基于红外热像仪的印刷电路板故障检测系统设计

李颂　孟坚　尚凤仪

摘要：红外热像作为一种新兴的PCB非介入式诊断技术，在近几年得到了快速的发展，本文介绍红外诊断的基本原理以及如何利用红外热像仪对印刷电路板进行检测，来对故障的电路进行热成像对比，从而判断故障部位，实现电路故障的快速检测。

关键词：红外热像技术；红外热像仪；电路故障

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

印刷电路板是电子电路中的一个很重要的元件，红外热像诊断技术是一种新兴的非接触式诊断技术，它的原理是对在正常和故障状态下热模式变化引起电路板的热像改变进行电路故障的诊断。具有非接触、灵敏度高优点的红外热成像诊断技术在电路板故障诊断中十分有效，而且对电路板本身的要求低，只需要基本的电路板可测试性设计和测试链接设备满足要求即可，在检测过程中也不会因为检测不慎而导致元件受损。同时在进行测试时电路板上所有元器件的热像都能够提取出来，进行故障的多重诊断。

1 红外热成像检测电路的原理

一般物体的红外辐射功率与物体表面热力学温度的4次方成正比，与物体表面的辐射率成正比。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，灰体辐射能量的计算公式为E=εσT，其式中ε为物体表面辐射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，T为物体的绝对温度。由焦耳-楞次定律可知，当有电流流动时，电路中的耗能元器件将会产生一定的热量[1]。由以上两个定律可知，当热量与外界环境进行交换时，电路板中元器件将会具有一定的工作温度。

在硬件方面，一般的电路故障是电路以及元器件的故障，又可分为短路和开路以及接触不良故障。所谓的元器件故障主要是指一下三种情况：早期失效、相关事件导致的故障以及损耗报废。之所以元器件工作时的温度可以有效重复的反映他们的状态，是因为电路以及元器件的热特性和电流流动相关，电子电路的内部激励和电流流动有关，而且电流的流动会产生热量。热和元器件的大部分故障都有所聯系，如果元器件不能正常工作的话，一般存在以下两种情况：当元器件过热时，因为元器件的过度发热可以导致故障，同时故障也会使元器件过度发热；当元器件不发热时，因为正常情况下元器件是会散发热量的，说明此时元器件存在故障导致无法发热，例如出现开路现象。

2 系统组成

红外热成像印刷电路板故障系统的检测如图1所示[2]，

红外热成像检测技术与以往的检测有了很大的不同，它采用了各种加热技术来对被检测物进行控制，然后观测电路板表面的温度变化以及对产生的结果进行存储分析，从而得到被检测电路板的检测结果。在电路板正常工作时，激励源对待测电路板进行激励，将使待测电路板将产生一定的红外辐射。而当电路板异常工作时，将产生其他的红外辐射。红外热像仪对电路板元器件进行全面扫描，就会将电路板的图像信息和数据传送到计算机，利用计算机软件对被测电路板的异常与正常工作时所产生的差异进行分析。

红外热像仪是整个系统的核心，其性能直接关系到分析结果和故障检测的准确率，先进的红外热像仪可以更敏锐的捕捉到待测电路板产生的红外辐射，使计算机更精确的对故障部位进行判别，从而诊断出电路板的故障部位。

待测电路板在通电稳定后，各个元器件就会向外界环境发射热量，产生红外辐射，然后被红外热像仪吸收，传输到计算机中进行分析处理，最后以图像的方式显示出来。对故障进行定位的工作由主控计算机来进行完成，其中包括三个环节[3]，热源辨识、特征提取以及热模式识别。红外热像仪采集到的热像图像信息很庞大，难以直接进行故障诊断，为此需要将该信息进行相关转换，即由像素空间转移到器件空间，将印刷电路板上的热像信息转换为电路板上的各元器件的温度估值序列。确定各个元件的温度信息的估计区域是实现这种转换的关键，即热源辨识。在进行特征提取之前，由于受周围环境、电路板元件间的热传递以及元件表面辐射率的影响，我们需要对采集到的信息做一些矫正工作，以减小对真实值的影响，从而进一步提炼相关信息，抽选出稳定、合理的特征参量，以作为热模式识别的依据。在特征空间中，电路板中的每一类故障在特征空间里都是以一定的规律分布，根据电路板热像对故障进行判断时，与正常时的电路热像进行比对，从而进行故障定位，找到温差最严重的元件，一般情况下，该元件就是故障部位。如果不是的话，则需要相关专业工作人员来进行判断故障。目前有很多的人工智能技术来对故障部位进行红外热像诊断。

3 关键技术的处理

红外摄像头只接收红外辐射通量，通常被测对象的表面辐射率以及粗糙度等表面状况以及绝对温度决定红外辐射通量的大小。同时借助于人工黑体也能够对被测元件的表面温度进行精准的测量。但是我们都知道温度场总是在一种不稳定的状态，瞬间温度测量是一项很困的工作，之所以这样是电路板上面的器件非常密集，元件之间具有很大的“热干扰”，随着不断的加电，电路板的总题温度不断上升，热平衡难以实现。根据实践，一般的环境温度是有空调来控制的，但是电路板空置时的局部环境温度和环境温度是存在差异的，所以最合适的特征值是“温差”，但并以环境温度为基准。

4 结束语

文中对印刷电路板故障检测的组成系统进行了介绍，并对在设计过程中所遇到的技术难题进行了相关分析。该检测系统对大尺寸的电路板进行热像拍摄，并与原来的标准库中的数据进行比对，比对系统将会对热量的变化进行比对，并自动生成相关的检测报告。该检测系统能够将元器件的的温度变化的故障准确的检测出来，为红外电路板故障检测技术的进一步发展奠定了基础。

当然，红外热成像诊断技术还处于应用研究阶段，还有许多的技术问题待需解决，相信随着研究的更加深入，这项技术将被更广泛的应用。

参考文献：

[1] 陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2] 王立东，张飞宇，陈映平.红外热成像技术在印刷电路板故障诊断中的利用[J].红外技术，1999，21（5）：43-45.

[3] 万九卿，李行善.印刷电路板（PCB）的红外热像诊断技术[J].电子测量与仪器学报，2003，17（2）：19-25.