红外热像仪在电路板故障诊断中的应用

沈林祥 石安安 周新 江庆欢

摘要：电路板修理过程中，一般综合采用直接观察、电阻测试、对比、替代、分割测试和波形观察等方法进行故障检测。这些方法不仅要求修理人员对产品功能、工作原理比较了解，还需具备较强的电路分析能力。而当前某型引进航空装备维修中面临着国外技术封锁、技术资料缺失、维修保障周期长等难题。为提升装备维修保障能力，引入利用红外热成像检测技术开展电路板故障诊断的方法。相对于传统电路检测方法，其优势在于检测无损化，即非接触式检测，保证了电路的完整性，同时对电路原理的依赖低，检测结果直观可视，故障检测定位效率高。

关键词：红外热像仪;电路板;故障诊断

引言

红外热像仪在军事、民用和科学研究等领域得到了广泛应用。近20年来，国内热成像技术得到了长足发展，且随着市场需求的日益强劲，红外热像仪科研项目和装备数量正逐年增加。由于红外热像仪的可靠性水平会直接影响用户的任务成功率、维护成本和寿命周期，其可靠性设计工作受到越来越多的重视。目前，国外对红外热像仪及探测器的可靠性设计技术研究已比较成熟，但国内在该领域的研究工作还处于起步阶段。

1红外热像仪测温原理

任何温度比绝对零度（-273℃）高的物体，均会有产生热辐射;根据物体的温度不同，其辐射产生的能量和波长也会不同。由玻耳兹曼定律可知，红外热辐射的功率与其绝对温度的四次方成正比，即W=εσT4。红外热像仪通过光学系统将探测物体的红外热辐射光谱反映到CMOS光电探测器阵列，由光电探测器阵列转换成电信号，经信号放大及图像处理形成可视觉分辨的红外热像图。当电子产品处于工作状态时，若内部元器件有电流通过，将产生耗散功率。由于热辐射作用，不同功率的元器件，其表面的温度也各不相同。当元器件发生失效时，其流经电流的变化会引起表面温度的变化。通过探测失效产品表面红外热辐射，并与良品呈现的红外热像图进行对比，理论上可以判定内部失效元器件的位置。但是，由于产品内部元器件具有互联和相关性，当产品内部存在功率较大的器件时，其热辐射能较大，热场扩散较快，容易影响到其它元器件的工作，遮盖真正的失效点。

2红外热像仪关键技术

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。

3红外热像仪在电路板故障诊断中的应用

3.1红外热像仪测试系统

红外热像仪测试系统主要由红外热像仪、可见光CCD、图像采集卡、计算机、系统控制电路、三维精密电动平台、适配器、定位标志等组成。系统根据用户提供的标准电路板和故障电路板以及相应的电源、激励信号源、适配负载等来完成测试工作，三维精密电动平台的作用是带动红外热像仪组成三维可调热像传感器，实现对大尺寸电路板的热像采集。计算机主要进行图像处理、存储、显示、自动/手动故障检测，是系统控制核心，用户可以通过计算机进行整个检测过程的操作。红外热像仪测试系统主要参数：测试尺寸200mm×200mm;最大像素384×288;热灵敏度（NETD）50mk@30℃;热响应时间10ms;探测器阵列分辨率320×240;填充系数>80%;帧频16Hz;工作温度-40～+60℃。

3.2故障诊断分析

故障诊断过程中比较复杂的操作是图像的处理与判读。一般来讲，对于红外热像图，需要判断板件的红外热辐射的温度场分布和红外热像图的色彩或灰度分布的变化情况。对红外热像图的观察与分析有两个层面：一个层面是定性的，如图中哪部分温度高、哪部分温度低;另一个层面是定量的，如温度高的地方到底有多高。红外热像仪测试系统采用温度（灰度）阈值法進行故障诊断。在显示页面上设置好各项诊断特征参数，就可以开始进行故障诊断了。例如输入正常工作时的低温阈值10，高温阈值20，单击确定按钮即可看到诊断结果，系统会自动将超出温度设定范围的异常点选择出来，供测试人员参考比较。红外热像仪测试系统检测和诊断分析采用经典的比较分析法来进行。通常，电路正常工作时所拍摄的热像图（标准红外图像）是事先采集好的，而电路有故障时拍摄的热像图（待测红外图像）是在故障出现时根据维修需要现场采集的。系统通过待测红外图像和标准红外图像对比、待测红外图像和待测可见光图像对比，便可自动实现故障区域的查找以及故障元器件的定位和识别。但是，故障热像图的拍摄会受到多个因素的影响，这会给热像图对比、诊断分析带来麻烦。主要影响因素如下：

环境温度。因季节和天气差异，拍摄故障热像图时的环境温度可能与标准热像图相差达数十摄氏度，对诊断分析影响较大。

检测角度。即热像仪镜头平面与检测面的角度。红外发射率与角度是有关系的，通常检测角度在小于30°时对检测结果的影响较小。

检测距离。即热像仪镜头与待测面的距离。因为红外线在空气中的衰减很小，同时在电路检测时，一般距离在1m内，为了提高精度需要保持多次检测的距离一致。

检测时机。电路在线工作达到一定时间后温度会达到饱和，检测时机选择不当会错过故障发生过程或贻误故障暴露最明显的时刻。

由于电路板的在线检测一般是在室内进行，检测角度和检测距离可以固定。因此，环境温度以及检测时机已成为影响红外检测准确度的主要因素。为了尽量减小环境温度和检测时机对故障判别的影响，在检测过程中一定要注意标准图像的选取和检测时机的把握，需要在实践中不断地去发掘和积累。

结语

利用红外热像仪来进行引进航空电路板故障诊断检测是高效的，其在快速故障定位、预防性维修方面都有着独特的优势。自引进红外热像仪测试系统以来，已经完成电路板故障诊断500余块，也解决了部分“疑难杂症”类问题，创造了可观的经济和军事效益。经统计，故障器件多为模拟元件、数字芯片，失效分析原因多为器件内部短路接地造成。可见，红外热成像检测不仅适用于模拟电路，对数字电路故障检测同样有显著效果。

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