CN103399248A - Pcb电路板缺陷批量检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PCB电路板缺陷批量检测系统，包括：红外热像仪，采集被检测PCB电路板的红外辐射能量并输出相应的红外图像；黑体，为目标温度测量提供基准；检测平台；压力传感器；图像格式转换模块；电源及控制模块，提供被检测PCB电路板的激励信号，并控制红外热像仪的工作；计数及计时模块，对被检测PCB电路板进行计数编号并记录被检测PCB电路板的激励信号持续时间；分析平台，分析处理被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像和温度信息，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表；本发明通过获取被测PCB电路板通电时的红外图像，自动检测多种电路故障，检测故障范围广，实现了全自动快速持续检测。

Description

PCB电路板缺陷批量检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其是一种PCB电路板缺陷批量检测系统和方法。

背景技术

几乎所有基于集成电路的电子设备，为了电子元器件之间的电气互连，都要使用印刷电路板（PCB）。大规模生产电子设备时，需要在印刷电路板上焊接大量元器件，其中往往存在电路故障，包括短路、开路和接触不良等电路故障和元器件质量问题引起的器件故障，需要经过严格的测试，确保没有电路故障的存在才可以投向市场。

常规的电路故障检测主要通过测量电路中关键点、线的必要参数，包括电压、电流、阻抗及元器件等，结合电路原理仔细分析，才能诊断出电路的故障部位。检测耗时长，而且对检测人员的专业技能要求高；尤其是接触式检测，在测量时必然会影响电路的分布参数，因而不能准确检测某些高频电路故障。

为了克服常规电路故障检测方法的不足，人们开始尝试非接触式检测方法。

由焦耳-楞次定律可知，导体通过电流的时候会发出热量。印制电路板在通电激励状态下，每一个元件中都会通过一定的电流，耗能电子元件包括电阻、集成电路等都会发热，具有一定的温度，并产生红外辐射。根据斯忒藩-波耳兹曼定律可知，物体对外辐射的能量与物体绝对温度的四次方成正比。当元器件出现故障时，温度就会产生异常，从而使其红外辐射发生变化。我们可以用元器件工作时候的热辐射量来表征元器件的工作状态。通过红外CCD对通电激励状态下的电路板拍摄红外热图像。如果电路中存在故障，那么得到的红外热图像就会与正常工作状态下的红外热图像有差异。与正常状态下的红外热图像进行对比，就可以快速、准确的确定电路故障位置。现有的基于红外热图像的PCB电路检测方法，有使用脉冲热加载装置对被检测焊点进行热加载，同时用红外热像仪对热加载过程中被检测焊点的表面温度进行连续采集，得到序列热像图，从中提取热加载前后温度场的变化曲线，以此确定焊点是否虚焊（中国专利CN101614688B）。该方法只能检测电路板在外部热源激励下的虚焊情况，不能完成电路板在正常上电情况下的由红外热效应体现的各类故障排查、质量保证，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种PCB电路板缺陷批量检测系统和相关的检测方法，该系统可以在生产线上通过获取被测PCB电路板通电时的红外图像，自动检测多种电路故障，包括短路、开路和接触不良等电路故障和元器件质量问题引起的器件故障；挑选出故障电路，并输出故障所在区域，形成统计报表，实现自动化生产批量检测。不会因为检测到故障电路停止检测，而是记录在统计报表中，实现快速、准确、自动检测。本发明采用的技术方案是：

一种PCB电路板缺陷批量检测系统，包括：

红外热像仪，采集被检测PCB电路板的红外辐射能量并输出相应的红外图像；

黑体，为目标温度测量提供基准；

检测平台，用于放置被检测PCB电路板和黑体；

压力传感器，设置在检测平台的PCB电路板待检测区域，用于感知采集被检测PCB电路板的放置、拿起状态，辅助计数及计时模块完成被检测PCB电路板的计数编号和检测时间长度的确定；

图像格式转换模块，将红外热像仪输出的红外图像转换格式以满足分析平台的图像格式，并输出转换后的红外图像；

电源及控制模块，提供红外热像仪和图像格式转换模块工作所需电源，以及被检测PCB电路板的激励信号，并控制红外热像仪的工作；

计数及计时模块，通过压力传感器的辅助对被检测PCB电路板进行计数编号并记录被检测PCB电路板的激励信号持续时间；

分析平台，用于获取被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像，通过黑体提供温度基准标定得到红外图像所包含的温度信息；分析处理被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像和温度信息，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表。

进一步地，所述分析平台具体包括：

监测模块，针对被检测PCB电路板的激励信号启动时，监测被检测PCB电路板的热分布，判断被检测PCB电路板是否存在短路故障；

图像预处理模块，用于将获取的被检测PCB电路板的红外图像进行滤波去噪；

故障智能分析模块，对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息；

统计报表，用于存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的故障信息；

数据库，预存PCB电路板通电状态下的正常红外图像模板、正常工作温度阈值、关键器件所在区域的温度曲线模板。

进一步地，所述红外热像仪包括红外镜头和红外机芯。

一种PCB电路板缺陷批量检测方法，包括以下步骤：

(a).对被检测PCB电路板提供激励信号，持续一个较短时段，随即停止激励信号，采集被检测PCB电路板在该较短时段内的红外图像；所述较短时段的持续时间为0.5s-1s；

(b).将上述较短时段内的红外图像转换格式以满足分析平台8的图像格式，并输出转换后的红外图像；

(c).监测上述较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，若是，则存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的短路故障信息，并进行下一PCB电路板的检测过程；若否，则继续步骤(d)；

(d).重新对被检测PCB电路板提供激励信号，该激励信号持续时间达到预先设定值时，采集被检测PCB电路板的红外图像，并进行格式转换后输出；

(e).将获取的被检测PCB电路板的红外图像进行滤波去噪的预处理；

(f).对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表；

(g).进行下一PCB电路板的检测过程。

进一步地，所述步骤(c)中，监测上述较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，具体包括：

(c-1).通过黑体2提供温度基准标定得到步骤(b)中转换后的红外图像所包含的温度信息；

(c-2).将步骤(b)中转换后的红外图像中的最高温度与短路温度阈值进行比较，若超过短路温度阈值则判定为存在短路故障，否则判定为不存在短路故障。

进一步地，步骤(e)中，所述滤波去噪的预处理包括中值滤波、小波变换。

进一步地，针对不同的应用场景，所述步骤(f)具体为：

(f-1).将获取的被检测PCB电路板的红外图像经过图像预处理后，与数据库中预存的该型号PCB电路板的正常红外图像模板进行灰度差值运算，如果某一区域的灰度差值超过设定的灰度阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号，并标注灰度差值超过灰度阈值的异常区域，将当前被检测PCB电路板编号、包含异常区域标注的红外图像存入统计报表。

或(f-2).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，当获取的被检测PCB电路板的红外图像中某一区域的温度超过数据库中预存的正常工作温度阈值时，将当前被检测PCB电路板编号、过热区域存入统计报表。

或(f-3).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，对被检测PCB电路板上关键器件选取检测区域，故障智能分析模块绘制关键器件所在检测区域随时间变化的温度曲线，与数据库中预存的关键器件所在区域的温度曲线模板对比，如差值和超过设定的差值和的阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号、故障关键器件的信息在统计报表中。

本发明通过非接触式测量，不会影响电路的分布参数，可以在不停止检测生产线的情况下实现持续快速检测，存储故障电路板编号和故障区域标注图像，对故障分析具有良好的指向性，检测故障范围广，可以检测短路、开路和接触不良等电路故障和元器件质量问题引起的器件故障。根据不同的检测要求，系统可适当调整使得应用场景更广泛。实现了生产线上全自动快速持续检测，节省大量人力和时间。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的分析平台组成示意图。

图3为本发明的实施例工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种PCB电路板缺陷批量检测系统，包括：

红外热像仪4，包括红外镜头41和红外机芯42，被检测PCB电路板的红外辐射能量由红外镜头41汇聚、光路调整被红外机芯42的传感器感知，红外机芯42将光信号转换成电信号，并且以模拟视频格式输出红外图像；

黑体2，设置在检测平台1上，为目标温度测量提供基准，可以由PC机通过通信接口设定其温度散热面辐射温度，其温度散热面设置在红外热像仪4成像视野内；PCB电路板激励条件下温度通常为20—50℃，可以以此设定黑体2温度，例如35℃；

检测平台1，用于放置被检测PCB电路板和黑体2；

压力传感器3，设置在检测平台1的PCB电路板待检测区域，用于感知采集被检测PCB电路板的放置、拿起状态，辅助计数及计时模块完成被检测PCB电路板的计数编号和检测时间长度的确定；

图像格式转换模块7，将红外热像仪4输出的模拟视频格式红外图像转换成数字信号格式，并将其通过USB口输出；可以通过图像AD转换芯片（如SAA7113H）和DSP芯片（如EM2860）实现；

电源及控制模块5，提供红外热像仪4和图像格式转换模块7工作所需电源，以及被检测PCB电路板的激励信号，并控制红外热像仪4的的红外镜头的启动与调焦；其中电源模块，可以利用直流电源、DC-DC芯片以及相应的开关电路实现；控制模块，可以采用嵌入式控制器（如8051单片机）实现；

计数及计时模块6，通过压力传感器3的辅助对被检测PCB电路板进行计数编号并记录被检测PCB电路板的激励信号持续时间，以保证激励信号持续时间与数据库中存储图像模板拍摄时激励信号持续时间相同，保证持续检测；其中计数模块用于对被测PCB电路板进行编号，保证持续检测，当被检测PCB电路板被放置在检测平台1上时，计数加一；计时模块用于与压力传感器3配合确定起始记录时间，记录被检测PCB电路板激励信号持续时间，以保证激励信号持续时间与数据库中存储图像模板拍摄时激励信号持续时间相同；

分析平台8，基于PC机的分析平台，用于获取被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像，通过黑体2提供温度基准标定得到红外图像所包含的温度信息，并进行实时监测、图像预处理、故障智能分析等功能，产生统计报表。该系统通过采集被检测PCB电路板在通电情况下的红外图像及温度信息，比对、分析、处理红外图像和温度数据，及时判断、得出被检测PCB电路板的故障信息，并可同时为短路引起的电路故障报警；

所述分析平台8的组成，如图2所示，具体包括：

监测模块：在针对被检测PCB电路板的激励信号启动时，开始监测被检测PCB电路板热分布。在经过一个较短时段的激励信号后，比如持续时间为0.5s-1s的激励信号，检测该PCB电路板中温度最大值，与正常PCB电路板在通电相同较短时段之后采集到的红外图像中温度最大值的基础上设定的温度阈值（定义为短路温度阈值）进行比较，如果超过短路温度阈值，则停止当前被检测PCB电路板的后续检测过程，并存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的短路故障信息。监测模块主要用来检查被检测PCB电路板中是否存在短路故障。

图像预处理模块：用于将获取的被检测PCB电路板的红外图像经过中值滤波、小波变换等进行滤波去噪后，以使处理结果满足故障智能分析要求；

故障智能分析模块，对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息。Matlab具有强大的数值运算、数据处理、系统分析、图像显示、符号运算的功能，图像预处理模块、故障智能分析模块均可采用Matlab实现。为了直观地观察，利用可视化，面向对象，事件驱动的Visual Basic进行界面开发。通过COM组件技术，将M函数转换成COM组件，在VB集成环境中直接调用。

统计报表，用于存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的故障信息。

数据库，预存PCB电路板通电状态下的正常红外图像模板、正常工作温度阈值、关键器件所在区域的温度曲线模板。

本发明的检测流程如下：

(a).对被检测PCB电路板提供激励信号，持续一个较短时段，随即停止激励信号，采集被检测PCB电路板在该较短时段内的红外图像；所述较短时段的持续时间为0.5s-1s；

(b).将上述较短时段内的红外图像转换格式以满足分析平台8的图像格式，并输出转换后的红外图像；

(c).监测上述较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，若是，则存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的短路故障信息，并进行下一PCB电路板的检测过程；若否，则继续步骤(d)；

上述监测较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，可通过下列步骤(c-1)和(c-2)实现：

(c-1).通过黑体2提供温度基准标定得到步骤(b)中转换后的红外图像所包含的温度信息；

(c-2).将步骤(b)中转换后的红外图像中的最高温度与短路温度阈值进行比较，若超过短路温度阈值则判定为存在短路故障，否则判定为不存在短路故障。

(d).重新对被检测PCB电路板提供激励信号，该激励信号持续时间达到预先设定值时，采集被检测PCB电路板的红外图像，并进行格式转换后输出；

(e).将获取的被检测PCB电路板的红外图像进行滤波去噪的预处理；所述滤波去噪的预处理包括中值滤波、小波变换；

(f).对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表；针对不同的应用场景，主要有三种故障智能分析方法，具体如下：

(f-1).将获取的被检测PCB电路板的红外图像经过图像预处理后，与数据库中预存的该型号PCB电路板的正常红外图像模板进行灰度差值运算，如果某一区域的灰度差值超过设定的灰度阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号，并标注灰度差值超过灰度阈值的异常区域，将当前被检测PCB电路板编号、包含异常区域标注的红外图像存入统计报表，便于后续确定具体故障；

该种方法主要用于检测PCB电路板的开路和接触不良故障。

(f-2).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，当获取的被检测PCB电路板的红外图像中某一区域的温度超过数据库中预存的正常工作温度阈值时，将当前被检测PCB电路板编号、过热区域存入统计报表；

该种方法主要用于从整体上检测PCB电路板的工作性能和稳定性。

(f-3).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，对被检测PCB电路板上关键器件选取检测区域，故障智能分析模块绘制关键器件所在检测区域随时间变化的温度曲线，与数据库中预存的关键器件所在区域的温度曲线模板对比，如差值和超过设定的差值和的阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号、故障关键器件的信息在统计报表中。

该种方法主要用于监测PCB电路板上关键器件的工作稳定性，即通过观测PCB电路板上选定的关键器件温度变化曲线来确保关键器件工作正常。

(g).最后进行下一PCB电路板的检测过程，可重复上述步骤(a)-(f)实现。

由上述PCB电路板缺陷批量检测系统和方法的介绍可看出，本发明具有下述特点：

1.采集被检测PCB电路板通电激励条件下正常通电时的红外热像。

2.将故障PCB电路板编号和故障区域标注图像记录在统计报表，在不停止检测生产线的情况下实现持续快速检测，并对故障分析具有良好的指向性。

3.采用中值滤波、小波变换等图像预处理方法，为故障智能分析提供了良好的技术分析手段，保证系统检测正确可靠。

4.检测故障范围广，可以检测短路、开路和接触不良等电路故障和元器件质量问题引起的器件故障。

5.实现了生产线上全自动快速持续检测，节省大量人力和时间。

Claims (9)

1.一种PCB电路板缺陷批量检测系统，其特征在于，包括：

红外热像仪(4)，采集被检测PCB电路板的红外辐射能量并输出相应的红外图像；

黑体(2)，为目标温度测量提供基准；

检测平台(1)，用于放置被检测PCB电路板和黑体(2)；

压力传感器(3)，设置在检测平台(1)的PCB电路板待检测区域，用于感知采集被检测PCB电路板的放置、拿起状态，辅助计数及计时模块(6)完成被检测PCB电路板的计数编号和检测时间长度的确定；

图像格式转换模块(7)，将红外热像仪(4)输出的红外图像转换格式以满足分析平台(8)的图像格式，并输出转换后的红外图像；

电源及控制模块(5)，提供红外热像仪(4)和图像格式转换模块(7)工作所需电源，以及被检测PCB电路板的激励信号，并控制红外热像仪(4)的工作；

计数及计时模块(6)，通过压力传感器(3)的辅助对被检测PCB电路板进行计数编号并记录被检测PCB电路板的激励信号持续时间；

分析平台(8)，用于获取被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像，通过黑体2提供温度基准标定得到红外图像所包含的温度信息；分析处理被检测PCB电路板在通电状态下的红外图像和温度信息，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表。

2.如权利要求1所述的PCB电路板缺陷批量检测系统，其特征在于，所述分析平台(8)具体包括：

监测模块，针对被检测PCB电路板的激励信号启动时，监测被检测PCB电路板的热分布，判断被检测PCB电路板是否存在短路故障；

图像预处理模块，用于将获取的被检测PCB电路板的红外图像进行滤波去噪；

故障智能分析模块，对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息；

统计报表，用于存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的故障信息；

数据库，预存PCB电路板通电状态下的正常红外图像模板、正常工作温度阈值、关键器件所在区域的温度曲线模板。

3.如权利要求1所述的PCB电路板缺陷批量检测系统，其特征在于，所述红外热像仪(4)包括红外镜头(41)和红外机芯(42)。

4.一种PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a).对被检测PCB电路板提供激励信号，持续一个较短时段，随即停止激励信号，采集被检测PCB电路板在该较短时段内的红外图像；所述较短时段的持续时间为0.5s-1s；

(b).将上述较短时段内的红外图像转换格式以满足分析平台(8)的图像格式，并输出转换后的红外图像；

(c).监测上述较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，若是，则存储当前被检测PCB电路板编号和红外图像及温度信息，以及被检测PCB电路板的短路故障信息，并进行下一PCB电路板的检测过程；若否，则继续步骤(d)；

(d).重新对被检测PCB电路板提供激励信号，该激励信号持续时间达到预先设定值时，采集被检测PCB电路板的红外图像，并进行格式转换后输出；

(e).将获取的被检测PCB电路板的红外图像进行滤波去噪的预处理；

(f).对获取的被检测PCB电路板的红外图像进行故障智能分析，得出被检测PCB电路板的故障信息并产生统计报表；

(g).进行下一PCB电路板的检测过程。

5.如权利要求4所述的PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，所述步骤(c)中，监测上述较短时段内的红外图像的热分布，判断是否存在短路故障，具体包括：

(c-1).通过黑体(2)提供温度基准标定得到步骤(b)中转换后的红外图像所包含的温度信息；

(c-2).将步骤(b)中转换后的红外图像中的最高温度与短路温度阈值进行比较，若超过短路温度阈值则判定为存在短路故障，否则判定为不存在短路故障。

6.如权利要求4所述的PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，步骤(e)中，所述滤波去噪的预处理包括中值滤波、小波变换。

7.如权利要求4所述的PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，所述步骤(f)包括：

(f-1).将获取的被检测PCB电路板的红外图像经过图像预处理后，与数据库中预存的该型号PCB电路板的正常红外图像模板进行灰度差值运算，如果某一区域的灰度差值超过设定的灰度阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号，并标注灰度差值超过灰度阈值的异常区域，将当前被检测PCB电路板编号、包含异常区域标注的红外图像存入统计报表。

8.如权利要求4所述的PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，所述步骤(f)包括：

(f-2).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，当获取的被检测PCB电路板的红外图像中某一区域的温度超过数据库中预存的正常工作温度阈值时，将当前被检测PCB电路板编号、过热区域存入统计报表。

9.如权利要求4所述的PCB电路板缺陷批量检测方法，其特征在于，所述步骤(f)包括：

(f-3).对被检测PCB电路板监控一段固定时间，期间激励信号一直存在，对被检测PCB电路板上关键器件选取检测区域，故障智能分析模块绘制关键器件所在检测区域随时间变化的温度曲线，与数据库中预存的关键器件所在区域的温度曲线模板对比，如差值和超过设定的差值和的阈值，则记录当前被检测PCB电路板编号、故障关键器件的信息在统计报表中。

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