紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應(yīng)用

沈林祥 石安安 周新 江慶歡

摘要：電路板修理過程中，一般綜合采用直接觀察、電阻測試、對比、替代、分割測試和波形觀察等方法進(jìn)行故障檢測。這些方法不僅要求修理人員對產(chǎn)品功能、工作原理比較了解，還需具備較強(qiáng)的電路分析能力。而當(dāng)前某型引進(jìn)航空裝備維修中面臨著國外技術(shù)封鎖、技術(shù)資料缺失、維修保障周期長等難題。為提升裝備維修保障能力，引入利用紅外熱成像檢測技術(shù)開展電路板故障診斷的方法。相對于傳統(tǒng)電路檢測方法，其優(yōu)勢在于檢測無損化，即非接觸式檢測，保證了電路的完整性，同時(shí)對電路原理的依賴低，檢測結(jié)果直觀可視，故障檢測定位效率高。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀;電路板;故障診斷

引言

紅外熱像儀在軍事、民用和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近20年來，國內(nèi)熱成像技術(shù)得到了長足發(fā)展，且隨著市場需求的日益強(qiáng)勁，紅外熱像儀科研項(xiàng)目和裝備數(shù)量正逐年增加。由于紅外熱像儀的可靠性水平會直接影響用戶的任務(wù)成功率、維護(hù)成本和壽命周期，其可靠性設(shè)計(jì)工作受到越來越多的重視。目前，國外對紅外熱像儀及探測器的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)研究已比較成熟，但國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究工作還處于起步階段。

1紅外熱像儀測溫原理

任何溫度比絕對零度（-273℃）高的物體，均會有產(chǎn)生熱輻射;根據(jù)物體的溫度不同，其輻射產(chǎn)生的能量和波長也會不同。由玻耳茲曼定律可知，紅外熱輻射的功率與其絕對溫度的四次方成正比，即W=εσT4。紅外熱像儀通過光學(xué)系統(tǒng)將探測物體的紅外熱輻射光譜反映到CMOS光電探測器陣列，由光電探測器陣列轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號放大及圖像處理形成可視覺分辨的紅外熱像圖。當(dāng)電子產(chǎn)品處于工作狀態(tài)時(shí)，若內(nèi)部元器件有電流通過，將產(chǎn)生耗散功率。由于熱輻射作用，不同功率的元器件，其表面的溫度也各不相同。當(dāng)元器件發(fā)生失效時(shí)，其流經(jīng)電流的變化會引起表面溫度的變化。通過探測失效產(chǎn)品表面紅外熱輻射，并與良品呈現(xiàn)的紅外熱像圖進(jìn)行對比，理論上可以判定內(nèi)部失效元器件的位置。但是，由于產(chǎn)品內(nèi)部元器件具有互聯(lián)和相關(guān)性，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部存在功率較大的器件時(shí)，其熱輻射能較大，熱場擴(kuò)散較快，容易影響到其它元器件的工作，遮蓋真正的失效點(diǎn)。

2紅外熱像儀關(guān)鍵技術(shù)

紅外攝像頭只接收紅外輻射通量，通常被測對象的表面輻射率以及粗糙度等表面狀況以及絕對溫度決定紅外輻射通量的大小。同時(shí)借助于人工黑體也能夠?qū)Ρ粶y元件的表面溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。但是我們都知道溫度場總是在一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，瞬間溫度測量是一項(xiàng)很困的工作，之所以這樣是電路板上面的器件非常密集，元件之間具有很大的“熱干擾”，隨著不斷的加電，電路板的總題溫度不斷上升，熱平衡難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)踐，一般的環(huán)境溫度是有空調(diào)來控制的，但是電路板空置時(shí)的局部環(huán)境溫度和環(huán)境溫度是存在差異的，所以最合適的特征值是“溫差”，但并以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)。

3紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應(yīng)用

3.1紅外熱像儀測試系統(tǒng)

紅外熱像儀測試系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、可見光CCD、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)控制電路、三維精密電動平臺、適配器、定位標(biāo)志等組成。系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)電路板和故障電路板以及相應(yīng)的電源、激勵信號源、適配負(fù)載等來完成測試工作，三維精密電動平臺的作用是帶動紅外熱像儀組成三維可調(diào)熱像傳感器，實(shí)現(xiàn)對大尺寸電路板的熱像采集。計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行圖像處理、存儲、顯示、自動/手動故障檢測，是系統(tǒng)控制核心，用戶可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行整個(gè)檢測過程的操作。紅外熱像儀測試系統(tǒng)主要參數(shù)：測試尺寸200mm×200mm;最大像素384×288;熱靈敏度（NETD）50mk@30℃;熱響應(yīng)時(shí)間10ms;探測器陣列分辨率320×240;填充系數(shù)>80%;幀頻16Hz;工作溫度-40～+60℃。

3.2故障診斷分析

故障診斷過程中比較復(fù)雜的操作是圖像的處理與判讀。一般來講，對于紅外熱像圖，需要判斷板件的紅外熱輻射的溫度場分布和紅外熱像圖的色彩或灰度分布的變化情況。對紅外熱像圖的觀察與分析有兩個(gè)層面：一個(gè)層面是定性的，如圖中哪部分溫度高、哪部分溫度低;另一個(gè)層面是定量的，如溫度高的地方到底有多高。紅外熱像儀測試系統(tǒng)采用溫度（灰度）閾值法進(jìn)行故障診斷。在顯示頁面上設(shè)置好各項(xiàng)診斷特征參數(shù)，就可以開始進(jìn)行故障診斷了。例如輸入正常工作時(shí)的低溫閾值10，高溫閾值20，單擊確定按鈕即可看到診斷結(jié)果，系統(tǒng)會自動將超出溫度設(shè)定范圍的異常點(diǎn)選擇出來，供測試人員參考比較。紅外熱像儀測試系統(tǒng)檢測和診斷分析采用經(jīng)典的比較分析法來進(jìn)行。通常，電路正常工作時(shí)所拍攝的熱像圖（標(biāo)準(zhǔn)紅外圖像）是事先采集好的，而電路有故障時(shí)拍攝的熱像圖（待測紅外圖像）是在故障出現(xiàn)時(shí)根據(jù)維修需要現(xiàn)場采集的。系統(tǒng)通過待測紅外圖像和標(biāo)準(zhǔn)紅外圖像對比、待測紅外圖像和待測可見光圖像對比，便可自動實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的查找以及故障元器件的定位和識別。但是，故障熱像圖的拍攝會受到多個(gè)因素的影響，這會給熱像圖對比、診斷分析帶來麻煩。主要影響因素如下：

環(huán)境溫度。因季節(jié)和天氣差異，拍攝故障熱像圖時(shí)的環(huán)境溫度可能與標(biāo)準(zhǔn)熱像圖相差達(dá)數(shù)十?dāng)z氏度，對診斷分析影響較大。

檢測角度。即熱像儀鏡頭平面與檢測面的角度。紅外發(fā)射率與角度是有關(guān)系的，通常檢測角度在小于30°時(shí)對檢測結(jié)果的影響較小。

檢測距離。即熱像儀鏡頭與待測面的距離。因?yàn)榧t外線在空氣中的衰減很小，同時(shí)在電路檢測時(shí)，一般距離在1m內(nèi)，為了提高精度需要保持多次檢測的距離一致。

檢測時(shí)機(jī)。電路在線工作達(dá)到一定時(shí)間后溫度會達(dá)到飽和，檢測時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)會錯過故障發(fā)生過程或貽誤故障暴露最明顯的時(shí)刻。

由于電路板的在線檢測一般是在室內(nèi)進(jìn)行，檢測角度和檢測距離可以固定。因此，環(huán)境溫度以及檢測時(shí)機(jī)已成為影響紅外檢測準(zhǔn)確度的主要因素。為了盡量減小環(huán)境溫度和檢測時(shí)機(jī)對故障判別的影響，在檢測過程中一定要注意標(biāo)準(zhǔn)圖像的選取和檢測時(shí)機(jī)的把握，需要在實(shí)踐中不斷地去發(fā)掘和積累。

結(jié)語

利用紅外熱像儀來進(jìn)行引進(jìn)航空電路板故障診斷檢測是高效的，其在快速故障定位、預(yù)防性維修方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢。自引進(jìn)紅外熱像儀測試系統(tǒng)以來，已經(jīng)完成電路板故障診斷500余塊，也解決了部分“疑難雜癥”類問題，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，故障器件多為模擬元件、數(shù)字芯片，失效分析原因多為器件內(nèi)部短路接地造成?？梢?，紅外熱成像檢測不僅適用于模擬電路，對數(shù)字電路故障檢測同樣有顯著效果。

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