Лазерные дальномеры, пирометры, тепловизоры — это устройства, которые измеряют разные физические величины. Дальномеры тестируют расстояние от точки размещения прибора до интересующего объекта. Инфракрасные пирометры представляют собой дистанционные термометры, позволяющие оценивать температуру предметов без физического контакта с ними. Тепловизоры — устройства, преобразующие тепловое излучение окружающей среды в оптическое изображение, называемое термограммой.
Все перечисленные приборы объединяет одно качество. Они представляют собой устройства дистанционного контроля. Такой вид тестирования применяется в науке и технике, в том числе и в радиоэлектронике.
В статье разберём особенности применения каждого из перечисленных выше средств измерений для решения профессиональных задач. Будут рассмотрены ситуации, возникающие в работе с электронной техникой и оборудованием для узлов и линий связи. Предлагаемый материал сопровождается примерами из практики.
Время чтения: 22 минуты
Лазерные дальномеры: принципы работы и применение в электронике
По принципу действия лазерные дальномеры делятся на импульсные и фазовые приборы.
Импульсное устройство работает так же, как радиолокационная станция. Прибор состоит из передающего, приёмного каналов и микропроцессора. Передающий канал с помощью лазера излучает зондирующий немодулированный импульс, который отражается от интересующего объекта и принимается трактом приёма. Основой этого тракта служит элемент, чувствительный к оптическому излучению с длиной волны 650 нм.
Микропроцессор вычисляет расстояние до объекта, которое пропорционально временному интервалу, прошедшему с момента излучения зондирующего импульса, до момента приёма отражённого сигнала. Результат вычислений выводится на дисплей.
Сложность этого подхода заключается в необходимости создания компактного высокоточного измерителя малых временных интервалов.
В основе принципа действия фазового измерителя лежит применение модулированных сигналов. Тестируемое расстояние оценивается на основе фазового сдвига между ними. Его величина остаётся постоянной при распространении лазерного луча в свободном пространстве. При отражении луча от препятствия величина сдвига скачкообразно изменяется, что и фиксируется дальномером. Информация о расстоянии рассчитывается по величине разности фаз излучённой и принятой волн. Результат отображается на дисплее.
Рассмотренные принципы применяются для замеров дистанции до неподвижных предметов или до медленно движущихся объектов.
Для контроля расстояния до высокоскоростных целей применяется принцип лазерной триангуляции. Состав такого устройства аналогичен импульсному дальномеру. Отличия заключаются в следующем:
- в качестве чувствительного элемента применяется линейный фоточувствительный прибор (полупроводниковая матрица);
- источник и приёмник лазерного излучения разнесены в пространстве.
Элементы триангуляционной системы (источник, цель и матрица) образуют вершины треугольника, как показано на следующем рисунке.
Отражённый луч попадает на матрицу и формирует световое пятно. По его положению оценивают угол между отражённым лучом и линией, соединяющей матрицу и лазер. По расстоянию до объекта и углам между линией сенсор-лазер и оптическими осями лазера и матрицы рассчитывают все параметры треугольника.
Существует международная классификация лазеров по безопасности излучения. Она определена стандартом IEC 60825-1 и соответствующим российским ГОСТ IEC 60825-1 2013.
В соответствии с IEC 60825-1 выделяют следующие классы лазеров:
- Класс 1. Источники оптического излучения, безопасные для органов зрения человека.
- Класс 2. Излучатели в видимой части спектра, опасные для зрения при длительном воздействии. Их мощность достигает 1 мВт.
- Класс 3а. Лазеры, создающие излучение, безопасное для глаз при кратковременном воздействии. Мощность этих излучателей не превышает 5 мВт.
- Класс 3b. Источники, опасные для человека, если смотреть непосредственно на излучатель или на зеркальное отражение луча. Мощность таких источников превышает 5 мВт.
- Класс 4. Излучатели большой мощности, которые могут значительно повредить глаза и кожу человека. Они могут вызвать воспламенение горючих материалов.
Ключевые применения устройств:
- В процессе проектирования и строительства узлов, линий связи и структурированных кабельных систем зданий и сооружений необходима точная оценка расстояний до отдельных сетевых элементов. Эта информация применяется для расчёта потребности в кабелях связи, оптоволоконных и силовых электрических линиях.
При измерении значительных расстояний до объектов используются импульсные приборы, а для проведения исследований внутри зданий применяют фазовые устройства.
- Другая область применения фазовых измерителей — точный контроль геометрических размеров различных изделий. Например, лазерный дальномер для измерения корпусов электроники используется на стадии контроля соответствия готовой продукции техническим условиям предприятия-изготовителя.
- Триангуляционные приборы используются в микроэлектронике для измерения толщины пластин полупроводниковых материалов и проверки размеров компонентов РЭА. Эти устройства входят в состав автоматизированных систем для обеспечения точного расположения элементов на платах для печатного монтажа, в производстве полупроводников и в дизайне PCB (Printed Circuit Board — печатная плата).
С помощью триангулярных аппаратов решаются следующие задачи исследования характеристик целей:
- контроль перемещений;
- оценка вибраций;
- измерение деформаций;
- распознавания технологических объектов.
Возможность распознавания позволяет интегрировать эти устройства в системы машинного зрения.
Преимущества и ограничения
Особенность импульсных приборов заключается в широком диапазоне измеряемых расстояний, достигающем 300м. Точность тестирования на больших дистанциях составляет ±3–5 мм. Это сложные и дорогие устройства.
Особенность фазовых устройств — меньший, по сравнению с импульсным измерителем, диапазон измеряемых расстояний. Его величина составляет от 50 до 100 м. При этом обеспечивается точность диагностики порядка ±1–2 мм. Приборы, в которых используется фазовый принцип тестирования, проще и дешевле импульсных аппаратов.
Триангулярные аппараты отличаются точностью тестирования размеров в диапазоне от единиц миллиметров до нескольких метров. Погрешность измерения составляет ±0.05% от диапазона. Для лучших образцов она находится в диапазоне нескольких десятков микрон.
Данные, полученные с помощью этих приборов, могут использоваться в качестве исходных в ПО CAD (Computer-Aided Design — автоматизированное проектирование) и CAE (Computer-Aided Engineering — автоматизированного инженерного проектирования). К программному обеспечению CAD относятся продукты AutoCAD, SolidWorks, CATIA. Продукт CAE представлен аналитическими программами ANSYS, Abaqus, Nastran.
Триангуляционные устройства характеризуются конструктивной сложностью и дороговизной.
Одним из примеров применения дальномеров служит статическая калибровка датчиков в автоэлектронике. К ним относятся датчики парковки, приближения и предупреждения о выезде из занимаемой полосы движения. Такая процедура проводится в случаях:
- замедленной или нестабильной реакции круиз-контроля на изменение дорожной обстановки;
- некорректного поведения системы удержания полосы движения.
Калибровка проводится в соответствии с методиками, рекомендованными производителем.
Подобным способом происходит калибровка роботов-доставщиков в робототехнике.
Бесконтактное измерение температуры в электронике
Выход за пределы рабочих температурных режимов любого оборудования приводит к его поломке или полному разрушению, вследствие которого возможно травмирование и даже гибель персонала. Поэтому оперативная диагностика температуры всегда актуальна.
Для решения этой задачи применяются различные средства дистанционного контроля, к которым относятся, в том числе, пирометры.
Технические основы пирометров
Устройство и принцип действия инфракрасных пирометров рассмотрены в ранее опубликованном материале, поэтому остановимся на практических вопросах их применения в качестве диагностического средства состояния РЭА.
Применение в электронике
Встроенные пирометры для контроля пайки применяются для мониторинга этого процесса в составе паяльных лазеров и в некоторых паяльных станциях, например, в термовоздушных аппаратах. С помощью таких приборов дозируется тепловая мощность, необходимая для соблюдения технологии поверхностного монтажа.
Также пирометры применяются для выявления блоков, узлов и отдельных компонентов, которые перегреваются. Перегрев в электронике — ситуация, характерная в основном для сильноточных цепей. Анализ причин этого явления показывает, что чаще всего перегреваются источники питания, частотные преобразователи, электронные коммутационные элементы, управляющие мощными нагрузками и т. д.
К возможным причинам перегрева относятся:
- неисправности в нагрузке, питаемой источником;
- ухудшение эффективности системы охлаждения;
- неисправности самого источника питания;
- несоответствие параметров питающей сети переменного тока существующим стандартам.
Проблема решается путём поиска части оборудования, температура которой выше допустимой величины. Для этого потребуется пирометр.
Затем с помощью мультиметра и электронной нагрузки локализуется причина перегрева. Далее выполняется поэлементная проверка деталей, входящих в дефектный блок или модуль и замена отказавших компонентов.
Интеграция с другими системами
Рассматриваемые измерители интегрируются с контроллерами PLC (Programmable Logic Controller — программируемый логический контроллер) и с комплексами SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерский контроль и сбор данных). В таком варианте применения они выполняют функцию интеллектуальных температурных датчиков.
Основные характеристики автономных бесконтактных измерителей температуры, включённых в Государственный реестр средств измерений (ГРСИ), приведены в следующей таблице.
| Модель | Диапазон температур, °C | Точность, °C* | Цена, руб** | Примечание |
| DT-8839 | От -50 до +1000 | ˃±5 | 28 370 | |
| DT-8859 | От-50 до +1600 | ˃± 5 | 26 220 | |
| DT-8865 | От -50 до +1000 | ˃±2.5 | 16 240 | |
| DT-8863 | От -50 до +800 | ˃±2.5 | 11 910 | |
| DT-8818H | От -50 до +550 | ˃±5 | 11 610 | |
| DT-882 | От -50 до +550 | ˃± 5 | 8 980 | |
| RGK PL-12 | От -50 до +550 | ˃± 2.5 | 7 999 | С поверкой |
| DT-883 | От -50 до +700 | ˃±5 | 6 150 | |
| RGK PL-12 | От -50 до +550 | ˃± 5 | 5 759 | |
| DT-8861 | От -50 до +550 | ˃±2.5 | 4 680 | |
| RGK PL-8 | От -30 до +260 | ˃±4 | 4 520 | С поверкой |
| DT-8870 | От -50 до +500 | ˃±3 | 3 530 | |
| RGK PL-8 | От -30 до +260 | ˃±4 | 3 079 |
Примечание:
*Значения параметра зависят от диапазона измерения. Приведены худшие значения точности.
**Цена указана на момент подготовки этого материала.
Анализ данных, приведённых в таблице, показывает, что устройства с заданными точностными характеристиками присутствуют в разных ценовых сегментах. Цена аппаратов в значительной мере зависит от рабочего диапазона измеряемых температур и возрастает с его увеличением.
Тепловизоры: термографическая диагностика в электронике
Тепловизор — это устройство, которое преобразует электромагнитные волны инфракрасного диапазона, излучаемые различными предметами, в оптическое изображение. На экране прибора формируется картина, отражающая разницу температур исследуемых поверхностей в виде разноцветных областей. Более «тёплые» тона соответствуют высоким температурам объектов, а более «холодные» — низким. Такой метод мониторинга пространства называют инфракрасной термографией.
По предназначению различают бытовые и промышленные тепловизоры.
Принцип работы
Современный тепловизор состоит из следующих основных узлов:
- оптической системы, фокусирующей излучение на поверхности чувствительного элемента;
- фоточувствительной матрицы, преобразующей инфракрасные волны в электрические сигналы;
- микропроцессорного модуля обработки полученных сигналов;
- памяти для сохранения результатов тестов;
- дисплея, на котором отображается тепловая картина исследуемых объектов, называемая термограммой.
Качество матрицы определяет все основные метрологические параметры прибора. Она состоит из большого количества чувствительных элементов, расположенных по строкам и столбцам прямоугольной полупроводниковой подложки. Внешний вид матрицы показан на следующем фото.
Ниже приведены базовые характеристики тепловизионных приборов, определяемые свойствами матрицы:
- Разрешающая способность. Это количество простейших логических элементов (пикселей) в цифровом изображении. Чем больше пикселей на единицу площади поверхности матрицы, тем выше качество картинки.
- NETD (Noise Equivalent Temperature Difference — эквивалентная температурная разность шума). Иногда эту величину называют тепловой чувствительностью. Она численно равна разнице температур, которую различает тепловизор. Чем значение NETD меньше, тем качественнее прибор. Для хороших современных аппаратов NETD составляет сотые доли градуса Цельсия.
- Угол обзора. Это телесный угол, в пределах которого тепловизионный приёмник обнаруживает цель. Этот параметр зависит от размеров матрицы и возрастает с увеличением её площади. Физический смысл понятия угла обзора подобен определению ширины диаграммы направленности приёмной антенны. Он измеряется в угловых градусах для горизонтальной и вертикальной плоскостей.
В документации некоторых производителей рассматриваемый параметр называют оптическим полем зрения. Для качественных устройств эта характеристика составляет несколько десятков угловых градусов.
- Пределы и точность измерения температуры. Для профессиональных устройств пределы тестирования находятся в диапазоне от минус 40 до +1500°C. Погрешность составляет менее 2% от показаний прибора.
Параметры ручных тепловизоров с интерфейсом Wi-Fi, включённых в ГРСИ, приводятся в следующей таблице.
| Модель | Чувствительность | Диапазон температур | Разрешение, пикселей | Поле зрения, град | Цена, руб* |
| DT-9897H | <0.05°C | -20 – 1500°C | 384х288 | 41х31 | 507 280 |
| RGK TL-400 | <0.08°C |
-20 – 150°C; 0–650°C |
384х288 | 24,6x18,6 | 365 639 |
| DT-9887 | <0.08°C | -20 – 150°C | 384х288 | 41,5x31,1 | 273 490 |
| DT-982 | <0.1°C | -20 – 350°C | 160х120 | 19х25 | 221 360 |
| DT-983 | <0.05°C |
-20 – 150°C; 0–650°C |
80х80 | 21х21 | 102 770 |
| DT-979D | <0.06°C | -20 – 550°C | 162х120 | 50х37 | 85 640 |
Примечание:
*Цена указана на момент подготовки этого материала.
Все аппараты обеспечивают одинаковую точность ±2 °C / ± 2%.
Сопоставление данных, представленных в таблице, позволяет сделать вывод о превосходстве модели DT-9897H над другими изделиями по совокупности сравниваемых характеристик.
Использование
Аппараты тепловидения применяются для обеспечения неразрушающего тепловизионного контроля изделий электроники. При этом решаются следующие задачи:
- изучение тепловых режимов в телекоммуникационных объектах (центрах обработки данных, линейных аппаратных залах, серверных помещениях, стойках с оборудованием) и их оптимизация;
- обнаружение перегревающихся фрагментов солнечных батарей для анализа и устранения причин этого явления;
- тепловизионная диагностика плат печатного монтажа для обнаружения бракованной продукции.
В каталоге магазина Суперайс имеются настольные модели тепловизоров, которые могут применяться для исследования печатных плат: QuanLi Super Cam Y 3D, SUNSHINE TB-03, ТВК2202.
Ошибки в термографии
Некорректная регулировка фокуса приводит к неправильному распределению энергии принимаемого инфракрасного спектра по поверхности матрицы. В этом случае изображение будет расплывчатым, а полученные радиометрические данные недостоверными.
Недостаточно жёсткая фиксация устройства относительно тестируемого объекта при диагностике качества печатного монтажа. В результате такой ошибки актуальность результатов тестирования будет под вопросом.
Бывает, что тепловизор не откорректирован после перехода к исследованию другого объекта. Такая ошибка часто возникает при выполнении измерений на объектах связи. Чтобы её избежать, достаточно перевести прибор в режим автоматической настройки.
Игнорирование поправки на коэффициент теплового излучения изучаемого объекта тоже критично. Такая ошибка приводит к большой погрешности в оценке температуры предмета исследований. Для её минимизации в руководстве по эксплуатации на измеритель приводится методика учёта этой поправки.
Интеграция инструментов в другие системы
Рассмотренные в настоящем материале измерители в принципе могут интегрироваться в мониторинговые IoT-системы различного назначения при соблюдении нескольких условий:
- Для физического подключения дальномеров, пирометров и тепловизоров к IoT перечисленные устройства должны поддерживать интерфейс Wi-Fi или Bluetooth. Канал Bluetooth может быть задействован в редких случаях из-за ограничений, накладываемых этой технологией.
- Потребуется специальное программное обеспечение для организации управления аппаратом через сеть Wi-Fi. В настоящее время нет сведений о доступности такого программного продукта.
Ожидаемый результат интеграции — повышение эффективности контроля за счёт использования инфракрасной части электромагнитного спектра.
В ходе рассмотрения главных характеристик мы выяснили:
- ПП определяет макс. сигнальную частоту, которую можно исследовать.
- ЧД влияет на точность воспроизведения формы радиосигнала.
- ГП определяет время записи и детализацию анализа.
- Действующие характеристики могут отличаться от заявленных в спецификации.
Выбор любой продукции происходит на основе набора требований, которые у каждого потребителя индивидуальны.
Критериями выбора тепловизора для электронного производства, как и другого оборудования дистанционного контроля, служат:
- требуемые метрологические характеристики;
- наличие необходимых интерфейсов связи с внешними устройствами;
- класс защиты измерителей от внешних воздействий;
- соответствие условиям эксплуатации (лабораторные, производственные, полевые и т. д.);
- простой и удобный пользовательский интерфейс;
- возможность обработки результатов тестирования и надёжное хранение данных.
Степень важности соответствия средств измерений этим критериям зависит от характера задач, решаемых покупателем оборудования. В большинстве случаев основным мерилом для клиента служит приемлемое соотношение цены и качества приобретаемого товара.
Все заинтересованные лица могут ознакомиться с каталогом компании Суперайс, где представлены средства для неразрушающего контроля электроники, измерения температуры без контакта и т. д. При возникновении любых вопросов, связанных с подбором товаров, обращайтесь за консультацией к нашим специалистам.
