紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應用

文/宋中建 周章勇 唐 榮(國營蕪湖機械廠)

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[1]。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。

一、紅外熱成像檢測技術原理及其特點

紅外檢測是基于熱輻射普朗克定律，即利用物體的輻射能與溫度的關系進行檢測。紅外熱輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大；反之，輻射的能量愈小。一切溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線，從物體表面輻射出的全部能量由物體的熱力學溫度和發射率決定。

紅外熱成像檢測技術就是利用紅外熱像儀將不可見的紅外熱輻射轉換成可見紅外圖像，并利用該紅外圖像對電路板表面溫度場進行測定，進而評估其狀態的技術[2]。它通過掃描、記錄被測板件表面元件由于缺陷或故障時不同的熱特性而引起的溫度變化來進行檢測，是一種在線檢測技術，與其他無損檢測方法相比，具有非接觸性、操作安全、靈敏度高、檢測效率高等特點。

簡單來說，紅外熱成像檢測技術就是利用電路板通電狀態下電路上器件發熱產生輻射，通過紅外熱像儀測量器件溫度變化的某種規律和異常現象，判別器件是否存在故障，或電路上存在故障的區域或難點。運用紅外熱成像檢測技術進行電路板故障診斷，在不知道電路原理，不確定模擬電路、數字邏輯電路還是數模混合電路的情況下，均能直觀、快速地進行故障初定位，能夠提高航空裝備產品的維護和檢測效率。

二、紅外熱像儀在電路板故障診斷中的應用

電路板故障主要包括電路和元器件的故障。電路故障一般分為短路、斷路和接觸不良；元器件故障主要指早期失效、由有關事件引發的故障和耗損報廢。由于電路中的故障絕大多數會直接或間接地引起溫度的變化，其整體或局部的熱平衡會受到破壞或影響，并以熱傳播的形式使其外表面溫度場發生變化。熱狀態的變化和異常，往往是確定被測對象實際工作狀態的重要依據。

利用紅外熱像儀對電路板進行非接觸的溫度掃描測量電路工作中紅外輻射能量，就可以獲得其表面的溫度分布特征信息，得到該電路的熱像圖，進而判斷、確定器件故障。如果元器件發生故障，電路熱像圖與正常工作時的熱像圖就會產生差異，紅外熱像儀就是利用此差異來實現電路的故障診斷。

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結構如圖1 所示。

紅外熱像儀測試系統主要參數：測試尺寸200mm×200 mm；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℃。

圖1 紅外熱像儀測試系統結構

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。

三、應用效果

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。