CN1246180A - 红外线筛选和检测系统 - Google Patents
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Abstract
一般使用红外线探测器检验印刷电路卡,其结果的空间分辨率和重复性很差,使得这些设备不能获得商业成功。本系统克服了这些问题,它包括:等热壳装置(1)用于收纳要检测的卡(33);在等温室(32)中的红外摄像装置(94);在等温室(32)中的传感器装置(109、110)用于监测所述样品的温度和所述等温室中的环境温度状况,并产生表示这种温度的信号;以及与摄像装置(94)和传感器(109、110)相连的计算机(96),用于检验所有信号来产生样品(33)的三维图象,样品与样品在图象中的变化表示出样品的异常。
Description
本发明涉及红外线筛选和检测系统，特别是本发明涉及使用红外线技术检测电路卡组件的系统。虽然该系统是专门设计用于筛选和检测电路卡组件的，但应当理解该系统也可用于检验其它的工件。
人们一直在研究红外线技术，并一直致力于将该技术用于检测电路板和其它制造的产品，例如在加拿大专利申请No2,015,162由RobertBisnop在1990年4月23日提出及美国专利No5,250,809由S.Nakata等在1993年10月5日获得和美国专利No5,294,198由Jerry G.Schlaghack在1994年3月15日获得。在这些文件中都有所叙述。
由于种种原因，在检测产品中使用红外线技术在制造业中没有获得良好认同。这些原因包括不能获取有意义的数据及可重复性差。总的来说，过去的红外线探测器的空间分辨率不足以采集有效的数据，红外线非常易于漫辐射和漫反射，并且由于这种状况被忽略使得重复性很不好。而且各个制造商的电路板和卡都具有不同的辐射值，这种差异是由于产品中使用的塑料或其它材料的不同所导致，并且与颜色是无关的，因为颜色在红外频谱中几乎无影响，在任何情况下，早期的系统的从一个组件到另一个组件是很差的。
本发明的目的，是以一种相对简单的红外检测系统，提供一种解决上述问题的方案。该系统能够从相对较小的区域获得数据，并且具有从一个物品到另一物品较好的重复率。
因而，本发明涉及的红外检测和探测系统包括：
a.等温壳装置，确定了用于接纳被检测样品的等温室；
b.在所述等温室中的支撑装置，用于支撑受检测的样品；
c.在所述等温室中的红外摄像装置，用于监视样品的红外线辐射，并产生表示样品所有区域温度的信号；
d.所述等温室装置中的传感器装置，用于监测所述样品的温度和所述等温室中的环境温度条件，并产生表示这样的温度的信号；及
e.与所述摄像装置相连和传感器装置相连的计算机装置，用于检验所有的信号，产生样品的三维图象、样品与样品之间图象的变化，表示样品中的异常。
下面参考叙述本发明最佳实施例的附图，详细讲述本发明，其中：
图1是等温壳的立体图，用于本发明设备；
图2是图1所示的壳的正面局剖图；
图3是图1和图2所示壳的剖面图；
图4是用于图1-图3中所示壳中的印刷电路卡支撑板的俯视图；
图5是轴套和样品支撑板的侧视图；
图6是本发明系统中使用的样品支撑托架的分解等视图；
图7是图6中托架的正视局剖图；
图8是本发明设备中使用的等温室第二实施例的剖面图；
图9是图8中等温壳中使用的角柱正视图；
图10是图9中柱的俯视图；
图11是图9和图10中的柱的一端等视图；
图12是沿图8中X11-X11线的剖面图；
图13是沿图8中X111-X111线的剖面图；
图14是本发明系统中使用的控制电路的方框图；
图15是说明图14电路工作的方框图。
参考图1至图3本发明设备中使用的等温壳一般标为1包括外壳和内壳2和3，通常是平直四方形。外壳2由底壁4、顶壁5和侧壁6、前壁7、后壁8定出。支脚9设置在底壁4的各角附近，用于在平壁上支撑壳2，脚9有些柔性，并有内凹的反碗形，这样壳可以与其它情况相比减少震动。同样内壳3(图2，3和8到10)由底壁10、顶壁11、侧壁12、前壁13和后壁14定出。
通风槽孔15设置在外壳2的侧面6和前面7的底部附近，使空气可以在内外壳2和3之间流动。槽15由安在槽中的隔栅16部分的封闭。在内外壳2和3的侧面和端面之间设有钢丝垫17型式的吸热器(图3)，其依据目标印刷电路卡的特性设置。通过安置在外壳2的顶面8上的圆形开孔19(图1)中安置4个风扇18(图2)排除壳2和3之间区域的热。进入壳，是通过前面7上的门20获得的。门20通过在门一侧钢琴铰链21连接到前面7。把手22和旋转检锁23(图3)设置在门20的另一侧。如图3中所示门20包括框24，框24嵌入第二框25，第二框25在外壳2和内壳3的前面13的开口26(图2)的侧面之间延伸。框24和25具有纵向延伸的通道28，它与关着的门对直。用于促进壳2和3之间空气的流动。矩形面板29确定门20的外表皮。
外壳2中的四个杆30，从外壳3的角附近穿过，用于将内壳安置在外壳之中。杆30从外壳2的底面4延伸到顶面5完全穿过内壳3，杆30可滑动的支撑内壳3中等温室32中的样品接纳板。在这种情况中，样品是印刷电路板或卡33(图4和图5)的检测缺陷。板31通常是矩形的，由Bakelit商品产品形成。轴套34和35由塑料形成(例如Telfon-聚四氟乙烯的商标)安装在板31的每个角上，用于将板31可滑动的支撑在杆30上，凸轮形的栓锁37设置在轴套34上用于可释放的将锁定在杆30的一个位置上。
在板31上轴向延伸的槽孔38设计成接收托架或定位块39，用于在板31上正确的定位印刷电路板卡33。使用多个槽孔38可以使具有各种尺寸和形状例如矩形和圆形的电路卡33定位在板31上。参考图6和图7，每一个托架39包括带有壁架42的上部块41。壁架从块41的前部底端向外延伸，用以支撑印刷电路卡33的一个边。凸块或滑块43从块41的底部向下延伸，进入板31的槽38中。盘状的支脚45用螺栓46安装在板31的下面，螺栓41延伸进块41的螺纹孔41中螺栓46插入在支脚45柱形凹形49中并向上通过矩形凸块或滑块50进入凸块43。这样滑块43和50在槽38中相互相对。螺旋弹簧52安装在螺栓46上，弹簧52在凹部49的上端部被夹在螺栓46的螺帽53和螺栓上垫圈54之间。由于这种结构，支脚45可以向下拉来抵抗弹簧的偏置，托架39便可沿槽38滑动以改变托架39的位置。
在应用中，印刷电路卡33通过在槽38中适当定位托架被安装多个托架39上。板31垂直位置使用凸轮栓锁37，在等温室32中被调节。当栓锁39释放开，沿杆30竖直滑动到所需位置，栓锁再次锁定将板31定位。
图8至图13描述了第二个实施例，在图8到图10中凡可能的地方相同的标号用来表示图1至图5中相同或类似的元件。
第二实施例等温壳分别包括：内外壳2和3，内外壳使用实心的延伸的铝角柱通常表示为60来组装成。角柱60包括内外拱形壁61和62分别由侧壁64和中间隔板65相连，侧壁64包括L形端部66限定纵向延伸的槽67，用于接纳内外壳2和3的侧面和端面。隔板65包括一对扩大的区域或条69，其中包括通道70和71用于接纳螺栓(未示出)。
如图9和图11所示，角柱60的内侧是凹的，也就是内壁62和与它相连接的隔板65的一部分被切掉，形成底壁架72和顶壁部73。内壳3的底面10的各角滑动进入4个角柱60的角壁架72并通过螺栓(未示出)与之连接，螺栓通过这样的底面进入柱60的最内通道70。类似的内壳的顶面11的各角，依靠4角柱60的臂部73安置并通过螺栓固定其中，螺栓通过上顶面进入最内通道70。
限定内外壳2和3的侧面和端面的面板放置在适当的槽67中。外壳2的上部和底部面通过螺柱(未示出)连接到角柱60，螺栓伸出的部分进入最外通道71。
参考图8、12、13，在等温壳第2实施例中，电路卡保持架是开放的矩形框75，分别由侧面76、前后端77、78限定出。一对线性轴承80设置在框75的后端78上，用于滑动的安置框在一对导轨上，导轨由内壳3的上部和底部板82和83之间延伸的杆81确定。
框75通过底板83的底中心上的可逆转电机，可沿柱81垂直移动，电机85通过连接器87连接到丝杆86上，轴86通过推加轴承88、89被支撑安装在顶板82和一个角形的托架90上，托架90在内壳3的底部附近，丝杠86通过框75的后端78的中部上的内螺纹套筒91。当电机85被启动时，丝杠86旋转使框架在图10中实线所示的低位置和示意表示的高位置移动。框架75垂直移动受到安装在内壳3的后壁14上的一对限制开关92的限制。这样框75和由它所载的卡33可被精确定位在等温室32中。
由于印刷电路卡33定位在室32中，卡准备检测确定它是否有任何缺陷，为此目的，红外摄像机或辐射仪78安装在外壳2的顶面的中间，摄像机94延伸通过内外壳2和3顶面之间的空间进入等温室32的顶中部。摄像机94实际上是红外聚焦平面阵列辐射成像器。适宜装置是IRRIS-256S可从Ohio，Mason的康奈狄格电子公司得到。摄像机94提供温度信号馈给本发明的控制电路。
参考图14，在将测试的单元33(印刷电路卡)放入等温室32之前，该卡由条形码阅读器扫描，阅读器95获得必要的信息，即板的类型、型号和其它用来建立正确的测试顺序的其它参数，该信息与摄像机94的信号一同馈给主计算机96。
计算机96通过将数字信号送至多功能输入输出装置97启动测试。第一信号99是测试或板安全信号。该信号在100脉冲化。并且发生定时的事件101，定时事件101关闭主电源，支持中继102并将电压脉冲通过测试单元固定装置103传给测试单元33，脉冲持续少于30毫秒。这个予测试组件以脉冲方式向系统提供主功率。在这一点上，系统查找任何非正常的热读取电路，如果一个缺陷被探测到，测试就中断，并对使用者报警，避免损害系统。
摄像机94所需的并传送给计算机96用于处理的脉冲电能被存贮在成矩阵形式的ROM中104，然后传递给硬盘105，用于使用软件106进行后处理并显示在CRT 107上，计算机96还响应存贮在ROM 108中存贮的信息。在处理期间计算机96通过分别与等温壁和测试单元固定架104相连的热偶109和110获取环境数据。温度测量数值由温度监测器装置111处理，这些元件确保系统总是知道环境温度中的任何变化。恒定温度的监测确保使室32中和卡固定支架111的热不能升到软件算法对热变化不正确的点位。
如果没有观测到异常，计算机96就启动卡33的测试，计算机96将获取6个环境卡图象(无源)并在RAM 105中存贮图象，计算机96然后启动卡测试的整个序列，通过A/D转换器提供各种电压或所需信号。系统通过结合有中继器115、116和117的开关断接盒113提供各种电压。所施加的信号是激励组件装置整个功能状态所需各种电压或信号。在该定时事件期间，计算机96获取以特定的间隔的数据，并将数据存贮到RAM105中，在每一点计算机以最小三个阵列获取数据，数据阵列是摄像机或辐射仪84的每个元件的热值，这三个阵列被平均以去除噪声。在完成了该操作周期时，计算机96关闭对卡33的互锁电源和/或信号。
然后对该阵列执行软件功能和算法，以确定测试单元或卡33的状况。数据结果被汇编进分析和报告118并通过网络119和服务器120发出，服务器数值然后被在可通过条形码读取器95扫描卡或通过手工输入类型和序列号由任何重做/修正的工作站111获得。
上述各元件的电源来自于主电源，即通过开关123的120伏交流线。开关123包括主电源开关124、互锁开关125和应急开关126。互锁开关125安装在门20上，如果门是开的，就与主电源断开。应急开关126由用户操作门18旁边的外壳2的前面上的按钮127(图1和图2)来操作。开关126是为了操作者安全的应急关断开关。在任何时候，操作者可以点按按钮127关断机械部分包括风扇等所有电源。
一般来说，系统的操作如下。操作者通过闭合主电源开关124，将电源施加给系统，这样电源就加到整个设备，包括红外摄像机94、风扇30、螺钉固定装置104的床以及计算机分析系统。在系统被驱动以后，系统进入准备状态，历时十分钟，使摄像机94和等温室32在测试开始之前处于正确地状态。当操作打开观测门20，联锁开关125从螺钉固定装置104关断电源，关断所有风扇30。操作者然后将电路板33放入板31或框75上。卡与支架104和摄像机94使用托架39或卡上的调整孔和框75的调整销(未示出)进行对正。操作者关闭门，由此计算机96检测互锁，用户然后可以开始检测。完成之后，计算机96提醒用户检测已完成卡33可被移出，插入新的。
如图15中示意性描述控制的电路所使用的软件操作如下：
操作者首先定义数据库管理系统(定义的AOI和类放置DBMS)中的类放置和总的相关区域，这是通过观察CRT 103上的电路卡32的图象和描绘每一个被筛选/检测装置周围的方框而完成的。划方框的操作是通过将鼠标放在X1和Y1，并持续按下鼠标按钮直到选定框围绕卡到达位置X2、Y2为止。在释放鼠标按钮之后用户要输入卡的ID和其它用户可选数据，每一个卡的选取和识别登记到专门板型DBMS数据库管理系统，并在任何时候可由操作者进行修改。一旦DBMS被定义，操作者就将定义I/O序列。该序列以1/60秒导通或关闭达用户特定次数，还要定义电源施加的整个期间和摄像机94获得数据所需间隔时间。这些步骤完成了特定电路卡数据管理系统的初始化。下一步是建立卡33的标准数据库。加载卡33，获取环境图象，然后该图象被标准化并扫描出变化的辐射值存入硬盘。在图象获取和存贮之后，计算机96将启动检测/显示过程，计算机96以特定的间隔获取图象，将原始数据存入一个盘中，在完成这个序列之后，计算机关断电源和信号，提醒用户移出该卡，插入新的。
计算机96然后对新获取的数值进行后处理并执行红外噪声消减级次滤波以及热卷积级次滤波，并将数据存贮。在最小20个装置进行了该过程之后，用户启动建立功能，在该过程中，计算机96产生平均和上下控制界线值。将新获取的图象数据与统计的数据库管理系统(DBMS)比较，并进行Delta分析。
在分析当中，计算机96将分析每一屏和IR象素并进行数据的代数减法，在该过程中噪声可能引入系统，为了消除噪声使用近似循环相近卷积和噪声滤波器。并对任何异常的象素进行标准化达到它们最近的周围相邻值，计算机然后进行整体∑分析，如果发现任何卡不在容限之内，系统就在监视器108上指示通过或不通过。如果不通过，图象就经受另一分析以识别卡和/或异常的位置，产生最终报告，报告包括：卡的识别如型号、序号、修改号、操作ID数据和状况，也就是容限外的各因素。
Claims (8)
1.一种红外检测和探测系统，包括：
a.等热壳装置(1)，定出接纳待检样品(33)的等温室(32)；
b.在所述等温室(32)中的支撑装置(31)，用于支撑样品(33)检测；
c.在所述等温室(32)中的红外摄像装置(94)，用于监视样品的红外辐射并产生表示样品(33)所有区域温度的信号；
d.在等温室(32)中的传感器装置(109、110)，用于监测所述样品的温度和所述等温室(32)中的环境温度状况，并产生表示这种温度的信号；以及
e.与所述摄像装置(94)和所述传感器装置(109、110)相连计算机装置(96)，用于检验所有信号，产生样品(33)的三维图象，样品与样品在图象中的变化表示样品异常。
2.根据权利要求1的系统，其中所述等温壳装置(1)包括外壳装置(2)，在所述外壳装置(2)中并与其相距的内壳装置(3)以及在所述外壳和内壳装置之间排除热的空调装置。
3.根据权利要求2的系统，其中所述空调装置(16、18、19)包括在所述外壳装置(2)的顶部和底部的通孔装置(19、16)，用于在所述外壳与内壳装置之间输入或排出空气；和气扇装置(18)，用于在所述外壳与内壳之间强迫排出空气。
4.根据权利要求2的系统，其中所述支撑装置(30、31、75)包括板装置(31)，可在所述内壳装置(3)中垂直移动；和所述板装置上的托架装置，用于将样品安置在所述板装置(31)上随之移动，从而允许样品(33)的位置相对于等温室(32)中的所述摄像机装置(94)改变。
5.根据权利要求2的系统，其中所述支撑装置(30、31、75)包括框装置(75)可在所述内壳(3)装置中垂直移动，用以在等温壳(1)中支撑样品(33)，所述摄像装置(94)位于所述外壳装置(2)顶壁(5)上并深入进行所述内壳(3)的顶部。
6.根据权利要求5的系统，包括滑动装置(80、81)，可在所述内壳装置(3)中滑动支撑所述框装置(75)；和驱动装置(85)，用于相对所述摄像装置(94)移动所述框装置(75)。
7.根据权利要求5的系统，其中所述驱动装置(85)包括在所述框装置(75)上的内螺纹轴套装置(91)；螺纹杆装置(86)延伸通过并与所述轴套装置(91)啮合；和可逆转电机装置(85)用于旋转所述杆装置(86)从而使所述轴套装置(91)和所述框装置(75)在所述等温室(32)中相对于所述摄像装置(94)移动。
8.根据权利要求1的系统，其中所述传感器装置(109、110)包括在所述等温室(32)中的第一热偶装置(110)，连接于所述计算机装置(96)，并适于与样品(33)连接，产生表示样品温度的信号；和在所述等温室(32)中的第二热偶装置(109)，用于监测所述室(32)中的环境温度并产生表示所述环境温度的信号，确保温度在予定可接受的界限范围之间。
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