一种印制电路板温度监测装置及方法与流程

1.本技术涉及印制电路板温度测量技术领域，特别是涉及一种印制电路板温度监测装置及方法。


背景技术：

2.fbg(fiber bragg grating，光纤布拉格光栅)是利用光纤的光敏性，使光纤纤芯折射率呈现周期性调制的一种无源光器件。由于纤芯折射率调制存在周期性，当宽带光入射进fbg后，将会产生如图1所示的窄带反射光谱和透射光谱，其中窄带反射光谱中心波长λb称为布拉格波长。
3.λb＝2n
eff
λ
4.其中λ为光栅周期，n
eff
为光纤纤芯平均有效折射率。当外界温度发生变化时，会引起λ和n
eff
的变化，从而导致λb发生漂移。因此可以通过测量λb的漂移量，即可监测到温度的变化量。fbg具有体积小、抗电磁干扰能力强、化学稳定、电绝缘等特点。
5.而目前对pcba(printed circuit board assembly，印制电路板)的温度测量，主要是通过板上贴装温度传感器芯片，或是针对重点关注的芯片及其他部件贴装热电偶，然后利用热电偶测温仪进行测量。
6.但是采用板上贴装温度传感器芯片会占用pcba的布局面积，同时仅能对芯片附近的一定区域内进行温度测量。而热电偶测温方案只能针对pcba单点位置进行温度测量，主要依据工程经验以及仿真参考覆盖重点风险位置，存在温度监控盲点。目前也并没有将基于fbg应用在pcba的温度测量的技术方案。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中提到的至少一个问题，本技术提供了一种印制电路板温度监测装置及方法，能够不占用pcba的布局面积，同时能够进行分布式测量，避免温度监控盲点。
8.本技术实施例提供的具体技术方案如下：
9.第一方面，提供一种印制电路板温度监测装置，包括：
10.激光模块、光纤环形器、光电探测模块以及印制电路板温度监测模块；
11.其中，所述印制电路板温度监测模块用于监测印制电路板的温度，所述印制电路板温度监测模块包括多个光纤布拉格光栅传感器，所述光纤布拉格光栅传感器嵌于所述印制电路板内部或设置于所述印制电路板内部；
12.所述激光模块用于发出在时域上波长线性变化的探测激光；
13.所述光纤环形器用于接收所述激光模块发出的所述探测激光并将所述探测激光引入所述印制电路板温度监测模块；
14.多个所述光纤布拉格光栅传感器通过单模石英光纤串接，每个所述光纤布拉格光栅传感器对应不同波长的所述探测激光反射产生不同中心反射波长的反射光，所述反射光
通过所述光纤环形器进入所述光电探测模块；
15.所述光电探测模块用于接收所有所述反射光并对应生成每个所述光纤布拉格光栅传感器的位置坐标，并根据所述位置坐标的变化解调出所述印制电路板的温度变化信息。
16.进一步的，所述激光模块还用于调节所述探测激光的光谱扫描宽度；
17.所述印制电路板温度监测模块还用于设定多个所述光纤布拉格光栅传感器的波长间隔；以及用于根据所述光谱扫描宽度和所述波长间隔确定所述光纤布拉格光栅传感器的数量。
18.进一步的，所述印制电路板温度监测模块还用于设定所述印制电路板的温度监控范围以及缓冲区预留长度；
19.所述波长间隔根据所述光纤布拉格光栅传感器的温度灵敏度、所述温度监控范围以及所述缓冲区预留长度确定。
20.进一步的，所述激光模块还包括：
21.分布式反馈激光器、偏振光控制器、射频发生器以及电光调制器；
22.其中，所述分布式反馈激光器用于发出单波长探测激光；
23.所述偏振光控制器用于调节所述单波长探测激光的偏振态，以使得调节后的所述单波长探测激光匹配所述电光调制器的主轴方向；
24.所述射频发生器用于将频率线性变化的射频信号输出至所述电光调制器上，以使得调节后的所述单波长探测激光经过所述电光调制器时收到所述射频信号的调制，产生在时域上波长线性变化的探测激光。
25.进一步的，所述光电探测模块包括光电探测器和数据采集设备；
26.所述光电探测器用于接收所有所述反射光；
27.所述数据采集设备根据所有所述反射光对应生成每个所述光纤布拉格光栅传感器的位置坐标，并根据所述位置坐标的变化解调出所述印制电路板的温度变化信息。
28.进一步的，所述印制电路板还包括一层或多层fr4基材，所述fr4基材上开有多个光纤槽，所述光纤槽用于容纳所述光纤布拉格光栅传感器；
29.所述光纤布拉格光栅传感器可以同时设置于一层所述fr4基材中或分布式设置于多层所述fr4基材中。
30.第二方面，提供一种印制电路板温度监测方法，包括：
31.通过激光模块发出在时域上波长线性变化的探测激光；
32.通过光纤环形器接收所述激光模块发出的所述探测激光并将所述探测激光引入印制电路板温度监测模块；
33.通过所述印制电路板温度监测模块中的每个光纤布拉格光栅传感器对应不同波长的所述探测激光反射产生不同中心反射波长的反射光，所述反射光通过所述光纤环形器进入光电探测模块；
34.通过所述光电探测模块接收所有所述反射光并对应生成每个所述光纤布拉格光栅传感器的位置坐标，并根据所述位置坐标的变化解调出印制电路板的温度变化信息。
35.进一步的，所述方法还包括：
36.通过所述激光模块调节所述探测激光的光谱扫描宽度；
37.通过所述印制电路板温度监测模块设定多个所述光纤布拉格光栅传感器的波长间隔；
38.根据所述光谱扫描宽度和所述波长间隔确定所述光纤布拉格光栅传感器的数量。
39.进一步的，所述通过所述印制电路板温度监测模块设定多个所述光纤布拉格光栅传感器的波长间隔，包括：
40.通过所述印制电路板温度监测模块设定所述印制电路板的温度监控范围以及缓冲区预留长度；
41.将所述光纤布拉格光栅传感器的温度灵敏度与所述温度监控范围的乘积再加上所述缓冲区预留长度得到所述光纤布拉格光栅传感器的波长间隔。
42.进一步的，所述通过激光模块发出在时域上波长线性变化的探测激光，包括：
43.通过分布式反馈激光器发出单波长探测激光；
44.通过偏振光控制器调节所述单波长探测激光的偏振态，以使得调节后的所述单波长探测激光匹配电光调制器的主轴方向；
45.通过射频发生器将频率线性变化的射频信号输出至所述电光调制器上，以使得调节后的所述单波长探测激光经过所述电光调制器时收到所述射频信号的调制，产生在时域上波长线性变化的探测激光。
46.本技术实施例具有如下有益效果：
47.本技术实施例提供的一种印制电路板温度监测装置及方法，通过在印制电路板的内部布设光纤布拉格光栅传感器，能够对印制电路板的温度进行准分布式实时测量监控，能够不占用印制电路板的布局面积；能够通过多个光纤布拉格光栅传感器串接，实现分布式实时温度监测，避免出现温度监控盲点；还具有光纤布拉格光栅传感器特有的体积小、抗电磁干扰、化学性能稳定以及电绝缘的特点。
附图说明
48.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1示出光纤布拉格光栅的波导结构示意图；
50.图2示出本技术实施例提供的印制电路板温度监测装置的结构示意图；
51.图3示出根据本技术一个实施例的单层布置方案的印制电路板温度监测模块的剖面图；
52.图4示出根据本技术一个实施例的多层布置方案的印制电路板温度监测模块的剖面图；
53.图5示出本技术实施例提供的印制电路板温度监测方法的流程图。
54.附图标记说明：1、激光模块；11、分布式反馈激光器；12、偏振光控制器；13、射频发生器；14、电光调制器；2、光纤环形器；3、光电探测模块；31、光电探测器；32、数据采集设备；4、印制电路板温度监测模块；41、印制电路板；42、光纤布拉格光栅传感器；43、单模石英光纤。
circuit，半导体元件)处发生异常温度变化时，对应的光纤布拉格光栅传感器42的光谱中心反射波长也会发生改变，体现在时域上即为对应的探测光谱在时域位置上发生移动，产生位置坐标的变化，从而根据位置坐标的变化解调出温度变化信息。
64.在一些实施方式中，印制电路板温度监测模块4还用于设定印制电路板41的温度监控范围以及缓冲区预留长度。波长间隔根据光纤布拉格光栅传感器42的温度灵敏度、温度监控范围以及缓冲区预留长度确定。
65.具体的，光纤布拉格光栅传感器42在出厂时会对中心波长、温度灵敏度进行测量校准，光纤布拉格光栅传感器42的温度灵敏度一般为10pm/℃。示例性的，印制电路板41的温度监控范围为-40℃～100℃，缓冲区预留长度可以设定为0.6nm。因此波长间隔为(140*10/1000 0.6)＝2nm。若不变更参数的情况下，即不变更波长间隔的情况下，也可以直接通过增大光谱扫描宽度来增加光纤布拉格光栅传感器42的数量。
66.在一些实施方式中，激光模块1还包括：分布式反馈激光器11、偏振光控制器12、射频发生器13以及电光调制器14。
67.其中，分布式反馈激光器11用于发出单波长探测激光。偏振光控制器12用于调节单波长探测激光的偏振态，以使得调节后的单波长探测激光匹配电光调制器14的主轴方向。射频发生器13用于将频率线性变化的射频信号输出至电光调制器14上，以使得调节后的单波长探测激光经过电光调制器14时收到射频信号的调制，产生在时域上波长线性变化的探测激光。
68.具体的，分布式反馈激光器11(distributed feedback laser，dfb)发出的单波长探测激光首先通过偏振光控制器12调节探测激光的偏振态，使其匹配电光调制器14(electro-optic modulator，eom)的主轴方向，射频发生器13(radio frequency，rf)输出频率线性变化的射频信号并施加到电光调制器14上，单波长探测激光经过电光调制器14时受到射频信号的调制，光波长即会随之发生线性变化，经电光调制器14调制后产生在时域上波长线性变化的探测激光再经光纤环形器2引入印制电路板温度监测模块4。分布式反馈激光器11发出的单波长探测激光的波长可调，可以调节至稍小于印制电路板温度监测模块4中首个通过的光纤布拉格光栅传感器42。另外，此方案相对于传统采用ase(amplified spontaneous emission，放大自发辐射)光源进行光谱测量具备原理上的优势：由于采用的光源为dfb单波长探测激光，在时域上对单波长探测激光进行波长线性调节，可以避免其他波长光源对信号的干扰，提高信噪比；此外光谱分辨率取决于dfb光源的线宽，不受光谱仪的限制，大大提高光谱精度；同时传感器精度取决于波长调节时的步进精度，在实际应用中更为灵活。
69.在一些实施方式中，光电探测模块3包括光电探测器31和数据采集设备32。其中，光电探测器31用于接收所有反射光。数据采集设备32根据所有反射光对应生成每个光纤布拉格光栅传感器42的位置坐标，并根据位置坐标的变化解调出印制电路板41的温度变化信息。
70.具体的，可对pcba的温度进行准分布式实时测量监控，温度分辨率可达到
±
1℃，可满足pcba温度实时监控需求，可用于早期产品设计阶段散热可靠性设计及后期产品维护阶段故障的快速定位。
71.在一些实施方式中，印制电路板41还包括一层或多层fr4基材，fr4基材上开有多
个光纤槽，光纤槽用于容纳光纤布拉格光栅传感器42。光纤布拉格光栅传感器42同时设置于一层fr4基材中或分布式设置于多层fr4基材中。
72.具体的，参照图3和图4，印制电路板41的制作工艺流程为：首先在fr4基材上开多个光纤槽，光纤槽的槽宽及槽深均大于光纤/fbg的直径(普通单模光纤，直径为125um)；再将fbg嵌入fr4基材的光纤槽中，fbg之间可熔接单模石英光纤43进行连接，之后将上述部分与铜箔、fr4基材、半固化片进行压合，即构成印制电路板温度监测模块4。印制电路板温度监测模块4的top面和bot面可按照实际应用需求设计器件焊盘或走线，进行电气互联。光纤布拉格光栅传感器42可以同时设置于同一层fr4基材中；而为了增大光纤布拉格光栅传感器42的空间精度，也可在pcba的不同层中交错布局fbg，参照图4，以对印制电路板41的不同fr4基材层的温度进行监控，不仅能在横向纵向对整个印制电路板41进行温度监控，还能在纵向进行温度监控，更进一步提升了温度监控的精度，避免出现温度监控盲点。
73.在本实施例中，通过在印制电路板的内部布设光纤布拉格光栅传感器，能够对印制电路板的温度进行准分布式实时测量监控，能够不占用印制电路板的布局面积；能够通过多个光纤布拉格光栅传感器串接，实现分布式实时温度监测，避免出现温度监控盲点；还具有光纤布拉格光栅传感器特有的体积小、抗电磁干扰、化学性能稳定以及电绝缘的特点。
74.实施例二
75.对应上述实施例，本技术还提供了一种印制电路板温度监测方法，参照图5，方法包括：
76.s1、通过激光模块1发出在时域上波长线性变化的探测激光。
77.s2、通过光纤环形器2接收激光模块1发出的探测激光并将探测激光引入印制电路板温度监测模块4。
78.s3、通过印制电路板温度监测模块4中的每个光纤布拉格光栅传感器42对应不同波长的探测激光反射产生不同中心反射波长的反射光，反射光通过光纤环形器2进入光电探测模块3。
79.s4、通过光电探测模块3接收所有反射光并对应生成每个光纤布拉格光栅传感器42的位置坐标，并根据位置坐标的变化解调出印制电路板41的温度变化信息。
80.进一步的，所述方法还包括：
81.通过所述激光模块1调节所述探测激光的光谱扫描宽度；通过所述印制电路板温度监测模块4设定多个所述光纤布拉格光栅传感器42的波长间隔；根据所述光谱扫描宽度和所述波长间隔确定所述光纤布拉格光栅传感器42的数量。
82.进一步的，所述通过所述印制电路板温度监测模块4设定多个所述光纤布拉格光栅传感器42的波长间隔，包括：
83.通过所述印制电路板温度监测模块4设定所述印制电路板41的温度监控范围以及缓冲区预留长度；
84.将所述光纤布拉格光栅传感器42的温度灵敏度与所述温度监控范围的乘积再加上所述缓冲区预留长度得到所述光纤布拉格光栅传感器42的波长间隔。
85.进一步的，所述通过激光模块1发出在时域上波长线性变化的探测激光，包括：
86.通过分布式反馈激光器11发出单波长探测激光；
87.通过偏振光控制器12调节所述单波长探测激光的偏振态，以使得调节后的所述单
波长探测激光匹配电光调制器14的主轴方向；
88.通过射频发生器13将频率线性变化的射频信号输出至所述电光调制器14上，以使得调节后的所述单波长探测激光经过所述电光调制器14时收到所述射频信号的调制，产生在时域上波长线性变化的探测激光。
89.需要注意的是，术语“s1”、“s2”等仅用于步骤的描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本技术，其仅仅是为了方便描述本技术的方法，而不能理解为指示步骤的先后顺序。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
90.尽管已描述了本技术实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例中范围的所有变更和修改。
91.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。