СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2023 года по МПК G01N25/52 G01J5/802 G01J5/60 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта, в частности, печатной платы радиоэлектронного устройства.

Известен способ измерений поля температур при неразрушающей диагностике дефектов сквозных отверстий печатных плат [RU 2761863, С1, Н05К 13/0817, 13.12.2021], согласно которому верхнюю кромку металлизации отверстия в течение времени t_нагр нагревают лучом лазерного излучения заданной мощности, сфокусированным по ее границам, где t_нагр ≈ 3(8r)²/a_т, r - радиус отверстия, а_т - температуропроводность материала ПП, по окончании нагрева бесконтактным способом с помощью ИК-камеры измеряют температуру верхней Т_B и нижней Т_H кромок металлизации отверстия, а о дефектах отверстия судят по разности этих температур  δT = Т_B - T_H и по отношению их приращений: ΔТ_В/ΔТ_Н, где ΔТ_В = Т_В - Т₀, ΔТ_Н = Т_Н - Т₀, Т₀ - начальная температура.

Недостатком способа является относительно узкая область применения, поскольку известный способ позволяет измерить разность или отношение температур выделенных участков, находящихся на разных сторонах платы, и не позволяет измерить поле температуры, например, на поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства.

Известен также способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объектов без сканирования [RU 2721097, С1, G01J 5/08, 15.05.2020], заключающийся в формировании светового пучка широкополосного излучения, идущего от объекта, фокусировке излучения и формировании изображения объекта, а также регистрации изображения объекта матричным приемником излучения и цифровой обработке изображения, при этом, разделение светового пучка осуществляется с помощью линзового растра, состоящего из заданного числа линз, фокусирующих изображения на матричном приемнике излучения, установленного между оптической системой и матричным приемником излучения, регистрация пространственно разнесенных спектральных изображений объекта выполняется установленным перед матричным приемником излучения растром, состоящим из светофильтров, число и положение которых соответствует числу и положению линз в линзовом растре, при этом кривые пропускания этих светофильтров соответствуют заданным положениям спектральных каналов.

Недостатком способа является относительно низкая точность измерения поля температуры, вызванная искажениями при разделении светового пучка с помощью линзового растра, состоящего из заданного числа линз.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ [RU 1654734, А1, G01N 25/52, 07.06.1991], согласно которому объект и эталонный излучатель устанавливают в замкнутую полость, оптически связанную с приемной камерой, причем, внутренняя поверхность полости имеет известную излучательную способность и диффузный характер отражения в спектральном диапазоне работы приемной камеры регистрирующей системы, регулируют температуру эталонного излучателя до достижения равенства плотностей полного теплового по тока объекта и эталонного излучателя, затем измеряют температуру полости и соответствующие тепловые потоки эталонного излучателя собственных тепловых потоков полости, а из равенства между соответствующими потоками определяют температуру объекта.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, поскольку оно не позволяет бесконтактно измерить поле (распределение) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры. Это снижает точность измерения поля температуры и сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами ее распределения, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства.

Задачей настоящего изобретения является разработка бесконтактного способа измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, поля температуры печатной платы радиоэлектронного устройства, с одновременным повышением точности измерений и обеспечивающего расширения арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

Требуемый технический результат заключается в расширении области применения способа и повышении точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства с одновременным расширением арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью абсолютно черного тела (АЧТ) изотермический режим с минимальной температурой работы платы, и определяют поле излучательной способности поверхности платы при минимальной температуре работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности для каждого пикселя теплового портрета платы, устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью АЧТ изотермический режим с максимальной температурой работы платы и определяют поле излучательной способности поверхности платы при максимальной температуре работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности для каждого пикселя теплового портрета платы, по средней величине между и определяют поле средней по температуре излучательной способности поверхности платы, формируют градуировочную характеристику по модели АЧТ в условиях измерения поля температуры по поверхности печатной платы и получают зависимость интенсивности излучения модели АЧТ от ее температуры , устанавливают номинальный энергетически устойчивый режим работы платы, измеряют интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы, переходят от поля излучения к полю температуры по поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства, при котором для каждого пикселя интенсивности излучения определяют равную интенсивность модели АЧТ и по градуировочной характеристике определяют температуру модели АЧТ по уравнению

где - излучательная способность пикселя теплового портрета платы, минимальная длина волны оптико-электронной системы (ОЭС), максимальная длина волны ОЭС, - температура пикселя, излучательная способность модели АЧТ, - температура модели АЧТ, и рассчитывают температуру для каждого пикселя теплового поля платы.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 – установка для реализации предложенного способа;

на фиг. 2 – пример градуировочной характеристики .

В установке для реализации предложенного способа (фиг. 1) в поле зрения оптико-электронной системы (ОЭС) 1, например, тепловизионной системы, установлена печатная плата 2 радиоэлектронного устройства. Планарно с платой 2 установлена модель абсолютно черного тела (АЧТ) 3, которая так же оказывается в поле зрения ОЭС 1, которая может занимать два фиксированных состояния.

Плата 2 и модель АЧТ 3 размещены в камере 4, температура которой регулируется, внутренняя поверхность которой покрыта материалом с малым коэффициентом отражения, например, графитовой сажей. Камера 4 имеет входное окно, выполненное из полупрозрачного материала, имеющего высокий коэффициент пропускания в спектральном диапазоне, превышающем спектральный диапазон ОЭС, и предназначенное для оптической связи платы и модели АЧТ с ОЭС.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

1. Устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью АЧТ изотермический режим с минимальной температурой работы платы.

2. Последовательно измеряют с помощью ОЭС интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно.

3. Затем вычисляют величину излучательной способности для каждого пикселя теплового портрета платы. Таким образом, определяют поле излучательной способности поверхности платы при минимальной температуре работы платы.

4. Устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью АЧТ изотермический режим с максимальной температурой работы платы.

5. Затем вычисляют величину излучательной способности для каждого пикселя теплового портрета платы. Таким образом определяют поле излучательной способности поверхности при максимальной температуре .

6. Определяют поле средней по температуре излучательной способности поверхности платы.

7. Выполняют градуировку ОЭС по модели АЧТ в условиях измерения поля температуры по поверхности печатной платы, то есть зависимость интенсивности излучения модели АЧТ от его температуры (фиг. 2).

8. Устанавливают номинальный энергетически устойчивый режим работы платы, измеряют с помощью ОЭС интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы. Таким образом измеряют поле излучения поверхности платы.

9. Для перехода от поля излучения к полю температуры по поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства для каждого пикселя интенсивности излучения определяют равную интенсивность модели АЧТ и по градуировочной характеристике определяют температуру модели АЧТ.

10. По уравнению то есть

где - излучательная способность пикселя теплового портрета платы, минимальная длина волны ОЭС, максимальная длина волны ОЭС, м·К, - температура пикселя, излучательная способность модели АЧТ, - температура модели АЧТ,

и рассчитывают температуру для каждого пикселя теплового поля платы.

Таким образом, благодаря предложенному способу достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении области применения и повышении точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства с одновременным расширением арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

При бесконтактном контроле теплового состояния объектов, к которым относятся радиоэлектронные устройства, характерен достаточно низкий уровень их абсолютных температур (примерно равный 450°К). При этом, температура является основным информационным параметром теплового состояния объекта. Поэтому в качестве ОЭС часто применяют тепловизионные системы с широким спектральным диапазоном, например, с длинами волн от 2 до 5 мкм или от 8 до 14 мкм. Но в этом спектральном диапазоне излучательная способность материалов радиоэлектроники изменяется от в диапазоне от ~0,2 до ~0,9. К таким измерениям не может быть применена методика измерения температуры монохроматической пирометрией. А при измерении температуры принципиален вопрос о выборе значения излучательной способности для конкретного материала, конкретной ОЭС и в конкретных условиях. Предложенный способ позволяет выполнить градуировку ОЭС и измерения температуры в идентичных термо- и оптико-физических условиях, а предложенный математический аппарат позволяет повысить надежность и достоверность полученных количественных значений поля температуры по поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства. Таким образом выполняется переход от поля излучения к полю температуры.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта, в частности печатной платы радиоэлектронного устройства. При реализации способа измерения поля температуры на поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства, согласно которому устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью абсолютно черного тела (АЧТ) изотермический режим с минимальной температурой T_min работы платы, и определяют поле излучательной способности поверхности платы при минимальной температуре T_min работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения I_min и I_{0 min} каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности ε_min для каждого пикселя теплового портрета платы, устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью АЧТ изотермический режим с максимальной температурой T_max работы платы и определяют поле излучательной способности поверхности платы при максимальной температуре T_max работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения I_max и I_{0 max} каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности ε_max для каждого пикселя теплового портрета платы, по средней величине между ε_min и ε_max определяют поле средней по температуре излучательной способности ε поверхности платы. Далее формируют градуировочную характеристику по модели АЧТ в условиях измерения поля температуры по поверхности печатной платы и получают зависимость интенсивности излучения I₀ модели АЧТ от ее температуры T₀, устанавливают номинальный энергетически устойчивый режим работы платы, измеряют интенсивность излучения I каждого пикселя теплового портрета платы, переходят от поля излучения к полю температуры T по поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства. Требуемый технический результат заключается в расширении области применения и повышении точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры. 2 ил.

Способ бесконтактного измерения поля температуры на поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства, согласно которому, устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью абсолютно черного тела (АЧТ) изотермический режим с минимальной температурой T_min работы платы, и определяют поле излучательной способности поверхности платы при минимальной температуре T_min работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения I_min и I_{0 min} каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности ε_min для каждого пикселя теплового портрета платы, устанавливают в камере с планарно размещенными платой и моделью АЧТ изотермический режим с максимальной температурой T_max работы платы и определяют поле излучательной способности поверхности платы при максимальной температуре T_max работы платы, для чего последовательно измеряют интенсивность излучения I_max и I_{0 max} каждого пикселя теплового портрета платы и модели АЧТ, соответственно, и вычисляют величину излучательной способности ε_max для каждого пикселя теплового портрета платы, по средней величине между ε_min и ε_max определяют поле средней по температуре излучательной способности ε поверхности платы, формируют градуировочную характеристику по модели АЧТ в условиях измерения поля температуры по поверхности печатной платы и получают зависимость интенсивности излучения I₀ модели АЧТ от ее температуры T₀, устанавливают номинальный энергетически устойчивый режим работы платы, измеряют интенсивность излучения I каждого пикселя теплового портрета платы, переходят от поля излучения к полю температуры T по поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства, при котором для каждого пикселя интенсивности излучения I определяют равную интенсивность I₀ модели АЧТ и по градуировочной характеристике определяют температуру T₀ модели АЧТ по уравнению

,

где ε - излучательная способность пикселя теплового портрета платы, λ₁ - минимальная длина волны оптико-электронной системы (ОЭС), λ₂ - максимальная длина волны ОЭС, м⋅Κ, T - температура пикселя, ε₀ - излучательная способность модели АЧТ, T₀ - температура модели АЧТ,

и рассчитывают температуру T для каждого пикселя теплового поля платы.