红外热成像技术在自动测试设备中的应用
陈国顺 吴国庆 王格方 刘胜利
文摘：“印制电路板故障红外热像诊断仪”是集红外、光、机、电和计算机一体化的非接触式故障诊断系统。文中详细介绍了该系统的组成、功能及特点，描述了在系统研制过程中解决的主要关键技术问题和难点。该系统硬件由热像仪、计算机、图像采集处理卡、信号源、交直流电源、测试平台等部分组成，软件由故障诊断、信息处理、开发服务等模块组成。该系统具有自动、手动两种诊断方式，其故障诊断速度快、准确率高，通用性强、适用面广。
关键词： 红外成像 印制电路板 故障 检测 诊断
Application of imaging IR technology in ATE
Chen Guoshun Wu Guoqing Wang Gefang Liu Shengli
(Institute of Ordnance technology,Shi Jiazhuang,China,050000)
Abstract: In this paper, a kind of fault diagnosis infrared tester for printed circuit board is presented, and the components, function and features are introduced. The key techniques and solutions of technical barriers in the process of manufacture are described. The hardware of the tester is composed of thermal imaging system, computer, image collection process card, signal source, AC/DC power supply and test stand, while its software consists of the modules of fault diagnosis, information process and development service. It can diagnose either automatically or manually. The tester enjoys high speed and precision for diagnosing. It has a wide application and a general-purpose practice.
Keywords: Imaging IR Printed circuit board Fault Test Diagnosis
1 诊断仪的硬件组成
随着电子技术的不断发展，检测和诊断技术在未来电子装备维修中的地位越来越突出。印制电路板(PCB)元器件密集，电路复杂，出了故障以后难以进行故障检测和诊断。因此，快速有效地对PCB故障进行隔离和定位，保障**装备的完好率，提高**快速反应能力，成为设备维修的关键。
检测和诊断技术的发展经历了人工检测诊断、装备加装机内自检设备(BITE)和自动测试设备(ATE)三个阶段。下面介绍一种应用红外成像技术的新型ATE——印制电路板故障红外诊断仪(简称诊断仪)。
诊断仪主要由红外热像头、数据采集卡、图像帧存卡、计算机、监视器、多路交直流电源、激励信号源、测试平台等组成，框图如图1所示。
图1 诊断仪的硬件结构
Fig.1 The hardware make-up of diagnostic meter
(1) 红外热像头：选用HR-Ⅱ型高灵敏度慢扫描热像头，是为了把待测PCB的红外辐射热信息转换成电信号，从而实现PCB红外热信息的数据采集，其温度分辨率优于0.1°C。
(2) 数据采集卡：此卡的功能是将红外热像头输出的模拟电信号，经过放大处理后变换成数字信号，然后再传输给计算机。
(3) 图像帧存卡：该卡存储热像送到监示器显示，可进行彩色显示、单绿色显示、黑白显示和调色显示。
(4) 多路交直流电源：为了提高诊断仪的通用性，设计了一种模块化的20路交直流综合电源，以满足各种印制板供电的需要。
(5) 激励信号源：提供测试印制板所必须的各种激励信号。
2 诊断仪的软件组成
诊断仪的软件组成如下：
（1）手动诊断功能：手动诊断可对印制板进行热像采集、滤波、比较、放大、测量和分析等。手动诊断可改变窗口宽度、下限温度和分辨率的设定；可对热像进行变换和滤波处理；可对任意元器件的平均温度进行测量；可对四幅或两幅图像进行比较；可对热像的各种参数进行修正。
（2）自动诊断功能：自动诊断菌能是在对PCB进行物理定位、建立PCB的信息库、对元器件的标准温度增量和门限等作统计分析的基础上，利用原理进行故障类型确定、串并联排队和优先级确立，*后形成故障诊断软件。其诊断过程如下：
开始 输入参数 自动测量环境温度 热像采集显示存储 图像定位分割特征提取 计算温度增量 故障分析与模式识别 故障诊断专家系统 诊断结果显示打印结束。
（3）开发服务功能：开发服务功能是一个全开放的辅助建立PCB住处库和分析诊断PCB的综合服务模块。该模块可完成建立、显示、确定和修改元器件的坐标，提取元器件的特征值和标准温度预置故障门限和故障类型，读图自动诊断和分析诊断数据等功能。系统**地辅助使用者守成各种PCB的开发工作，界面友好，使用方便。
3 技术关键和解决难点的对策
(1) 提出了温度增量这个由定性分析到定量计算转变的全新概念。所谓温度增量就是在诊断中，提取某个元件的特征量不以其本身温度的大小为表征，而以其温度与环境温度差值的数字量来衡量，这个数字量即温度增量或称元件的特征量。温度增量减小了系统本身不稳定因素对测量引起的误差，消弱了环境温度的影响，使建立元器件的标准和门限有了依据，在技术上保证了诊断仪广泛应用的可能性，实现了诊断仪由定性分析到定量计算的质的飞跃。
(2) 创造性地提出了图像分割技术。提取元器件的热像范围和计算方法便是图像分割技术。美国AD报告中提到的有*大点法、五点法、加权平均法等等。在设计中通过大量的试验、分析和对比，*后确定了一种软硬件结合的综合有效的评判提取方法，解决了这一技术难题，提高了提取特征值的准确性和一致性。
(3) 成功地解决了热像漂移的难题。由于热像头采用光机扫描的方式采集红外热像，就不可避免地存在机械误差、电路系统误差及热像漂移。为了解决这个影响红外热成像技术广泛应用的关键难题，设计中我们创造性地采用了窗口反差定位和坐标自动跟踪等方法，大大减小了元器件的定位误差，保证了提取特征的准确性，从而使自动诊断结果的置信度大大提高。
(4) 建立了可靠的PCB红外标准。标准即元器件正常工作时的温度增量。现场建立标准的优点是标准板和待诊断的PCB处于同一现场，标准数据可信度高；其弱点是至少要备份一套作为标准用的印制电路板，且每次都要重建标准，严重影响诊断仪的使用。
设计中，通过对各种元器件在不同环境温度下的温度增量进行大量的试验和线性回归分析，建立了描述这两个变量之间关系的定量表达经验公式。该公式的重要意义是：对于任意待测PCB，只要在某一温度下建一次标准，利用经验公式就可以计算出温度增量，从而使诊断仪在任何温度下，均有可靠的使用标准。
(5) 确立了可靠合理的故障门限。在自动诊断工作方式下，每一个元器件除标准特征值以外，还要给出一个正常工作范围，这个范围就是门限。确定门限的工作步骤是在自然故障、模拟验证和原理分析的基础上逐步确定、修改和完善，并尽量减少虚警率和漏警率。
4 诊断仪的特点
(1) 采用非接触的方式进行故障检测和诊断。在诊断PCB过程中，热像采集数据与印制电路板不接触，不破坏印制电路板结构和表面防护层，不影响电路的工作状态，方式新颖。
(2) 变不可视信息为可视信息。PCB上电子元器件的工作状态是不可视信息，即人用肉眼是看不见的。诊断仪利用红外技术，通过热成像，把电子元器件的工作状态这一不可视信息变成可视信息。
(3) 获得的信息量大。传统的用万用表、示波器检测故障，一次只能测单点信息，测试诊断设备一般只能测部分元器件的信息。诊断仪采取全视场扫描，一次采样即可获得用于诊断印制电路板故障的全部信息。
(4) 诊断速度快，准确性高。诊断仪自动诊断一块印制电路板故障的平均时间为：2min，平均故障覆盖率和平均故障诊断准确率均超过90%。
(5) 通用性强，应用领域广。诊断仪不仅可以诊断PCB故障，还可以诊断其它与热有关的器件或设备，如进行辅助电气设计和鉴定、元件热应力分析、工艺检验、医学、工业输电、热隐患的诊断等，也可为热设计、热分析、热故障诊断提供先进的检测手段，因此它具有广阔的应用前景。
(6) 开发功能完善，用户界面友好，操作简单。诊断仪在**使用中，一般技术人员根据说明书在短时间内即可操作使用。在熟练操作的基础上，也可对其它装备的印制电路板自行开发专用诊断软件。
(7) 兼容性好。设计中采取独立时钟、标准总线接口、共用64KB内存地址和分时送数等办法，使诊断仪在各种机型上均能运行。
(8) 热像文件易保存，有利于装备质量监控。故障热像可用磁盘文件的形式保存和存档，专家从图像上即可提取现场的故障信息，便于装备质量监控。
5 应用概况
“印制电路板故障红外诊断仪”采用光、机、电和计算机一体化的先进技术，运用红外热成像原理，采取非接触式的故障诊断方式，把元器件工作状态这一不可视信息变成可视信息——热像，然后通过热故障模式识别，进行印制电路板的故障诊断。
本课题为总后重点课题,1996年获**科技进步二等奖
作者简介：陈国顺 男 34岁 工程师 从事印制电路板故障诊断与测试ATE设计工作。多次获得**科技进步奖。国内外发表论文10余篇。
作者单位：总参军械技术研究所 石家庄 050000
参考文献
1 张广喜，吴国庆等.红外在电子设备故障检测中的应用，第九届国内红外科技交流会会议论文集
2 Yahia A H. Infrared thermal mapping of microelectronic circuits. SPIE, 1985, 590:244～248
1998-07-07收稿