李頌　孟堅　尚鳳儀

摘要：紅外熱像作為一種新興的PCB非介入式診斷技術(shù)，在近幾年得到了快速的發(fā)展，本文介紹紅外診斷的基本原理以及如何利用紅外熱像儀對印刷電路板進行檢測，來對故障的電路進行熱成像對比，從而判斷故障部位，實現(xiàn)電路故障的快速檢測。

關(guān)鍵詞：紅外熱像技術(shù)；紅外熱像儀；電路故障

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0211-02

Abstract： As an emerging PCB non-Intrusive fault diagnosis technology， infrared thermal diagnosis is developed rapidly in recent years. This paper introduces the basic principle of PCB infrared thermal diagnosis and how to use the machine of infrared thermal diagnosis to detect the operative mode of circuit board， which can conduct thermal imaging contrast towards the faulted circuit， thus detecting the trouble location and achieving a quick detection of electronic circuit fault.

Key words： infrared thermal mapping technique； ir imaging senor； circuit wafer fault detect

印刷電路板是電子電路中的一個很重要的元件，紅外熱像診斷技術(shù)是一種新興的非接觸式診斷技術(shù)，它的原理是對在正常和故障狀態(tài)下熱模式變化引起電路板的熱像改變進行電路故障的診斷。具有非接觸、靈敏度高優(yōu)點的紅外熱成像診斷技術(shù)在電路板故障診斷中十分有效，而且對電路板本身的要求低，只需要基本的電路板可測試性設(shè)計和測試鏈接設(shè)備滿足要求即可，在檢測過程中也不會因為檢測不慎而導致元件受損。同時在進行測試時電路板上所有元器件的熱像都能夠提取出來，進行故障的多重診斷。

1 紅外熱成像檢測電路的原理

一般物體的紅外輻射功率與物體表面熱力學溫度的4次方成正比，與物體表面的輻射率成正比。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，灰體輻射能量的計算公式為E=εσT，其式中ε為物體表面輻射率，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，T為物體的絕對溫度。由焦耳-楞次定律可知，當有電流流動時，電路中的耗能元器件將會產(chǎn)生一定的熱量[1]。由以上兩個定律可知，當熱量與外界環(huán)境進行交換時，電路板中元器件將會具有一定的工作溫度。

在硬件方面，一般的電路故障是電路以及元器件的故障，又可分為短路和開路以及接觸不良故障。所謂的元器件故障主要是指一下三種情況：早期失效、相關(guān)事件導致的故障以及損耗報廢。之所以元器件工作時的溫度可以有效重復的反映他們的狀態(tài)，是因為電路以及元器件的熱特性和電流流動相關(guān)，電子電路的內(nèi)部激勵和電流流動有關(guān)，而且電流的流動會產(chǎn)生熱量。熱和元器件的大部分故障都有所聯(lián)系，如果元器件不能正常工作的話，一般存在以下兩種情況：當元器件過熱時，因為元器件的過度發(fā)熱可以導致故障，同時故障也會使元器件過度發(fā)熱；當元器件不發(fā)熱時，因為正常情況下元器件是會散發(fā)熱量的，說明此時元器件存在故障導致無法發(fā)熱，例如出現(xiàn)開路現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)組成

紅外熱成像印刷電路板故障系統(tǒng)的檢測如圖1所示[2]，

紅外熱成像檢測技術(shù)與以往的檢測有了很大的不同，它采用了各種加熱技術(shù)來對被檢測物進行控制，然后觀測電路板表面的溫度變化以及對產(chǎn)生的結(jié)果進行存儲分析，從而得到被檢測電路板的檢測結(jié)果。在電路板正常工作時，激勵源對待測電路板進行激勵，將使待測電路板將產(chǎn)生一定的紅外輻射。而當電路板異常工作時，將產(chǎn)生其他的紅外輻射。紅外熱像儀對電路板元器件進行全面掃描，就會將電路板的圖像信息和數(shù)據(jù)傳送到計算機，利用計算機軟件對被測電路板的異常與正常工作時所產(chǎn)生的差異進行分析。

紅外熱像儀是整個系統(tǒng)的核心，其性能直接關(guān)系到分析結(jié)果和故障檢測的準確率，先進的紅外熱像儀可以更敏銳的捕捉到待測電路板產(chǎn)生的紅外輻射，使計算機更精確的對故障部位進行判別，從而診斷出電路板的故障部位。

待測電路板在通電穩(wěn)定后，各個元器件就會向外界環(huán)境發(fā)射熱量，產(chǎn)生紅外輻射，然后被紅外熱像儀吸收，傳輸?shù)接嬎銠C中進行分析處理，最后以圖像的方式顯示出來。對故障進行定位的工作由主控計算機來進行完成，其中包括三個環(huán)節(jié)[3]，熱源辨識、特征提取以及熱模式識別。紅外熱像儀采集到的熱像圖像信息很龐大，難以直接進行故障診斷，為此需要將該信息進行相關(guān)轉(zhuǎn)換，即由像素空間轉(zhuǎn)移到器件空間，將印刷電路板上的熱像信息轉(zhuǎn)換為電路板上的各元器件的溫度估值序列。確定各個元件的溫度信息的估計區(qū)域是實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，即熱源辨識。在進行特征提取之前，由于受周圍環(huán)境、電路板元件間的熱傳遞以及元件表面輻射率的影響，我們需要對采集到的信息做一些矯正工作，以減小對真實值的影響，從而進一步提煉相關(guān)信息，抽選出穩(wěn)定、合理的特征參量，以作為熱模式識別的依據(jù)。在特征空間中，電路板中的每一類故障在特征空間里都是以一定的規(guī)律分布，根據(jù)電路板熱像對故障進行判斷時，與正常時的電路熱像進行比對，從而進行故障定位，找到溫差最嚴重的元件，一般情況下，該元件就是故障部位。如果不是的話，則需要相關(guān)專業(yè)工作人員來進行判斷故障。目前有很多的人工智能技術(shù)來對故障部位進行紅外熱像診斷。

3 關(guān)鍵技術(shù)的處理

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。同時借助于人工黑體也能夠?qū)Ρ粶y元件的表面溫度進行精準的測量。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，熱平衡難以實現(xiàn)。根據(jù)實踐，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。

4 結(jié)束語

文中對印刷電路板故障檢測的組成系統(tǒng)進行了介紹，并對在設(shè)計過程中所遇到的技術(shù)難題進行了相關(guān)分析。該檢測系統(tǒng)對大尺寸的電路板進行熱像拍攝，并與原來的標準庫中的數(shù)據(jù)進行比對，比對系統(tǒng)將會對熱量的變化進行比對，并自動生成相關(guān)的檢測報告。該檢測系統(tǒng)能夠?qū)⒃骷牡臏囟茸兓墓收蠝蚀_的檢測出來，為紅外電路板故障檢測技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

當然，紅外熱成像診斷技術(shù)還處于應(yīng)用研究階段，還有許多的技術(shù)問題待需解決，相信隨著研究的更加深入，這項技術(shù)將被更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2] 王立東，張飛宇，陳映平.紅外熱成像技術(shù)在印刷電路板故障診斷中的利用[J].紅外技術(shù)，1999，21（5）：43-45.

[3] 萬九卿，李行善.印刷電路板（PCB）的紅外熱像診斷技術(shù)[J].電子測量與儀器學報，2003，17（2）：19-25.