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紅外技術在電路故障檢測中的應用
摘要：結合紅外熱成像技術及圖像處理的方法，可以檢測出電路是否產生故障，并直接定位到故障范圍。由于紅外檢測技術能夠快速、準確地檢測出電路故障，因此相關的研究越來越多，本文主要介紹利用紅外技術實現電路故障檢測的方法，并介紹一些研究成型的紅外檢測儀。
關鍵詞：紅外熱成像 紅外檢測儀 電路故障
現代的電子設備特征為：電路結構更復雜、元器件集成度更高、電路板層數更多、設備更小型化。當電子設備故障時，采用傳統的電路關鍵點電流電壓檢測法，往往效率低下、精確度不高、多點位故障檢測難度增加，造成故障無法定位而放棄維修，致使電子垃圾越來越多。紅外檢測技術利用紅外熱成像圖像，不需要對電路原理進行詳細研究，就可以快速、準確地定位電路故障位置，這一優勢使得紅外檢測技術得到了更加廣泛的研究和應用。
一、紅外無損檢測
紅外無損檢測是通過測量熱流或熱量來鑒定金屬或非金屬材料質量、探測內部缺陷的。對于某些采用X射線、超聲波等無法探測的局部缺陷，用紅外無損檢測可取得較好的效果。
紅外無損檢測主要有如下典型應用：
(1)焊接缺陷的無損檢測。焊口表面起伏不平，采用X射線、超聲波、渦流等方法難于發現缺陷。若將一交流電壓加在焊接區的兩端，在焊口上會有交流電流通過。由于電流的集膚效應，靠近表面的電流密度將比下層大。由于電流的作用，焊口將產生一定的熱量。熱量的大小正比于材料的電阻率和電流密度的平方。在沒有缺陷的焊接區內，電流分布是均勻的，各處產生的熱量大致相等，焊接區的表面溫度分布式均勻的。而存在缺陷的焊接區，由于缺陷的電阻很大，使這一區域損耗增加，溫度升高。應用紅外測溫設備即可清楚地測量出熱電，由此可斷定熱點下面存在著焊接缺陷。
(2)鑄件內部缺陷探測。有些精密鑄件內部結構非常復雜，采用傳統的無損探測方法，不能準確地發現內部缺陷。當用紅外無損探測時，只需要在鑄件內部通以液態氟利昂冷卻，使冷卻通道達到最好的冷卻效果，然后利用紅外熱像儀快速掃描鑄件整個表面，如果通道內有殘余型芯或者壁厚不勻，在熱圖中即可明顯地看出。假如冷卻通道暢通，冷卻效果良好，熱圖上顯示出一系列均勻的白色條紋;假如通道阻塞，冷卻液體受阻，則在阻塞處顯示出黑色條紋。
(3)疲勞裂紋探測。采用一個點輻射源在蒙皮表面一個小面積上注入能量。然后，用紅外輻射溫度計測量表面溫度。如果在蒙皮表面或表面附近存在疲勞裂紋，則熱傳導受到影響，在裂紋附近熱量不能很快傳輸出去，使裂紋附近表面溫度很快升高。當輻射源分別一道裂紋兩邊時，由于裂紋不讓熱流通過，因而兩邊溫度有很高。當熱源移到裂紋上時，表面溫度下降到正常溫度。實際測量中，由于受輻射源尺寸的限制，輻射源和紅外探測器位置的影響，以及高速掃描速度的影響，會出現一定的誤差。
二、紅外檢測在PCB板故障診斷中的應用
現有的常規電路故障檢測儀都需要通過電路中關鍵點、線的電壓、電流、阻抗及元器件必要參數的測量，根據測量得到的相關結果，結合故障現象和對原理圖的深入理解進行仔細的分析、推斷，才能診斷出電路板的故障部位或故障元器件。通過這種常規的電路板故障檢測方法很難滿足現代國防的要求，原因在于這種方法存在幾個缺陷：(1)必須具備電路原理圖、板圖、元器件布列圖等詳細的維修資料。(2)其測量方法屬接觸測量，測量時必然影響電路的分布參數，不可能用于高頻電路的實時故障檢測。(3)速度慢、費時費力，難以滿足戰爭環境中對時間和速度的高要求。(4)難以診斷潛在故障，因而很難避免裝備在關鍵時刻的突然故障。
利用紅外檢測技術，不需要工作人員對電路進行深入分析，就能對大范圍內數百只器件的工作狀態同時進行快速不接觸檢測，能在通電后幾十秒甚至幾秒鐘的時間內判別出電路中的故障回路或元器件，檢測時不會影響電路的頻率特性;而且還能將電路中元器件從完好到故障的狀態定量的細分為若干個等級，這就使維護人員能及時發現電路故障隱患，避免故障在關鍵時刻突然發生。
三、故障檢測原理及設備
電路板在工作時，其上的元器件會散發熱量，通過紅外儀器可以拍攝到電路板的熱成像圖。故障檢測時，首先，需要拍攝正常的電路板工作時的熱成像圖，保存到數據庫，作為標準板;其次，拍攝存在故障的電路板工作時的熱成像圖，作為待測板;再次，通過圖像處理的方法，將待測板進行預處理、配準、比對、信息提取;最后，根據預設的閾值，得出故障數量及位置。
我國由于起步較晚，成型的紅外故障檢測設備還比較少，目前已有的設備有王格芳等人研制的“印制電路板紅外故障診斷儀”，是國內較早從事紅外檢測方面研究的成型設備;楊先明、葉玉堂等人研制的TIP-I電路故障檢測儀，對故障的診斷率很高;周孟特等人研制的便攜式紅外電路故障檢測系統，使得紅外檢測儀更加小型化。
四、總結
紅外檢測技術的應用是非常廣泛并具有重要意義的，以此引發的分支研究也越來越多。紅外熱成像是紅外檢測技術中的一個關鍵，一些技術發達的國家競相研究熱成像技術，以巨大的人力和物力進行開發，發展十分迅速。提高紅外圖像處理的準確度、研制智能化故障檢測設備都是重點研究方向，今后在這些方面應該做更深入的研究。
參考文獻：
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[3] 王格芳，譚葉雙，王利眾等.印制電路板紅外故障診斷儀[J].儀器儀表學報，2001，4(22).
[4] 楊先明，葉玉堂，方亮等.紅外電路故障檢測系統[J].紅外與激光工程，2006，3(35).
[5] 周孟特，葉玉堂，王智芳等.便攜式紅外電路故障檢測系統[J].光電工程，2011，8(38).
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