CN211123136U

CN211123136U - 一种用于电路板温度场的测量装置

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Publication number: CN211123136U
Application number: CN201920865623.3U
Authority: CN
Inventors: 胡亚凡; 何宽芳; 姜永正; 廖贵文; 彭延峰; 李泽沛; 卢伟
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-06-11

Abstract

本实用新型公开了一种用于电路板温度场的测量装置，它包括XYZ三轴单挂龙门架单元、集成传感单元、电机驱动电路、电机控制电路、数据采集模块、模拟信号线、串行总线，所述集成传感单元固定在XYZ三轴单挂龙门架单元的X轴滑台上，集成传感单元的输入端采集印刷电路板热辐射信息，其输出端通过模拟信号线与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端通过串行总线与电机控制电路的输入端相连，电机控制电路的输出端与电机驱动电路的输入端相连，电机驱动电路的输出端与XYZ三轴单挂龙门架单元三个方向轴的步进电机的输入端相连。本实用新型采用步进电机驱动，实现了自动化检测印刷电路板温度场，并具有操作方便、测量精度高等优点。

Description

一种用于电路板温度场的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种温度场检测装置，具体涉及一种移动式印刷电路板温度场测量装置。

背景技术

热特性是影响印刷电路板可靠性最关键的一个因素。随着电子设计与制造技术的发展，电子及相关产业追求小型化、集成化、高频率和高运算速度，电子元器件和设备的单位面积或体积功率密度愈来愈高。印刷电路板的集成度也越来越高，单位体积内的热流密度随之越来越大，由此引发的热失效问题已经成为印刷电路板最常见的故障。相关数据表明，印刷电路板失效55%是由其工作负荷累积过高而引起的。著名的10℃法则指出，电子元器件发热效率随其工作温度升高呈指数增长，结温每升高10℃，其使用寿命约降低一半，故障发生率约增加一倍。国内外学者都试图在建立印刷电路板温度场分析模型时，能够全面的考虑影响印刷电路板及其周围环境的温度场分布的各种因素，以便真实的反映印刷电路板产生的热量散发情况，从而得到比较准确的印刷电路板温度场。目前大部分研究者主要采用热电偶、红外测温仪、光学高温计、CCD比色测温、声学法温度场检测技术、有限元模拟等方法对印刷电路板温度场进行研究，由于印刷电路板涉及的元器件较多，经过各元器件的电流与电压无法精确测量，并且电流经过元器件时，元器件的做功功率与发热功率的关系没有一个确定关系，在进行印刷电路板温度场分析计算时，利用了不少假设进行简化。故尽管国内外学者在这方面的研究比较多，但所有这些研究还是很难获得精确的测量数据。利用红外测温仪测温不准确，也不便于印刷电路板温度场的实时检测；利用CCD比色测温测温精度不高；利用有限元模型计算，温度场的计算靠假设值作为输入值而带来很大的误差。

发明内容

为了解决现有测量装置测量印刷电路板温度场过程复杂、测量精度不高的技术问题，本实用新型提供一种安装调试简便、运行可靠、测量精度高的用于电路板温度场的测量装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种用于电路板温度场的测量装置，它包括XYZ三轴单挂龙门架单元、集成传感单元、电机驱动电路、电机控制电路、数据采集模块、模拟信号线、串行总线，所述集成传感单元通过夹具固定在XYZ三轴单挂龙门架单元的X轴滑台上，集成传感单元的输入端采集印刷电路板热辐射信息，其输出端通过模拟信号线与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端通过串行总线与电机控制电路的输入端相连，电机控制电路的输出端与电机驱动电路的输入端相连，电机驱动电路的输出端与XYZ三轴单挂龙门架单元三个方向轴的步进电机的输入端相连。

进一步的，所述集成传感单元由红外镜头和红外焦平面探测器阵列组成。

进一步的，所述红外焦平面探测器阵列为非制冷红外焦平面探测器阵列。

进一步的，所述电机驱动电路采用专用电机驱动芯片L298N。

进一步的，所述串行总线包括但不限于RS232、RS485、RS422、MBUS中的任何一种串行总线。

进一步的，所述电机控制电路采用处理器STM32F103RBT6。

本实用新型相对现有技术产生的有益效果是：

1、本实用新型结构设计新颖，采用步进电机驱动，不需要人工移动红外热探测传感器，可实现自动化检测印刷电路板温度场，操作方便，智能简捷，安全高效。

2、本实用新型中的红外热探测传感器测温速度快、测温范围广、灵敏度高、对被测温度场无干扰、热惰性误差小和远距离测温准，可得到拍摄范围内比较清晰的温度分布云图，适合于快速反映印刷电路板中被测点温度的变化情况，并具有操作过程简便高效等优点，实现了检测装置较高的测量精度，同时能够实现对印刷电路板温度场的实时测量。

3、本实用新型测得印刷电路板的温度场云图使得观测变得形象直观，能够测得所拍温度差范围内任意一点的热循环曲线，极大地满足了研究人员对实验数据的需求。

4、本实用新型具有抗干扰能力强、结构简单、安装操作方便等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型中数据采集模块的原理框图。

图3为本实用新型中电机驱动电路的电原理图。

图4为本实用新型中电机控制电路的电原理图。

图5为本实用新型测得的热循环曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括由XYZ三轴单挂龙门架单元1、集成传感单元2、电机驱动电路3、电机控制电路4、数据采集模块5、模拟信号线6、串行总线7。所述集成传感单元2通过夹具固定在XYZ三轴单挂龙门架单元1的X轴滑台上，集成传感单元2的输入端采集印刷电路板热辐射信息，其输出端通过模拟信号线6与数据采集模块5的输入端相连，数据采集模块5的输出端通过串行总线7与电机控制电路单元4的输入端相连，电机控制电路单元4的输出端与电机驱动电路单元3的输入端相连，电机驱动电路单元3的输出端与XYZ三轴单挂龙门架单元1三个方向轴的步进电机的输入端相连。

本实用新型的工作过程是：本实用新型上电之后，将被测印刷电路板放置在集成传感单元2下方，在数据采集模块5设置集成传感单元2的XYZ三轴坐标，数据采集模块5通过串行总线7发送坐标到电机控制电路4，电机控制电路4将接收到的坐标转化为步进电机控制信号，发送给电机驱动电路3，电机驱动电路3将接收信息进行D/A转换、放大后，驱动XYZ三轴单挂龙门架单元1的步进电机，调节集成传感单元2处于待测印刷电路板正上方；集成传感单元2输入端采集待测印刷电路板热辐射信息，其输出端与数据采集模块5的输入端经模拟信号线6相连，基于数据采集模块5将采集到的图像信号进行滤波放大处理，再经过A/D转换，将图像模拟信号转化为数字信号，进行处理后，实时显示在LCD液晶屏上。再次设置集成传感单元2的XYZ三轴坐标，移动集成传感单元2，重复上面系列操作，实现印刷电路板温度场实时检测。

参见图2，图2所示为本实用新型中温度场检测的原理框图。它由集成传感单元2和数据采集模块5组成，数据采集模块包括滤波器、前置放大器、A/D转换器、数据处理单元、存储单元、LCD液晶显示屏、RS232接口，滤波器、前置放大器、A/D转换器依次串接连到数据处理单元，存储单元、LCD液晶显示屏、RS232接口分别与数据处理单元相连接。集成传感单元2由红外镜头和红外焦平面探测器阵列组成，集成传感单元2采集物体的红外辐射光经过红外镜头聚焦在集成传感单元2的焦平面探测器上，并在焦平面敏感元上成像，红外热敏感元件接受到红外辐射信号发生相应的反应，将光信号转换成电信号，电信号经过ROIC（硅读出电路）传输至CCD；CCD将接受到的电信号通过输出电路多路传输至前置放大器，前置放大器进行信号放大，经放大和滤波后的信号被传送至A/D转换器，由A/D转换器将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数字信号被送到数据处理单元中，对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，转换成为热成像仪所支持的图像格式、分辨率，然后被存储为图像文件并通过LCD液晶显示屏显示。

图3为本实用新型的电机驱动电路3原理图，它以两片专用步进电机驱动芯片L298N为核心，并由稳压二极管作为辅助电路实现。L298N是意法半导体公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接步进电机。以X轴步进电机为例进行说明，Y轴和Z轴步进电机控制类似。IN_X1和IN_X2控制X轴步进电机，IN_X1输入高电平1，IN_X2输入低电平0，X轴步进电机正转，集成传感单元(2)在X轴方向作正向移动，IN_X1输入低电平0，IN_X2输入高电平1，X轴步进电机反转，集成传感单元(2)在X轴方向作反向移动。PWM_X为方波信号，控制X轴步进电机的转速；改变PWM_X信号高电平的占空比，可调节X轴步进电机转速，改变集成传感单元(2)在X轴方向移动速度。

图4为本实用新型电机控制电路4原理图，电机控制电路4以STM32F103RBT6为控制核心，将坐标信号转换为相应的步进电机控制信号。STM32F103RBT6单片机是ST公司出品的一款以ARM Cortex-M3为内核，主频达72MHZ的单片机，内部包含128KB的Flash和20KB的RAM，64引脚的LQFP封装，具备3个UART。X1_OUT、X2_OUT、X_PWM为X轴步进电机控制信号，Y1_OUT、Y2_OUT、Y_PWM为Y轴步进电机控制信号，Z1_OUT、Z2_OUT、Z_PWM为Z轴步进电机控制信号。X1_OUT、X2_OUT、Y1_OUT、Y2_OUT、Z1_OUT、Z2_OUT为STM32F103RBT6的普通IO口，X_PWM、Y_PWM、Z_PWM为STM32F103RBT6的定时器方波输出口。

图5为本实用新型测得的印刷电路板温度场内一点的热循环曲线图，可以读取所选点任一时刻的温度变化情况；在印刷电路板瞬态温度场测量的基础上，可以获得任意一点的热循环曲线及任一时刻的温度场分布云图，为印刷电路板散热分析与仿真计算提供基础数据。

本实用新型采用将红外集成传感单元固定在单挂龙门架上，将印刷电路板放置在下方进行印刷电路板温度场测量，设备简单，操作简便，测量准确，可实现自动化操作；本实用新型具有抗干扰能力强、结构简单、安装操作方便、自动化运行检测等特点。

Claims

1.一种用于电路板温度场的测量装置，其特征在于：包括XYZ三轴单挂龙门架单元(1)、集成传感单元(2)、电机驱动电路(3)、电机控制电路(4)、数据采集模块(5)、模拟信号线(6)、串行总线(7)组成；所述集成传感单元(2)通过夹具固定在XYZ三轴单挂龙门架单元(1)的X轴滑台上，集成传感单元(2)的输入端采集印刷电路板热辐射信息，其输出端通过模拟信号线(6)与数据采集模块(5)的输入端相连，数据采集模块(5)的输出端通过串行总线(7)与电机控制电路(4)的输入端相连，电机控制电路(4)的输出端与电机驱动电路(3)的输入端相连，电机驱动电路(3)的输出端与XYZ三轴单挂龙门架单元(1)三个方向轴的步进电机的输入端相连；所述集成传感单元(2)由红外镜头和红外焦平面探测器阵列组成；所述红外焦平面探测器阵列为非制冷红外焦平面探测器阵列。

2.根据权利要求1所述的用于电路板温度场的测量装置，其特征在于，所述电机驱动电路(3)采用专用电机驱动芯片L298N。

3.根据权利要求1所述的用于电路板温度场的测量装置，其特征在于，所述串行总线(7)包括但不限于RS232、RS485、RS422、MBUS中的任何一种串行总线。

4.根据权利要求1所述的用于电路板温度场的测量装置，其特征在于，所述电机控制电路(4)采用处理器STM32F103RBT6。

5.根据权利要求1所述的用于电路板温度场的测量装置，其特征在于，所述数据采集模块(5)包括滤波器、前置放大器、A/D转换器、数据处理单元、存储单元、LCD液晶显示屏、RS232接口，滤波器、前置放大器、A/D转换器依次串接连到数据处理单元，存储单元、LCD液晶显示屏、RS232接口分别与数据处理单元相连接。