下部固定设有压头。

优选地，所述的压力传导机构包括上支套、下支套及压力传导组件，其中，上述上支套固定于压接机架的下部，上述大压力传感器设置于上支套内，且传感头朝下方设置；上支套的底部开设有上滑孔，上述压力传导组件的上端经上滑孔穿入上支套内，并在上支套内自由滑动；上述下支套设置于压力传导组件的下部。

优选地，所述的下支套的顶部开设有下滑孔；上述压力传导组件的下端经下滑孔穿入下支套内，并在下支套内自由滑动；上述压头固定于下支套的下部。

优选地，所述的压力传导组件包括传导支板、导杆、上传导座及下传导座，其中，上述传导支板固定设置于导杆的中部，导杆的两端分别经上滑孔及下滑孔插入上支套及下支套内；上述上传导座及下传导座分别设置于导杆的上下两端，且两者的直径分别大于上述上滑孔及下滑孔的内径，以防导杆滑出上支套或下支套；上述小压力传感器设置于下传导座上，且传感头朝上方设置。

一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测方法，包括以下步骤：

S1、压力检测：通过压力传感器实时检测压头的压力数据，并通过惠斯通电圈桥法将压力检测转换为电压检测；

S2、数据采集：步骤S1中压力传感器检测的数据通过数据采集卡采集，并传送至数据采集模块，经数据采集模块形成压力曲线；

S3、数据处理及安全监测：插针弯曲报警模块经步骤S2中的压力曲线获取压力数据，并通过将压力数据与预设的报警值进行分别对比判断是否出现连接器跪针情况。

优选地，所述的步骤S1中压力传感器包括正反向设置于压力传导机构上的大压力传感器及小压力传感器，大压力传感器及小压力传感器的工作步骤如下：

S11、压头未施加压力给连接器时：小压力传感器承受压头向下的重力70 N，通过数据采集模块取反加上70N，此时小压力传感器在压力曲线上的值为0；

S12、压头施加给连接器的压力在0~70 N的范围内时：小压力传感器处于工作状态，检测该范围内压头受到连接器向上的反作用力；小压力传感器的量程为100 N，测量精度为0.2N；

S13、压头施加给连接器的压力在70~150 N范围内时：连接器给压头向上的反作用力抵消了压头的重力，小压力传感器未受力不工作；同时抵消后的作用力作用于大压力传感器上，且小于大压力传感器的最小量程，大压力传感器不工作，属于过渡期；

S14、在施加压力为150~35000 N的范围内时：连接器的反作用力作用于大压力传感器，大压力传感器开始工作；大压力传感器的量程为35000 N，测量精度为70 N。

优选地，所述的步骤S2中压力数据的实时采集操作步骤为：

S21、通道设置：设置数据采集卡使用的通道号码，通道号码包括0和1两个通道；

S22、电桥设置：配置压力传感器的电桥参数，包括电桥的类型为全桥、电桥的激励电压为5 V、额定电桥的电阻为350欧姆以及电桥的分辨率为2 mV/V；

S23、定时设置：定时设置的参数包括采样模式为连续采样、每通道采样数为500、总的采样率为8000 Hz；

S24、校准设置：进行分流校准和失调清零校准，通过失调清零校准，使压头每次空载测量的时候，采集的数据归于零点，进行回零操作；

S25、数据采集：采集数据就是从采集回来的数据波形中提取出压力数据，并利用波形图标VI进行实时显示，便于监控观察。

优选地，所述的步骤S3中的压力数据的处理包括数据跳跃判断及算数均值滤波；步骤S3中的安全监测通过插针弯曲报警模块实现。

优选地，所述的插针弯曲报警模块的功能实现包括以下步骤：

S31、通过DAQmx VI获取实时的原始动态数据，同时采集两个通道的压力传感器，通道0是大压力传感器，通道1是小压力传感器，获取的原始动态数据是一个动态变化的二维数组，数组的长度取决于设置每通道采样数；

S32、将原始动态数据转换为数组数据类型，即二维数组；

S33、利用索引数组函数获得通道1，即小压力传感器的压力数据的一维数组，然后再通过反馈节点的功能实时保存每一次循环的数据；

S34、将一维数组与压力报警设定值进行比较，获得一个一维布尔数组

S35、利用搜索一维数组函数在该一维布尔数组中寻找是否存在元素1，如果存在，返回第一个元素1的索引号，否则，将返回-1；

S36、将搜索一维数组函数的返回值与0进行比较，如果大于或等于0，表面一维布尔数组中存在1，则进入报警程序，否则将继续进行扫描。

本发明的有益效果在于：

本发明针对自动压接进行研究开发，旨在解决压接过程中压力监测及连接器跪针监测问题；针对压接过程中压头与连接器之间为高压力，本发明采用采用惠斯通电桥法用电阻式压力传感器将对压力的测量转换为对电压的测量，实现高精度压力测量；为同时满足压力测量过程中高精度及大量程要求，本发明采用小压力传感器及大压力传感器组合结构，通过设计一种压力传导机构，压力传导机构固定于压接机架上，其下部固定有压头，以便带动压头随压接机架进行水平至连接器上方，并进行升降运动，使压头下压连接器，直至连接器插入PCB板内；压力传导机构包括上支套、下支套及压力传导组件，大压力传感器设置于上支套内，下支套通过压力传导组件连接于上支套下方，小压力传感器固定于伸入下支套内的下传导座上，且位于下支套内；压头未接触连接器时，压头通过下支套下压小压力传感器，压头逐步接触连接器时，连接器给压头的反作用力，使压头带动下支套上升运动，下支套向上顶起导杆，使导杆顶部的上传导座逐步上压大压力传感器，通过该种结构设计，小压力传感器进行压头空载及连接器插入段时的压力检测，大压力传感器进行连接器压入段时的压力检测，即保证了插入段时的检测精度，又满足了压入段时的量程需求。

本发明压力传感器检测到的压力数据通过数据采集模块进行采集，并形成压力曲线，并通过插针弯曲报警模块分析压接过程中插针的跪针情况，实现跪针自动报警。

附图说明

图1为自动压接工艺的基本工序流程示意图。

图2为自动压接的压接过程示意图。

图3为本发明工艺流程示意图。

图4为本发明压力监测过程示意图。

图5为本发明压力检测原理示意图。

图6为本发明传导机构的结构示意图。

图7为本发明压力采集的流程示意图。

图8为本发明插针弯曲报警模块的功能流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步描述：

如图3至图8所示，本发明采取的技术方案如下：一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测系统，包括压力传感器、数据采集模块及插针弯曲报警模块，其中，上述压力传感器包括反向及正向设置于压力传导机构内大压力传感器2及小压力传感器5，大压力传感器2及小压力传感器5随压力传导机构下压连接器时，检测压头6的压力实时变化数据，并将检测到的数据传送至数据采集模块，通过数据采集模块形成压力曲线；上述插针弯曲报警模块通过扫描压力曲线获取压力数据，并通过将压力数据与预设的报警值进行分别对比判断是否出现连接器跪针情况，如出现连接器跪针则报警，如未出现跪针则继续扫描压力曲线。

压力传导机构固定于压接机架0的下部，并随压接机架0运动至连接器上方；压力传导机构的下部固定设有压头6。

压力传导机构包括上支套1、下支套4及压力传导组件3，其中，上述上支套1固定于压接机架0的下部，上述大压力传感器2设置于上支套1内，且传感头朝下方设置；上支套1的底部开设有上滑孔A，上述压力传导组件3的上端经上滑孔A穿入上支套1内，并在上支套1内自由滑动；上述下支套4设置于压力传导组件3的下部。

下支套4的顶部开设有下滑孔B；上述压力传导组件3的下端经下滑孔B穿入下支套4内，并在下支套4内自由滑动；上述压头6固定于下支套4的下部。

压力传导组件3包括传导支板31、导杆32、上传导座33及下传导座34，其中，上述传导支板固定设置于导杆32的中部，导杆32的两端分别经上滑孔A及下滑孔B插入上支套1及下支套4内；上述上传导座33及下传导座34分别设置于导杆32的上下两端，且两者的直径分别大于上述上滑孔A及下滑孔B的内径，以防导杆32滑出上支套1或下支套4；上述小压力传感器5设置于下传导座34上，且传感头朝上方设置。

一种基于传导机构的大量程高精度压力实时监测方法，包括以下步骤：

S1、压力检测：通过压力传感器实时检测压头的压力数据，并通过惠斯通电圈桥法将压力检测转换为电压检测；

S2、数据采集：步骤S1中压力传感器检测的数据通过数据采集卡采集，并传送至数据采集模块，经数据采集模块形成压力曲线；

S3、数据处理及安全监测：插针弯曲报警模块经步骤S2中的压力曲线获取压力数据，并通过将压力数据与预设的报警值进行分别对比判断是否出现连接器跪针情况。

步骤S1中压力传感器包括正反向设置于压力传导机构上的大压力传感器及小压力传感器，大压力传感器及小压力传感器的工作步骤如下：

S11、压头未施加压力给连接器时：小压力传感器承受压头向下的重力70 N，通过数据采集模块取反加上70N，此时小压力传感器在压力曲线上的值为0；

S12、压头施加给连接器的压力在0~70 N的范围内时：小压力传感器处于工作状态，检测该范围内压头受到连接器向上的反作用力；小压力传感器的量程为100 N，测量精度为0.2N；

S13、压头施加给连接器的压力在70~150 N范围内时：连接器给压头向上的反作用力抵消了压头的重力，小压力传感器未受力不工作；同时抵消后的作用力作用于大压力传感器上，且小于大压力传感器的最小量程，大压力传感器不工作，属于过渡期；

S14、在施加压力为150~35000 N的范围内时：连接器的反作用力作用于大压力传感器，大压力传感器开始工作；大压力传感器的量程为35000 N，测量精度为70 N。

步骤S2中压力数据的实时采集操作步骤为：

S21、通道设置：设置数据采集卡使用的通道号码，通道号码包括0和1两个通道；

S22、电桥设置：配置压力传感器的电桥参数，包括电桥的类型为全桥、电桥的激励电压为5 V、额定电桥的电阻为350欧姆以及电桥的分辨率为2 mV/V；

S23、定时设置：定时设置的参数包括采样模式为连续采样、每通道采样数为500、总的采样率为8000 Hz；

S24、校准设置：进行分流校准和失调清零校准，通过失调清零校准，使压头每次空载测量的时候，采集的数据归于零点，进行回零操作；

S25、数据采集：采集数据就是从采集回来的数据波形中提取出压力数据，并利用波形图标VI进行实时显示，便于监控观察。

步骤S3中的压力数据的处理包括数据跳跃判断及算数均值滤波；步骤S3中的安全监测通过插针弯曲报警模块实现。

插针弯曲报警模块的功能实现包括以下步骤：

S31、通过DAQmx VI获取实时的原始动态数据，同时采集两个通道的压力传感器，通道0是大压力传感器，通道1是小压力传感器，获取的原始动态数据是一个动态变化的二维数组，数组的长度取决于设置每通道采样数；

S32、将原始动态数据转换为数组数据类型，即二维数组；

S33、利用索引数组函数获得通道1，即小压力传感器的压力数据的一维数组，然后再通过反馈节点的功能实时保存每一次循环的数据；

S34、将一维数组与压力报警设定值进行比较，获得一个一维布尔数组

S35、利用搜索一维数组函数在该一维布尔数组中寻找是否存在元素1，如果存在，返回第一个元素1的索引号，否则，将返回-1；

S36、将搜索一维数组函数的返回值与0进行比较，如果大于或等于0，表面一维布尔数组中存在1，则进入报警程序，否则将继续进行扫描。

具体地，本发明在实际使用过程中，包括如下步骤：

S1:测量方案设计，推导压力测量表达式；

S2:压力传导机构设计，实现大量程、高精度压力检测；

S3:数据采集系统设计，实现压力数据的实时采集与显示；

S4:数据处理与安全监测，主要是压力报警的设计。

在上述步骤S1中，采用惠斯通电全桥法将压力检测转换为电压检测。

在上述步骤S2中，采用基于压力传导机构的压力检测，工作原理如下分步骤所示:

S21：未施加压力时，小压力传感器承受压头的重力为70 N，通过数据采集模块上的取反加上70N操作，此时小压力传感器的值为0；

S22：在施加压力为0~70 N的范围内，小压力传感器处于工作状态，小压力传感器的型号为INTERFACE LBM-100，量程为100 N，测量精度为0.2N；

S23：在施加压力70~150 N范围内，压头顶紧了导杆，此时两个压力传感器都没有工作，属于过渡期；

S24：在施加压力为150~35000 N的范围内，导杆向上顶紧，大压力传感器开始工作；大压力传感器的型号为AEP CM-3500，量程为35000 N，测量精度为70 N。

在上述步骤S3中，采用基于压力采集卡和Labview的压力采集程序。

在上述步骤S3中，采集程序与运动程序之间采用串口通讯方式。

在上述步骤S3中，压力数据的实时采集操作流程为：

S31：通道设置，通道设置是设置使用到的通道号码，本文中用到的NI 9237数据采集卡拥有4个模拟采集通道，这里只用到了0和1两个通道；

S32：电桥设置，电桥设置是配置压力传感器的电桥参数，包括电桥的类型为全桥、电桥的激励电压为5 V、额定电桥的电阻为350欧姆以及电桥的分辨率为2 mV/V等；

S33：定时设置，定时设置的参数主要包括采样模式为连续采样、每通道采样数为500、总的采样率为8000 Hz等；

S34：校准设置，校准设置主要进行分流校准和失调清零设置，本发明中只用到了失调清零校准功能，能确保每次空载测量的时候，采集的数据归于零点，相当于回零操作；

S35：数据采集，采集数据就是从采集回来的数据波形中提取出压力数据，并利用波形图标VI进行实时显示，便于观察。

在上述步骤S4中，压力数据的处理包括数据跳跃判断和算数均值滤波。

在上述步骤S4中，插针弯曲报警功能的实现步骤如下：

S41：通过DAQmx VI获取实时的原始动态数据，这里是两个通道的压力传感器同时采集，通道0是大压力传感器，通道1是小压力传感器，所以原始动态数据是一个动态变化的二维数组，数组的长度取决于设置每通道采样数；

S42：将原始动态数据转换为数组数据类型，即二维数组；

S43：利用索引数组函数获得通道1，即小压力传感器的压力数据的一维数组，然后再通过反馈节点的功能实时保存每一次循环的数据；

S44：将一维数组与压力报警设定值进行比较，获得一个一维布尔数组；

S45：利用搜索一维数组函数在该一维布尔数组中寻找是否存在元素1，如果存在，返回第一个元素1的索引号，否则，将返回-1；

S46：将搜索一维数组函数的返回值与0进行比较，如果大于或等于0，表面一维布尔数组中存在1，则进入报警程序，否则将继续进行扫描。

进一步，本发明的压力检测方法：

在高压力的场合，直接测量压力是非常不便的，采用惠斯通电桥法用电阻式压力传感器将对压力的测量转换为对电压的测量，如图5所示，可知，惠斯通电桥包含四个应变电阻，称为四个桥臂，电桥需要外部施加激励电压VEX才能正常工作，可得出电桥输出电压Vo表达式如式（3-1）所示：

（3-1）

其中，R1、R2、R3为定值电阻，R4为力敏电阻，未施加压力的情况下，有：

当外部施加压力F时，由于R4的力敏特性，即电阻的变化与施加压力的变化成正比，使得电桥的输出电压Vo变化与压力F的变化成正比；在进行零点补偿之后，电桥的输出电压Vo与压力F成正比；这样就可以将对压力的测量转换为对电压的测量，从而实现大量程、高精度压力的测量。

本发明，为了提高测量的灵敏性，将电桥的四个桥臂全部安装具有力敏特性的应变计，可以大幅度提高测量的灵敏性，通过计算，可得式（3-2）：

（3-2）

由式（3-2）可知，Vo与压力F成正比关系，这样就成功的将对压力的测量转换为对电压的测量。

进一步，本发明的采用传导式压力传导机构设置：

1）压力传导机构：

压力传导机构固定于压接机架0上，并随压接机架0运动，压力传导机构下部设有压头6，压力传导机构包括上支套1、下支套4及压力传导组件3，上支套1及下支套内分别设有传感头朝下方及上方设置大压力传感器及小压力传感器。

2）工作原理：

未施加压力时，小压力传感器承受压头的重力为70 N，通过软件上的取反再加上70操作，此时小压力传感器的值为0；

在施加压力为0~70 N的范围内，小压力传感器处于工作状态，小压力传感器的型号为INTERFACE LBM-100，量程为100 N，测量精度为0.2N；

在施加压力70~150 N范围内，压头顶紧了导杆，此时两个压力传感器都没有工作，属于过渡期；

在施加压力为150~35000 N的范围内，导杆向上顶紧，大压力传感器开始工作。大压力传感器的型号为AEP CM-3500，量程为35000 N，测量精度为70 N。

进一步，本发明的压力数据采集模块：

本发明设计了基于上位机LabVIEW平台的压力采集系统，如图4所示，包括压力传感器、数据采集卡、基于LabVIEW的上位机压力采集程序，压力采集程序和运动控制主程序之间采用串行通信的方式。压力数据实时采集就是要实时准确地采集压力数据，流程图如图7所示：

通道设置是设置使用到的通道号码，用到的NI 9237数据采集卡拥有4个模拟采集通道，这里只用到了0和1两个通道；

电桥设置是配置压力传感器的电桥参数，包括电桥的类型为全桥、电桥的激励电压为5 V、额定电桥的电阻为350欧姆以及电桥的分辨率为2 mV/V等；

定时设置的参数主要包括采样模式为连续采样、每通道采样数为500、总的采样率为8000 Hz等；

校准设置主要进行分流校准和失调清零设置，本发明只用到了失调清零校准功能，能确保每次空载测量的时候，采集的数据归于零点，相当于回零操作；

采集数据就是从采集回来的数据波形中提取出压力数据，并利用波形图标VI进行实时显示，便于观察。压力数据的处理包括数据跳跃判断和算数均值滤波；通讯功能主要是将最终处理的数据和指令发送的串口。

插针弯曲报警功能的实现策略如图8所示：

1）通过DAQmx VI获取实时的原始动态数据，这里是两个通道的压力传感器同时采集，通道0是大压力传感器，通道1是小压力传感器，所以原始动态数据是一个动态变化的二维数组，数组的长度取决于设置每通道采样数；

2）将原始动态数据转换为数组数据类型，即二维数组；

3）利用索引数组函数获得通道1，即小压力传感器的压力数据的一维数组，然后再通过反馈节点的功能实时保存每一次循环的数据；

4）将一维数组与压力报警设定值进行比较，获得一个一维布尔数组。

5）利用搜索一维数组函数在该一维布尔数组中寻找是否存在元素1，如果存在，返回第一个元素1的索引号，否则，将返回-1；

6）将搜索一维数组函数的返回值与0进行比较，如果大于或等于0，表面一维布尔数组中存在1，则进入报警程序，否则将继续进行扫描。

本发明的实施例只是介绍其具体实施方式，不在于限制其保护范围。本行业的技术人员在本实施例的启发下可以作出某些修改，故凡依照本发明专利范围所做的等效变化或修饰，均属于本发明专利权利要求范围内。