紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應用

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行故障檢測。這些方法不僅要求修理人員對產品功能、工作原理比較了解，還需具備較強的電路分析能力。而當前某型引進航空裝備維修中面臨著國外技術封鎖、技術資料缺失、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開展電路板故障診斷的方法。相對于傳統電路檢測方法，其優勢在于檢測無損化，即非接觸式檢測，保證了電路的完整性，同時對電路原理的依賴低，檢測結果直觀可視，故障檢測定位效率高。

關鍵詞：紅外熱像儀;電路板;故障診斷

引言

紅外熱像儀在軍事、民用和科學研究等領域得到了廣泛應用。近20年來，國內熱成像技術得到了長足發展，且隨著市場需求的日益強勁，紅外熱像儀科研項目和裝備數量正逐年增加。由于紅外熱像儀的可靠性水平會直接影響用戶的任務成功率、維護成本和壽命周期，其可靠性設計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計技術研究已比較成熟，但國內在該領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，均會有產生熱輻射;根據物體的溫度不同，其輻射產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系統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換成電信號，經信號放大及圖像處理形成可視覺分辨的紅外熱像圖。當電子產品處于工作狀態時，若內部元器件有電流通過，將產生耗散功率。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。當元器件發生失效時，其流經電流的變化會引起表面溫度的變化。通過探測失效產品表面紅外熱輻射，并與良品呈現的紅外熱像圖進行對比，理論上可以判定內部失效元器件的位置。但是，由于產品內部元器件具有互聯和相關性，當產品內部存在功率較大的器件時，其熱輻射能較大，熱場擴散較快，容易影響到其它元器件的工作，遮蓋真正的失效點。

2紅外熱像儀關鍵技術

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對被測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定的狀態，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。根據實踐，一般的環境溫度是有空調來控制的，但是電路板空置時的局部環境溫度和環境溫度是存在差異的，所以最合適的特征值是“溫差”，但并以環境溫度為基準。

3紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應用

3.1紅外熱像儀測試系統

紅外熱像儀測試系統主要由紅外熱像儀、可見光CCD、圖像采集卡、計算機、系統控制電路、三維精密電動平臺、適配器、定位標志等組成。系統根據用戶提供的標準電路板和故障電路板以及相應的電源、激勵信號源、適配負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熱像傳感器，實現對大尺寸電路板的熱像采集。計算機主要進行圖像處理、存儲、顯示、自動/手動故障檢測，是系統控制核心，用戶可以通過計算機進行整個檢測過程的操作。紅外熱像儀測試系統主要參數：測試尺寸200mm×200mm;最大像素384×288;熱靈敏度（NETD）50mk@30℃;熱響應時間10ms;探測器陣列分辨率320×240;填充系數>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層面：一個層面是定性的，如圖中哪部分溫度高、哪部分溫度低;另一個層面是定量的，如溫度高的地方到底有多高。紅外熱像儀測試系統采用溫度（灰度）閾值法進行故障診斷。在顯示頁面上設置好各項診斷特征參數，就可以開始進行故障診斷了。例如輸入正常工作時的低溫閾值10，高溫閾值20，單擊確定按鈕即可看到診斷結果，系統會自動將超出溫度設定范圍的異常點選擇出來，供測試人員參考比較。紅外熱像儀測試系統檢測和診斷分析采用經典的比較分析法來進行。通常，電路正常工作時所拍攝的熱像圖（標準紅外圖像）是事先采集好的，而電路有故障時拍攝的熱像圖（待測紅外圖像）是在故障出現時根據維修需要現場采集的。系統通過待測紅外圖像和標準紅外圖像對比、待測紅外圖像和待測可見光圖像對比，便可自動實現故障區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：

環境溫度。因季節和天氣差異，拍攝故障熱像圖時的環境溫度可能與標準熱像圖相差達數十攝氏度，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。紅外發射率與角度是有關系的，通常檢測角度在小于30°時對檢測結果的影響較小。

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

檢測時機。電路在線工作達到一定時間后溫度會達到飽和，檢測時機選擇不當會錯過故障發生過程或貽誤故障暴露最明顯的時刻。

由于電路板的在線檢測一般是在室內進行，檢測角度和檢測距離可以固定。因此，環境溫度以及檢測時機已成為影響紅外檢測準確度的主要因素。為了盡量減小環境溫度和檢測時機對故障判別的影響，在檢測過程中一定要注意標準圖像的選取和檢測時機的把握，需要在實踐中不斷地去發掘和積累。

結語

利用紅外熱像儀來進行引進航空電路板故障診斷檢測是高效的，其在快速故障定位、預防性維修方面都有著獨特的優勢。自引進紅外熱像儀測試系統以來，已經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，創造了可觀的經濟和軍事效益。經統計，故障器件多為模擬元件、數字芯片，失效分析原因多為器件內部短路接地造成。可見，紅外熱成像檢測不僅適用于模擬電路，對數字電路故障檢測同樣有顯著效果。

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