CN117268578A - 一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置及方法。本发明中磷光寿命衰减测温技术采用三帧法，即磷光材料在经受紫外光激发后的辐射光响应的完全激发阶段、衰减阶段；平复阶段，运用低帧率的CDD相机拍摄三帧图像进行数据处理完成测温工作，成本较低、检测温度范围较大、只需要拍摄三帧检测图像，且数据处理过程更简单，响应速度较快，而无需使用高帧相机拍摄多张图像进行处理；并且在三帧图像中，包括一帧磷光材料辐射光平复阶段的图像，用于作为校正背景，提高了检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，特别地涉及一种基于磷光材料的无接触式的检测PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）板温度的检测装置和方法。
背景技术
固体表面温度的测量方法可以分为接触法和非接触法。接触法，由于有温度传感器与目标直接存在接触，会破坏目标的热平衡状态，改变其温度场，加大测温误差，且难以实现温度场实时测量。非接触测温法不会对被测体的温度场产生干扰，响应速度快，适合用于测量高温复杂环境下的物体表面温度。常用的非接触测温法主要以光学方法为主，包括辐射测温法和激光诱导磷光法。
当前PCB板可承受的最高温度一般在110℃左右，PCB板温度过高，会加速PCB板上许多电子器件的老化与损坏，从而影响整个PCB板的正常使用与使用寿命。因此，PCB板温度检测就变得越来越重要。对于PCB板，其上元件众多，结构相对复杂，且不同的元件发热量不同。现如今的PCB板温度检测，主要采用的是通过在PCB板各个关键部件上或其四周围安装温度传感器来实现温度的检测，该方法属于点接触式离散测温技术，只能够检测布置有温度传感器的部分的局部温度，难以准确地把握整个PCB板平面二维的温度信息、很容易忽略掉整个PCB板温度的最高值、无法获得PCB板温度的变化趋势、同时效率也比较低下。
辐射测温方法是一种非接触式的温度测量方法，红外热像仪是典型的辐射法成像测温装置，由于PCB板中存在各种不同类型的元件，不同元件表面的发射率难以测定，这种方法温度误差较大，难以实现电路板的复杂环境下的高精度温度测量。
磷光物质在受到紫外脉冲激光照射时电子会从基态跃迁到高能态，而当其从高能态跃迁回基态时，就会向外辐射光子，称为磷光。磷光材料是具有温度敏感特性的材料，磷光材料的磷光寿命与温度相关联，因此在紫外光照射下，通过标定磷光寿命与温度的关系，获得相应标定曲线，即可通过该标定曲线获得该磷光材料处的目标位置的温度信息。这种方法不受构件发射率和环境辐射信号的干扰，测量精确度高。
磷光材料测温技术中的寿命衰减法：它指的是一种根据磷光材料辐cc射光的衰减速度与温度成线性关系的原理特性而研究出的一种测温方法，现有技术中，需要通过高帧率相机拍摄大量数据绘制数据曲线图，成本较高，后期数据处理工作量较大，测量效率低下。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置及方法，以解决成本较高，后期数据处理工作量较大，效率低下的问题。
本发明提供一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置，所述装置包括：
紫外光源，用于发射激发光，激发待测物体表面涂覆的磷光材料，并使其发射磷光；
过滤装置，用于过滤掉至少部分激发光，并透过磷光；
采集装置，用于采集经过滤装置过滤的磷光信号；
光谱仪，用于获得采集装置采集的磷光信号，并转换为光谱数据；
时钟控制模块，用于记录紫外光源的激发时刻，并在多个预设时间间隔后，控制采集装置采集预设时间的磷光信号;
数据处理单元，用于对光谱数据进行分析、处理，获得待测物体表面的温度信息。
在一个实施方式中，所述采集装置为电荷耦合器件（Charge-coupled device，CCD）或互补金属氧化物半导体（Compementary MetalOxide Semiconductor，CMOS）。
在一个实施方式中，所述时钟控制模块，记录紫外光源的激发时刻，并以紫外光源的激发时刻为起点，经过t1的时间间隔后，控制所述采集装置采集第一磷光信号，采集时间为△t；经过t2的时间间隔后，控制所述采集装置采集第二磷光信号，采集时间为△t；经过t3的时间间隔后，控制所述采集装置采集第三磷光信号，采集时间为△t。
在一个实施方式中，所述磷光材料在经受紫外光激发后的辐射光响应主要分为四个阶段：第一阶段即上升阶段；第二阶段即完全激发阶段；第三阶段即衰减阶段；第四阶段即平复阶段；所述第一磷光信号为第二阶段的磷光信号，所述第二磷光信号为第三阶段的磷光信号，所述第三磷光信号为第四阶段的磷光信号。
在一个实施方式中，其检测方法包括如下步骤：
步骤1，使用紫外光源激发待测PCB板，所述待测PCB板表面涂覆有磷光材料；所述磷光材料在所述紫外光源的激发下，发出磷光；
步骤2，从紫外光源激发所述磷光材料后的第一时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第一磷光信号；通过第一磷光信号获得第一光强度I(1)；
步骤3，从紫外光源激发所述磷光材料后的第二时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第二磷光信号；通过第二磷光信号获得第二光强度I(2)；
步骤4，从紫外光源激发所述磷光材料后；的第三时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第三磷光信号；通过第三磷光信号获得第三光强度I(3)；其中，第三时间大于第二时间，第二时间大于第一时间;
步骤5，计算寿命函数ε；
步骤6，根据寿命函数ε与温度的关系，获得磷光材料覆盖处的待测PCB板的温度。
在一个实施方式中，第一光强度I(1) 通过公式获得；其中，I（max）为完全激发阶段光照强度，/>为采集时间。
在一个实施方式中，第二光强度I(2) 通过公示获得；
其中I（t）指衰减阶段不同时间t时的辐射光强度；τ 指衰减寿命；e为自然常数。
在一个实施方式中，第三光强度I(3) 通过公示；其中，/>为平复阶段光照强度。
在一个实施方式中，步骤5中，通过如下公式，计算寿命函数ε。
在一个实施方式中，本发明还提供了一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机执行的程序，当所述计算机程序被执行时，执行本发明中的基于磷光材料的无接触检测温度的方法。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：本发明通过采用磷光热敏涂层，在寿命衰减测温技术采用三帧法：可以运用低帧率的CDD相机拍摄三帧图像进行数据处理完成测温工作，成本较低、检测温度范围较大、只需要拍摄三帧检测图像，且数据处理过程更简单，响应速度较快，而无需使用高帧相机拍摄多张图像进行处理；并且在三帧图像中，包括一帧磷光材料辐射光第四响应阶段（平复阶段）的图像，用于作为校正背景，提高了检测的精度。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的基于磷光材料的无接触检测温度的装置的结构示意图；
图2显示了磷光材料辐射光响应阶段图示意图；
图3显示了寿命系数与温度的关系示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-紫外光源，2-待测PCB板，3-过滤装置，4-采集装置，5-光谱仪，6-光谱数据，7-数据处理单元，8-时钟控制模块。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
针对现有技术中磷光寿命衰减测温技术中，需要拍摄多帧图像进行数据处理，效率较低，响应较慢的问题，本发明提供了一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置及方法。
具体的，在一个实施例中，本发明提供了一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置。如图1所示，该装置包括：紫外光源1，用于发射激发光，激发待测物体表面涂覆的磷光材料，并使其发射磷光；过滤装置3，用于过滤掉至少部分激发光，并透过磷光；采集装置4，用于采集经过滤装置3过滤的磷光；光谱仪5，用于获得采集装置4采集的磷光信号，并转换为光谱数据；数据处理单元7，用于对光谱数据进行分析、处理，获得待测物体表面的温度信息；时钟控制模块8，用于记录紫外光源1的激发时刻，并在多个预设时间间隔后，控制采集装置4采集预设时间的磷光信号。
具体地，本发明提供了一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置。该装置包括：紫外光源1，所述紫外光源1用于发射激发光，通过对含有磷光材料涂层的待测PCB板2表面照射紫外光，所述紫外光激发光所述磷光材料涂层，在激发的过程中，磷光材料涂层的内部电子会跃迁到激发能级上，然后再以自发辐射的方式跃迁回基态，释放出光子并产生磷光发射，由此产生磷光辐射；过滤装置3，所述过滤装置3用于过滤掉至少部分非磷光辐射，使得通过过滤装置3后的磷光辐射占比更高，检测更准确。激发光通常波长更窄（如紫外线），而辐射光波长较宽，所以通过过滤器就可以过滤掉激发光，从而使采集装置4检测到PCB板磷光材料涂层的辐射光。时钟控制模块8，用于记录紫外光源1的激发时刻，并在多个预设时间间隔后，控制采集装置4采集预设时间的磷光信号。接着由数据处理单元7对光谱数据信息进行处理运算，由磷光材料涂层发光时辐射光衰减速度（寿命）的温度特性为基础，由此就可以计算出PCB板整个平面的温度信息。
在一个实施例中，所述采集装置4，可以为CCD、CMOS等成像单元。
在一个实施例中，过滤装置3为滤波器。
在一个实施例中，时钟控制模块8，记录紫外光源1的激发时刻，并以紫外光源的激发时刻为起点，经过t1的时间间隔后，控制所述采集装置4采集第一磷光信号，采集时间为△t；经过t2的时间间隔后，控制所述采集装置4采集第二磷光信号，采集时间为△t；经过t3的时间间隔后，控制所述采集装置4采集第三磷光信号，采集时间为△t。
在一个实施例中，所述数据处理单元7可以为计算机、FPGA (Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列）等具有数据处理能力的装置。所述数据处理单元7，通过预设的数据处理方法，可以将光谱数据进行处理获得待测物体的温度信息。
在一个实施例中，所述基于磷光材料的无接触检测温度的装置还进一步包括，结果呈现单元，所述数据呈现单元包括显示装置或打印设备、有线/无线数据传输装置。显示装置用于直接地将温度信息显示于显示装置；所述打印装置，用于将温度信息打印呈现；所述有线/无线数据传输装置，用于将温度信息，通过有线或无线的方式传输给用户终端，便于更方便的实施的观察温度信息。
在一个实施例中，所述温度信息包括，待测物体的温度分布地图，待测物体的温度最大值、最小值、平均值；通过在不同时间测量温度信息，还可以进一步获得温度的变化值，温度的变化率。
本发明还提供了一种基于磷光材料的无接触检测温度的方法。参见图2，显示了磷光材料辐射光响应阶段图示意图；横坐标为时间，纵坐标为磷光的强度。磷光材料在经受紫外光激发后的辐射光响应主要分为四个阶段：第一阶段即上升阶段；第二阶段即完全激发阶段；第三阶段即衰减阶段；第四阶段即平复（黑暗）阶段。上升阶段，即磷光材料经紫外光源1激发后，磷光材料会逐渐被激发，并发出磷光，经过一定时间的激发期，磷光材料的被完全激发，并发出最大强度的磷光，最大强度的磷光持续一段时间后，磷光会逐渐湮灭，磷光强度逐渐衰减。
本次发明方法在使用寿命衰减测温方法的基础上采用三帧法对材料的寿命函数进行计算，由此得到待测PCB板的测试温度，其检测方法为：
步骤1，使用紫外光源1激发待测PCB板，所述待测PCB板表面涂覆有磷光材料；所述磷光材料在所述紫外光源的激发下，发出磷光；
步骤2，从紫外光源激发所述磷光材料后的第一时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第一磷光信号；通过第一磷光信号获得第一光强度I(1)；
步骤3，从紫外光源激发所述磷光材料后的第二时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第二磷光信号；通过第二磷光信号获得第二光强度I(2)；
步骤4，从紫外光源激发所述磷光材料后的第三时间，使用采集装置4采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第三磷光信号；通过第三磷光信号获得第三光强度I（3）；其中，第三时间大于第二时间，第二时间大于第一时间；
步骤5，通过公式 ，计算寿命函数ε；
步骤6，根据寿命函数ε与温度的关系，获得磷光材料覆盖处的待测PCB板的温度。
在一个实施例中，所述第一磷光信号在所述磷光材料处于完全激发阶段时获取。所述第二磷光信号在所述磷光材料处于衰减阶段时获取。所述第三磷光信号在所述磷光材料处于平复（黑暗）阶段时获取。
在一个实施例中，通过多次的重复实验最终获得在不同温度下的寿命函数ε与温度的标定关系曲线。该标定曲线可以是事先通过实验获取的，或者是预先设置于数据处理单元中。
具体的，在一个实施例中，1、通过CDD照相机或其它相机用相同的曝光时间去捕捉磷光材料辐射光四个阶段的第二、第三、第四阶段的发光图像。2、通过分析三个阶段辐射光的光照强度与其寿命的数学关系求出寿命函数ε。3、当检测待测PCB板温度的应用过程中，重复步骤1和步骤2得到寿命函数，然后将其同寿命函数ε与温度的标定曲线进行比较，由此得到当前PCB板测试的具体温度值。
磷光材料的寿命函数ε计算的具体步骤如下：
S1：已知衰减阶段磷光材料辐射光强度与时间的关系式成指数关系，如式（1）所示：
式中I指辐射光光照强度，I(max)为完全激发阶段光照强度，I（t）指衰减阶段不同时间t时的辐射光强度，τ指衰减寿命。
S2：使用相机用相同采集时间△t获得第二阶段、第三阶段、第四阶段的图像的第一光强度I（1）、第二光强度I（2）、第三光强度I（3）。这三张图像的辐射光强度可以由式（2）、式（3）、式（4）所示计算得出， 其中，e为自然常数；为平复阶段光照强度。
⑵
⑶
⑷
S3：将I(3)作为背景噪声参数，使I(1)、I(2)精度提高，从而通过I(1)、I(2)的比值关系计算寿命函数ε。公式如式（5）所示：
⑸
寿命系数与温度的标定曲线如图3所示；横坐标为温度（℃），纵坐标为计算得到的寿命函数ε。该曲线通过多次的重复实验最终获得在不同温度下的寿命函数ε与温度的标定关系曲线。该标定曲线可以是事先通过实验获取的，或者是预先设置于数据处理单元中。
当获得寿命函数ε，即可通过寿命系数与温度的标定曲线，获得对应的温度值，即可获得待测PCB板的温度信息。
该方法通过在磷光材料经受紫外光激发后的辐射光响应的二、三、四阶段各获取一张图像，减少了采集的图像数量，提高了运算的速度，使得检测温度的效应更快；同时，在公式（5）中，使用了第四阶段的辐射强度作为背底校正，提高了检测的精度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于磷光材料的无接触检测温度的装置，其特征在于，所述装置包括：
紫外光源，用于发射激发光，激发待测物体表面涂覆的磷光材料，并使其发射磷光；
过滤装置，用于过滤掉至少部分激发光，并透过磷光；
采集装置，用于采集经过滤装置过滤的磷光信号；
光谱仪，用于获得采集装置采集的磷光信号，并转换为光谱数据；
时钟控制模块，用于记录紫外光源的激发时刻，并在多个预设时间间隔后，控制采集装置采集预设时间的磷光信号；
数据处理单元，用于对光谱数据进行分析、处理，获得待测物体表面的温度信息。
2.根据权利要求1所述的基于磷光材料的无接触检测温度的装置，其特征在于，所述采集装置为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体。
3.根据权利要求1所述的基于磷光材料的无接触检测温度的装置，其特征在于，所述时钟控制模块，记录紫外光源的激发时刻，并以紫外光源的激发时刻为起点，经过t1的时间间隔后，控制所述采集装置采集第一磷光信号，采集时间为△t；经过t2的时间间隔后，控制所述采集装置采集第二磷光信号，采集时间为△t；经过t3的时间间隔后，控制所述采集装置采集第三磷光信号，采集时间为△t。
4.根据权利要求3所述的基于磷光材料的无接触检测温度的装置，其特征在于，所述磷光材料在经受紫外光激发后的辐射光响应主要分为四个阶段：第一阶段即上升阶段；第二阶段即完全激发阶段；第三阶段即衰减阶段；第四阶段即平复阶段；所述第一磷光信号为第二阶段的磷光信号，所述第二磷光信号为第三阶段的磷光信号，所述第三磷光信号为第四阶段的磷光信号。
5.一种基于磷光材料的无接触检测温度的方法，采用如权利要求1-4任一项所述的基于磷光材料的无接触检测温度的装置，其特征在于，其检测方法包括如下步骤：
步骤1，使用紫外光源激发待测PCB板，所述待测PCB板表面涂覆有磷光材料；所述磷光材料在所述紫外光源的激发下，发出磷光；
步骤2，从紫外光源激发所述磷光材料后的第一时间，使用采集装置采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第一磷光信号；通过第一磷光信号获得第一光强度I(1)；
步骤3，从紫外光源激发所述磷光材料后的第二时间，使用采集装置采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第二磷光信号；通过第二磷光信号获得第二光强度I(2)；
步骤4，从紫外光源激发所述磷光材料后的第三时间，使用采集装置采集所述待测PCB板涂覆有磷光材料的表面图像，采集时间为，获得第三磷光信号；通过第三磷光信号获得第三光强度I(3)；其中，第三时间大于第二时间，第二时间大于第一时间；
步骤5，计算寿命函数ε；
步骤6，根据寿命函数ε与温度的关系，获得磷光材料覆盖处的待测PCB板的温度。
6.根据权利要求5所述的基于磷光材料的无接触检测温度的方法，其特征在于，第一光强度I（1）通过公式 获得；
其中，I（max）为完全激发阶段光照强度，为采集时间。
7.根据权利要求6所述的基于磷光材料的无接触检测温度的方法，其特征在于，第二光强度I（2）通过公示获得；
其中I（t）指衰减阶段不同时间 t 时的辐射光强度；τ指衰减寿命；e为自然常数。
8.根据权利要求7所述的基于磷光材料的无接触检测温度的方法，其特征在于，第三光强度I（3）通过公示；其中，/>为平复阶段光照强度。
9.根据权利要求8所述的基于磷光材料的无接触检测温度的方法，其特征在于，步骤5中，通过如下公式，计算寿命函数ε。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被计算机执行的程序，当所述计算机程序被执行时，执行如权利要求6-9任一项所述的基于磷光材料的无接触检测温度的方法。
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