Файл: Данилин Н.С. Теория и методы неразрушающего инфракрасного контроля радиоэлектронных схем.pdf

Если минимальная длительность импульса больше тпр, то

исследуемой поверхности, необходимо снять градуировочную ха­ рактеристику радиометра.

Величина сигнала от радиометра ис связана с температурой поверхности следующим образом:

ис A S 0E Т11,

где А — коэффициент пропорциональности;

So — площадь поверхности, с которой регистрируется ИК из­ лучение;

е— коэффициент излучательной способности;

Т— температура поверхности;

п — положительная величина.

Значения А и п зависят от конструктивных особенностей радио­ метра.

Получают градуировочную характеристику следующим обра­ зом. Объект измерения устанавливается на массивный теплоотвод, который находится в тепловом контакте с нагревателем, позволяю­ щим плавно изменять температуру теплоотвода в заданном диа­ пазоне. Температура объекта контролируется предварительно про­

для исключения погрешности за счет изменения теплового контак­ та между термопарой и поверхностью.

Мощность на нагревательный элемент подается ступенями та­ ким образом, чтобы при двух последовательных измерениях тем­ пература на поверхности объекта изменялась не более чем на 5°С. Измерение сигналов радиометра и термопары производится через 10—15 мин, когда тепловой режим объекта можно считать стационарным.

Лучшие фотосопротивления из теллуристого свинца в тех же

132

§ 6.4. МИКРОРАДИОМЕТРЫ

Возможности ИК техники существенно расширяются . путем применения сканирующих радиометров (ИК микроскопов), кото­ рые позволяют получить тепловое поле объекта. Практически ис­ пользуют два способа получения тепловых полей: механическое перемещение объекта на предметном столике по координатам (х, у) и оптико-механическое сканирование лучом радиометра па поверхности объекта. Разрешающая способность по геометрии составляет несколько десятков микрометров.

Микрораднометр функционально разделяется на два канала -- ИК канал, включающий все основные элементы радиометра (зер­ кальный, объектив., модулятор, приемник) и визуальный капал, пред­ ставляющий собой оптический микроскоп. Он предназначен для наведения ИК канала на нужную точку объекта I. С этой целью используется зеркальный объектив 2 с увеличением х 15, х 30, х 45, а разделение каналов производится поставленной под углом иость измерения 62 находится по отношению к разности ординат

кремния. Через пластинку свободно проходит ИК излучение, ко­ торое далее проходит через модулятор 4, диафрагму 5 н попадает в приемник 6. Видимое излучение отражается и попадает в оку­ ляр 7. В поле зрения окуляра имеется измерительная сетка 8, иа которой обозначена чувствительная область радиометра. Настрой­ ка микроскопа производится путем совмещения исследуемой точ­ ки объекта с обозначенными границами чувствительной области.

Одновременно выполняется н фокусировка изображения (для зеркального объектива положения наилучшей фокусировки в ви­ димом и инфракрасном свете совпадают). Разрешающая способ­ ность зеркального объектива 10 мкм.

Во время настройки объект подсвечивается лампочкой. Объект размещается иа автоматическом двухкоординатном столике 9. С помощью реверсивного электродвигателя столик движется взад и вперед по координате х. Длина «строки» по оси х определяется положением микровыключателей, которые выдают сигналы для реверса двигателя и для привода второго, шагового, двигателя. Последний в конце каждой строки смещает столик на определен­ ное расстояние (шаг) по оси у. Таким образом, строчка за строч­ кой радиометр пробегает по всей исследуемой площади объекта. Два линейных потенциометра, связанных со столиком, выдают информацию по положению объекта в координатах (х,у). Значе­ ние координаты соответствует величине напряжения.

Микрорадиометр измеряет температуру в диапазоне от 50 до

Регистрация теплового поля производится различными спосо* бами. Наиболее распространенный — запись • величин сигналов, соответствующих какой-либо строке изображения' на самописце

133

или осциллографе. Такая запись дает тепловой профиль объекта

всечении данной строки.

Внекоторых случаях невидимое ИК изображение теплового

поля объекта преобразуется в видимое с помощью различных средств. Наиболее распространен способ получения черно-белой фотографии теп­ лового поля, заключающийся в следую­ щем. С координатным столиком механи­ чески соединен точечный источник света (например, небольшая неоновая лампа): Яркость свечения лампы модулируется сигналом с выхода усилителя радиомет­ ра, так что чем больше сигналы (выше температура в данной точке), тем ярче горит лампа.

Изображение лампы фокусируется обычным объективом на неподвижной фотопленке. При сканировании изобра­ жения лампа строчка за строчкой за­

свечивает пленку пропорционально яр­ Рис. 6.5. Внешний вид кости в каждой точке. После проявле­

микрорадиометра.

ния пленки получается негативное чер­ но-белое изображение теплового поля объекта.

Микрорадиометром со сканирующим столиком можно измерять температуру в любых точках объекта, выключив автоматическое перемещение и производя установку вручную.

В некоторых конструкциях ИК микроскопов для облегчения расшифровки тепловых полей имеются приспособления для нане­ сения на изображение поля заранее выбранных оператором изо­ терм. Делается это следующим образом. Как только величина сиг­ нала на выходе усилителя достигает уровня, соответствующего установленной температуре, выделяется короткий импульс для подсветки лампы или луча осциллографа. На тепловом поле полу­ чаются яркйе точки, располагающиеся по изотермам.

Рассмотрим применяемый в ИК микроскопах оптико-механи­ ческий способ сканирования. На пути луча ИК изображения ус­ танавливается два колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях зеркала. Колебания зеркал осуществляются с помо­ щью кулачков, насаженных на оси электродвигателей. С зерка­

лами жестко связаны потенциометры, которые служат датчиками положения зеркал, а следовательно, и луча радиометра в коорди­ натах (х,у) объекта. Напряжение с потенциометров подается на вертикальный и горизонтальный входы осциллографа.

Таким образом, синхронно с движением луча радиометра по объекту движется и луч осциллографа. Сигнал с выхода усилите­ ля модулирует яркость пятна осциллографа. Движения луча по строкам и по кадру образуют растр (типа телевизионного). В ко-

134

печном итоге на экране осциллографа видно изображение тепло­ вого поля объекта.

Оптико-механическое сканирование дает возможность сущест­ венно повысить быстродействие прибора по сравнению с микрорадиометром с двухкоординатным столиком. В лучших ИК мик­ роскопах время образования одного кадра изображения может достигать 1 / 1 0 с.

В ИК микроскопах, построенных на описанном принципе, как правило, вводится упоминавшееся ранее устройство для высвече-

золотая и алюминиевая металлизация на кремнии), тс видимое на

производить тщательное сравнение теплового поля либо с полем

/

135

Г Л А В А 7

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ РАДИОМЕТРИИ

§7.1. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ УРОВНЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ

ИМОЩНОСТЬЮ, РАССЕИВАЕМОЙ ЭЛЕМЕНТАМИ

Инфракрасное излучение, регистрируемое инфракрасным ра­ диометром, является суммой двух составляющих: собственного из­ лучения визируемой площадки и отраженного, имеющего темпе­ ратуру фона. Сигнал на выходе инфракрасного радиометра, учи­ тывая, что сумма коэффициента эмиссии поверхности и коэффи­ циента отражения равна единице, выражается в общем виде фор­ мулой

136

Относительная ошибка (6i) при аппроксимации градуировоч­ ной кривой радиометра прямой Wi

гать 20%. Практически при проведении калибровки радиометра в двух точках W(0) и точке 117(ок ) (х’к — температура перегрева, соответствующая эталонному значению при калибровке) и аппрок­ симации кривой W прямой, соединяющей эти две точки, погреш­ ность может быть значительно уменьшена. В этом случае погреш­

Отсутствие вещественных корней в приведенном уравнении свидетельствует об отсутствии экстремальных точек на кривой, описываемой уравнением (7.7). Кривая (7.7) имеет максимальное значение при v->0, выполненные по формуле (7.7) расчеты свиде­ тельствуют о наличии погрешности, достигающей 7—10%, при ка­ либровке соответственно на 15 и 20°С.

В основе теории теплопроводности лежит закон Фурье, связы­ вающий количество переносимой внутри тела энергии в виде теп­ лоты с существующим температурным полем. На основании зако­ на выводится дифференциальное уравнение теплопроводности, ко­

137