用于传送机式烤炉的传感器系统升级套件的制作方法

发明领域

本公开涉及用于处理诸如印刷电路板的基板的带式烤炉。更具体地，本公开涉及一种用于将传感器安装在隧道式烤炉中的传感器系统升级套件，该传感器是自校准的并且对从正被处理的基板产生的污染不敏感。

背景技术：

高温带式烤炉被广泛使用。典型的带式烤炉具有带传送机带的经加热的隧道，该传送机带以受控的速度穿过隧道。大多数带式烤炉具有用于烤炉的温度监控功能，但不一定具有用于烤炉正在处理的物体的温度监控功能。希望提供对烤炉正在处理的零件的连续监控。有时可以通过将温度探头穿过传送机带上的烤炉来完成此操作，但这对于持续监控是不可行的。

传感器系统的一个挑战是烤炉内部的高温和污染。对于用于回流焊料的烤炉尤其如此。温度可能会损坏典型的非接触式传感器的电子设备。烤炉温度可能超过200摄氏度。一些烤炉温度可能会超过250摄氏度甚至300摄氏度。同样，助焊剂会沉积在传感器部件上，这会降低精度。需要提供一种监控系统，该监控系统可用于升级较旧的烤炉、在这些温度下运作并且对污染不敏感。

技术实现要素：

在本公开的第一方面，烤炉处理系统包括烤炉、传送机带和测量系统。烤炉具有穿过其中的经加热的隧道。传送机带沿着第一x轴线横向穿过隧道。该测量系统包括多个传感器模块、数据采集单元和加压气体源。传感器模块单独地包括壳体、外壳、气体导管和电缆。壳体包含基板和热电堆透镜。基板具有第一侧面和第二侧面。基板的第一侧具有热电堆，该热电堆被构造成输出第一信号，该第一信号指示传送机带上的物体相对于基板的温度的表面温度。基板的第二侧面具有温度传感器，该温度传感器被构造成输出第二信号，该第二信号指示基板的温度。热电堆透镜覆盖热电堆。壳体限定开口，该开口位于热电堆透镜上方，以允许红外光进入该开口并到达热电堆。外壳封闭壳体并包括与开口，该开口与热电堆透镜对齐，以允许来自物体的红外光到达热电堆。气体导管流体地联接到外壳。电缆电耦接到基板。数据采集单元电耦接到电缆，从而从传感器模块接收第一信号和第二信号，并输出指示对象的表面温度的信息。加压气体源联接到气体导管，从而气体流过该导管，到达外壳并流出外壳中的开口。通过外壳上的开口的流动防止污染物积聚在热电堆透镜上。

传感器模块单独地具有包括近端和远端的细长主体。远端包括对温度不敏感的壳体和外壳。远端安装在经加热的隧道中。近端位于经加热的隧道的外侧，在经加热的隧道外侧处，该近端耦接到传感器电子设备(数据采集单元)和加压气体源。传感器电子设备对温度敏感。因此，传感器模块的细长结构允许在对温度不敏感的远端和对温度敏感的传感器电子设备之间的物理隔离和空间隔离。

在一种实施方式中，烤炉处理系统已经使用套件升级。该套件至少包括多个传感器模块。该套件还可以包括传感器电子设备(数据采集单元)和气体源。

在另一实施方式中，传感器模块的远端包括外壳。远端安装在烤炉的隧道内邻近传送机带边缘。热电堆透镜通常面对在传送机带上的物体的上表面或传送机带的上表面的位置。热电堆透镜具有光轴，该光轴向下并沿横向于第一轴线的第二横向轴线对齐。光轴相对于第二横向轴线和第三垂直轴限定倾斜角。

在本公开的第二方面，一种改装烤炉处理系统的方法提供了一种增强的方式来监控正被处理的物体的表面温度。烤炉处理系统包括烤炉和传送机带。烤炉限定了经加热的横向隧道。传送机带沿着第一横向轴线行进穿过经加热的隧道。该方法包括将多个传感器模块安装在烤炉处理系统中。多个传感器模块单独地包括壳体、外壳、气体导管和电缆。壳体包含基板和热电堆透镜。基板具有第一侧面和第二侧面。基板的第一侧面具有热电堆，该热电堆被构造成输出第一信号，该第一信号指示传送机带上的物体相对于基板的温度的表面温度。基板的第二侧面具有温度传感器，该温度传感器被构造成输出第二信号，该第二信号指示基板的温度。热电堆透镜覆盖热电堆。壳体限定开口，该开口在热电堆透镜上方，以允许红外光进入该开口并到达热电堆。气体导管联接到外壳。电缆耦接到基板。

传感器模块单独地具有细长主体，该细长主体包括远端和近端。远端包括壳体和外壳。远端安装在经加热的隧道中。近端联接到加压气体源和在经加热的隧道外侧的数据采集单元。传感器模块和数据采集单元共同是测量系统。传感器模块的这种设计将温度不敏感部分(远端)与温度不敏感部分(数据采集单元的电子设备)分开。温度不敏感端放置在经加热的隧道中，而温度敏感端则通过放置在经加热的隧道的外侧来保护免受热损害。

在一种实施方式中，传感器模块包括远端，该远端包括壳体和外壳。改造方法包括将远端安装在横向隧道内与传送机带的边缘相邻的位置。远端被安装成使得热电堆透镜与传送机带的上表面成大致面对的关系。

在本公开的第三方面，用于改装烤炉处理系统的套件可以用于升级正被处理的物体的温度监控。烤炉处理系统包括烤炉和传送机带。烤炉限定了经加热的横向延伸的隧道。传送机带沿着第一横向轴线行进穿过经加热的隧道。该套件至少包括多个传感器模块。传感器模块单独地且整体地包括壳体、外壳、气体导管和电缆。壳体包含基板和热电堆透镜。基板具有第一侧面和第二侧面。基板的第一侧面具有热电堆，该热电堆被构造成输出第一信号，该第一信号指示传送机带上的物体相对于基板的温度的表面温度。基板的第二侧面具有温度传感器，该温度传感器被构造成输出第二信号，该第二信号指示基板的温度。热电堆透镜覆盖热电堆。壳体限定开口，该开口在热电堆透镜上方，以允许红外光进入该开口并到达热电堆。外壳封闭壳体并限定开口，该开口与热电堆透镜对齐，以允许来自物体的红外光到达热电堆。气体导管联接到外壳。电缆耦接到基板。

在一种实施方式中，该套件可以包括数据采集单元(传感器电子设备)。耦接到数据采集单元的传感器模块提供测量系统。数据采集单元是测量系统的电子设备部分并且对温度敏感。传感器模块单独地具有细长主体，该细长主体具有远端和近端。远端是温度不敏感的，并且包括壳体和外壳，并且被构造成被安装在经加热的隧道内。近端构造成附接到在经加热的隧道的外侧的温度敏感电子设备。因此，测量系统具有一结构，由此温度不敏感部分可以放置在经加热的隧道中，而温度敏感部分可以放置在经加热的隧道的外侧。

在另一种实施方式中，传感器模块单独地包括支撑件，壳体被安装在该支撑件上。支撑件包含在外壳内。支撑件具有相互正交的长轴线、中轴线和短轴线。支撑件具有第一侧面和第二侧面。第二侧面限定了凹口，壳体被安装在该凹口上。壳体具有第一侧面和第二侧面，该第一侧面和第二侧面分别面对与支撑件的第一侧面和第二侧面相同的方向。电引线从壳体的第二侧面出现，并沿着凹口内的支撑件的长轴布线，并耦接到电缆。支撑件限定了开口，该开口从第一侧穿过到达凹口，并且与热电堆透镜对齐。热电堆透镜的光轴通常与壳体、支撑件和外壳中的开口对齐，使得红外光可以穿过外壳、支撑件和外壳，以到达热电堆透镜，然后到达热电堆。支撑件包括两个用于安装在烤炉内的螺纹开口。外壳包括两个开口，该两个开口与螺纹开口对齐。该套件包括安装部件，该安装部件附接到烤炉。当支撑件安装到烤炉时，螺钉穿过在外壳中开口，所述开口覆盖螺纹开口，以将支撑件附接到安装部件。拧紧螺钉以密封外壳中的开口。壳体和螺纹开口通常沿支撑件的主轴线布置。

在又一实施方式中，电缆穿过外壳与数据采集单元之间的气体导管的至少一部分。气体导管的至少一部分具有布线电缆并将加压气体输送到壳体的双重功能。传感器模块可以包括接头。气体导管包括在外壳与接头之间的第一导管部分以及在接头与加压气体源之间的第二导管部分。电缆在接头处从气体输送导管中分离出来。该接头可以是t形接头。电缆直接穿过t型接头。第二导管部分以与第一导管部分成直角的方式从接头伸出来。因此，电缆穿过第一导管部分，但不穿过第二导管部分。

在又一实施方式中，该套件包括加压气体源和数据采集单元中的一个或多个。该套件还可以包括存储在非易失性介质上的用于分析来自数据采集单元的信息的软件。该套件可以包括有助于烤炉处理系统的改装的其他元件，例如安装附件和螺钉。

附图说明

图1是烤炉处理系统的实施方案的示意性框图。

图2是描绘用于改造具有非接触表面温度测量和监测系统的烤炉处理系统的现场升级套件的实施方案的示意图。可以在现有烤炉的位置安装“现场”升级套件。

图3a是感测装置的等轴图示，特别图示了壳体的第一侧限定与热电堆透镜对齐的开口。

图3b是感测装置的等轴图示，特别强调了通过其露出引线的外壳的第二侧。

图4是感测装置的等轴图示，在鬼影中壳体查看具有热电堆传感器和热电偶传感器的内部基板。

图5a是在其上形成热电堆传感器的基板的第一侧面的等轴图示。

图5b是其上设置有热电偶的基板的第二侧面的等轴图示。

图6a是感测装置安装在其上的支撑件的第二侧面的等轴图示。

图6b是具有与热电堆透镜对齐的开口的支撑件的第一侧面的等轴图示。

图7a是传感器模块的远端的等轴图示，其中外壳围绕着保持感测装置的支撑件。该视图朝向支撑件的第二侧面。

图7b是传感器模块的远端的等轴图示，其中围绕支撑件的外壳具有与热电堆透镜对齐的开口。还示出了进入壳体并流出壳体中的开口的气流。该视图朝向支撑件的第一侧面。

图8是包括接头的传感器模块的近端的等轴图示，在该接头处，气流导管功能和电缆功能在t型接头处分开。

图9是传感器模块的实施方案的等轴图示。

图10是具有九个安装的传感器模块的烤炉处理系统的立体图。在此视图中，烤炉的顶盖是打开的。

图11是示出了安装在传送机带附近的传感器模块的末端的等轴图示，物体表面温度正在被监控。

图12是包括热电偶和热电堆的两个传感器的示意图。

图13是包括热敏电阻和热电堆的两个传感器的示意图。

图14是描绘包括安装图2的改装套件的制造方法以及操作改装烤炉的方法的流程图。

优选实施方案的详细描述

图1是烤炉处理系统2的实施方案的示意性框图。烤炉处理系统2包括带式烤炉4，该带式烤炉4限定了横向延伸通过其中的经加热的隧道。传送机带6穿过隧道(在隧道内)，并且被构造成横向地行进穿过隧道，以运送待由系统2处理的物体。

在描述该系统中的方向时，可以使用相互垂直的x轴、y轴和z轴。x轴和y轴是通常水平的横向轴线。z轴是通常与重力基准对齐的垂直轴线。对于“通常对齐”，我们指的是这些在制造和定位烤炉处理系统2的典型机械公差内对齐。方向x或第一方向是输送机6穿过烤炉4的移动方向。方向y或第二方向是横向于传送机带运动的横向方向。竖直方向z可以被称为“第三方向”。

系统2包括多个传感器模块8，所述传感器模块8部分地设置在烤炉4的隧道中。传感器模块8(在图1中其他方式标记为s1-s4)耦接到一个或多个数据采集单元10。数据采集单元10从传感器模块8接收信号，并且处理该信号以输出信号或数据，该信号或数据指示沿传送机带6行进的物体的表面温度。数据采集单元10耦接到控制器12，该控制器12分析来自数据采集单元10的信息，并将其显示在用户界面14上。数据采集单元10也可以被称为传感器电子设备10。

数据采集单元10位于烤炉4的外侧。数据采集单元10包含对温度敏感并且会在烤炉4的经加热的隧道内被损坏的部件。传感器模块8在烤炉4内的部分可以抵抗烤炉4最热区域的温度。

在一些实施方案中，控制器12和用户界面14是集成单元，诸如嵌入式计算机、单独的计算机或移动设备。尽管仅示出了四个传感器8，但是数量可以变化并且可以是任何实际数量。在一个示例性实施方案中，烤炉4具有三个区域，并且每个区域具有三个传感器模块8，或者总共具有九个传感器模块。在另一个实施方案中，烤炉包括加热区域和冷却区域。在又一个实施方案中，有十二个传感器模块8。在实例性实施方案中，存在示出的两个数据采集单元10，以减小传感器模块8的长度。然而，在一些实施方案中，可以有单个数据采集单元，所有传感器均路由到单个数据采集单元10。

系统2还包括加压气体源16，该加压气体源16联接到传感器模块8。该加压气体源16可以输出空气或惰性气体，例如氮气。气体到传感器模块8的输送防止了污染物在传感器模块8上的积聚，否则该污染会降低准确地感测表面温度的能力。

图2描绘了用于向烤炉处理系统2提供增强的温度感测能力的现场升级套件18的实施方案。现场升级套件提供测量系统19的部件。现场升级套件包括传感器模块8、安装部件20、加压气体源16和数据采集单元10。传感器模块8单独地包括感测设备、外壳、气体导管和电缆，这将在下文中详细讨论。安装部件20用于将传感器模块8的远端安装在烤炉4内。

传感器模块8具有细长主体，该细长主体具有远端和近端。远端包括感测装置和外壳。近端包括气体导管和电缆的端部。气体导管和电缆在远端与近端之间延伸。细长主体的传感器模块的结构允许将数据采集单元10(温度敏感的测量系统的电子设备)与远端(温度不敏感的感测装置和外壳)物理隔离。

加压气体源16可以采用任何数量的形式。在一个实施方案中，加压气体源16包括用于对空气加压和输送的再生鼓风机。在另一个实施方案中，加压气体源16包括氮气发生器，该氮气发生器用于向传感器模块8提供加压氮气。在又一些实施方案中，加压气体源可以是惰性气体源，例如诸如氩气或氮气的惰性气体的加压瓶。

图3a和图3b描绘了形成传感器模块8的一部分的感测装置22的等轴示意图。在所示的实施方案中，感测装置22具有圆柱形壳体24，该圆柱形壳体具有第一侧面26和第二侧面28。第一侧面26限定了开口30，该开口30与热电堆透镜32对齐。四个电引线34从第二侧面28出现。四个引线34输出待由数据采集单元10接收的信号。圆柱形壳体24通常由金属形成。

图4描绘了感测装置22，壳体24处于“鬼影”中，使得内部部件可见。在壳体24内部是基板36，该基板36在图5a至图5b中以等轴图示单独地示出。基板36通常是硅。基板36具有第一侧面38和第二侧面40。基板36的第一侧面和第二侧面通常分别对应于壳体24的第一侧面26和第二侧面28，并且分别具有与第一侧面26和第二侧面28相同的取向。耦接到热电堆引线34tp的热电堆42形成在基板36的第一侧面38上。在操作中，热电堆42通过热电堆透镜32接收来自发射表面的红外光。热电堆42向数据采集单元10输出第一信号，该第一信号指示出发射表面相对于基板36的温度的温度。

温度传感器44附接到基板36的第二侧面40。在一个实施方案中，温度传感器44是热电偶。通过热电偶引线34tc，热电偶44向数据采集单元10输出第二信号，该第二信号指示基板36的温度。根据热电堆42信号和热电偶44信号的组合，数据采集单元10和/或控制器12可以确定发射表面的温度，该发射表面的红外辐射由热电堆42接收。

图6a和图6b示出了将感测装置22安装在支撑件46上的相对视图。在示例性实施方案中，支撑件46是铝块。支撑件46具有第一侧面48和第二侧面50。形成在第二侧面50中的是凹口52。感测装置22安装在凹口52中，壳体24的第二侧面28面向凹口52之外。保持螺钉53将壳体24保持在凹口52中的适当位置。凹口52大体上沿着支撑件46的主轴线延伸到支撑件46的一端54。来自感测装置22的电线34大体上沿着凹口52延伸。

从凹口52延伸到支撑件46的第一侧48是通孔开口56。壳体24安装在凹口52内，使得开口30与通孔开口56对齐，以允许红外光进入热电堆透镜32。

支撑件46还包括两个螺纹孔58，所述两个螺纹孔58用于将支撑件安装到安装部件20。电线34、开口56和螺纹开58军大体上沿着支撑件46的主轴线布置。

图7a和图7b示意性地描绘传感器模块8的远端66的相对视图，该传感器模块8的远端66包括由外部外壳60围绕的支撑件46，该外部外壳60保护感测装置22免受污染。在示意性用途中，烤炉处理系统2用于在印刷电路板上回流焊料。来自焊料的焊剂在回流过程中蒸发，并沉积在裸露的表面上。外壳60提供免于焊剂沉积的保护。

图7a描绘了在外壳60内的支撑件46的第二侧面50的视图。图7b描绘了在外壳60内的支撑件46的第一侧面48的相对视图。壳体60限定了开口62，该开口62与开口56、30和热电堆透镜32对齐。因此，红外光可以穿过对齐的开口，并到达热电堆42。

外壳60还限定了两个开口64，所述两个开口64与支撑件46的螺纹开口58对齐，以允许将传感器模块8的远端66安装到安装部件20上。附接到安装部件20具有密封两个开口64的效应。

联接器68将壳体60附接并密封到导管70。导管70将来自加压气体源16的加压气体72输送到外壳60。来自加压气体源16的气体72行进穿过导管70、进入壳体并从开口62出来。从开口62出来的稳定的稳定气体流72防止诸如焊料焊剂的污染物沉积在热电堆透镜32上。

还示出了用于两个功能的联接器68中的开口74。开口74允许电线34作为电缆进入导管70中。开口74还允许气体72从导管70流到外壳60。

图8是传感器模块8的近端76的示意图。气体导管70包括接头78，该接头78将气体导管70分成两个气体运输部分，所述两个气体运输部分包括联接到外壳60的第一导管部分80和联接到加压气体源16的第二导管部分80。在示例性实施方案中，接头78是t形接头78，由此从第二导管部分82到达的进入气体在通入外壳60之前被90度转向并进入第一导管部分80。在t形接头78处，导管部分80和82附接到倒钩配件83。

还示出了电缆84，该电缆84将引线34附接到数据采集单元10。电缆84穿过第一气体导管80，到达接头78，然后继续到达导管86，最后到达数据采集单元10。电缆84包括四芯电插头88，该四芯电插头88用于联接到数据采集单元10。因此，电缆穿过第一气体导管部分80，但不穿过第二气体导管部分82。

图9是传感器模块8的示例性实施方案。可以看出，传感器模块8是细长的且大部分为管状的部件。传感器模块8的大部分长度是第一导管部分80，该第一导管部分80从近侧部分76延伸到远侧部分66。第一导管部分80的长度允许温度敏感的传感器的电子设备与对温度不敏感的远端部分66之间的物理和空间上的分隔(数据采集单元)10。远端部分66可以放置在烤炉4的经加热的隧道中，而联接到传感器电子设备10的近端部分76可以放置在经加热的隧道的外侧。第一导管部分80可以沿传送机带6的边缘在远端66的安装位置与传感器的电子设备10之间布线。

图10是烤炉处理系统2的等轴图示。在所示例的实施方案中，九个传感器模块8用于监控穿过烤炉4的物体的表面。在所示例的实施方案中，烤炉4具有盖90，该盖90被提升，以显示九个传感器模块8的远端66。当盖90关闭时，限定了经加热的隧道92，传送机带6(在此未示出)沿第一方向x穿过经加热的隧道92。当九个传感器模块被图示时，可以采用任何实际数量。在某些烤炉4中，可以有12个或更多传感器。一些烤炉4将具有加热区域和冷却区域。烤炉和传感器模块8的数量的各种实施方案落入本公开的范围内。

图11是描绘由传送机带6传送的印刷电路板96的上表面94的图示。传感器模块8的远端66被示出为邻近传送机带6安装。

示出了两个螺钉98，所述螺钉98将安装部件20联接到螺纹开口58。该安装方法提供在密封壳体60中的开口64时将支撑件46支撑在传送机带6上方的双重功能。支撑件46的长轴被安装成大致与传送机带6的运动的第一方向x对齐。

远端66被安装，使得热电堆透镜32的光轴大体向下并沿横轴y对齐，以便从印刷电路板96的上表面94接收红外光。在操作期间，气体71从开口62流出，以防止来自电路板96的焊料焊剂污染并弄脏热电堆透镜32。

图12和13描绘了传感器42和44的两种不同的替代方案。对于两种替代方案，传感器42是热电堆。对于图12的实施方案，传感器44是热电偶44。图13是其中传感器44是热敏电阻的替代实施方案。图12的实施方案是一个优选实施方案，因为它将需要沿着传感器模块8布线的电线的数量限制为每个模块8只有四根电线。图13的热敏电阻需要每个模块8六根电线。

图14描绘了制造方法100的实施方案。第一组步骤102至106用于用套件18改装烤炉处理系统2。第二组步骤108至114在改装提供正被处理的物体的表面温度的监控时用于制造电路板。

根据102，将数据采集单元10安装在系统2上。根据104，安装加压气体源16。根据106，安装传感器模块8。

对于单个传感器模块8：传感器模块8的远端66安装在适当的位置，以监控处理后的物体的表面温度。然后，将导管30的第一导管部分80大体上沿并朝向传送机带6的一侧布线。将第二导管部分82布线并联接到加压气体源16。将电缆84从接头78布线并联接到数据采集单元10。

根据108，烤炉4被启动并且被加热到工作温度。根据110，激活加压气体源16，使得气体72从加压气体16源流出、沿着管道70流动并从开口62流出。根据112，诸如印刷电路板之类的物体被输入到传送机带中6。根据114，数据采集单元和控制器捕获并分析来自传感器42的信号，以确定正被处理的物体的表面温度。

步骤的不同顺序是可能的。例如，可以在部分安装传感器模块8之后执行步骤102和104。可能需要在启动烤炉4之前激活加压气体源110。步骤不同顺序的任何和所有可能的可行方法和传感器模块的实施方案是可能的，除非受权利要求书的限制。

以上描述的特定实施方案及其应用仅出于说明性目的，并不排除由所附权利要求的范围所涵盖的修改和变化。