電子產(chǎn)品的傳感測溫機理與方法

摘 要：本文通過對電子產(chǎn)品溫度測量的論述，進(jìn)一步了解和認(rèn)識熱電偶測溫和紅外測溫的機理和它們在實際應(yīng)用中的方法及相關(guān)注意事項。
AbStract:This article intended to promote understanding about theory of tempreature measurement of electronic products and discuss about method of measurement by thermocoupler and infrared,it also provided some attention related in application.
關(guān)鍵詞： 電子產(chǎn)品 溫度 測量 熱電偶 紅外
Keyword: Electronic product Temperature Measurement Thermocoupler Infrared

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計定型時，需要分別在正常工作狀態(tài)和模擬故障狀態(tài)下對設(shè)備各個部分的溫度進(jìn)行測試，以防止表面溫度過高傷害用戶或內(nèi)部溫度超出材料件所能承受的溫度限值而導(dǎo)致著火或絕緣失效引起觸電危險，現(xiàn)在一般采用熱電偶測量或外加紅外測溫監(jiān)控的方式進(jìn)行。
　　溫度是表征熱力學(xué)系統(tǒng)冷熱程度的物理量，用數(shù)值表示叫溫標(biāo)，常用的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。溫度會使物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生改變，如將兩種不同的金屬焊接到一個回路中，使它們處于兩個不同的溫度環(huán)境下，則回路中就會出現(xiàn)一個通常不為零的電動勢，這個電動勢稱為溫差電動勢，產(chǎn)生這個溫差電動勢的金屬回路稱為熱電偶。熱電偶是把非電學(xué)量（溫度）轉(zhuǎn)化成電學(xué)量（電動勢）來測量，用它來測量溫度具有許多優(yōu)點，如測溫范圍寬、靈敏度和準(zhǔn)確度較高、結(jié)構(gòu)簡單不易損壞、受熱點也可做得很小，因而對溫度變化響應(yīng)快，對測量對象的狀態(tài)影響小，可以用于溫度場的實時測量和監(jiān)控。熱電偶的溫差電動勢雖然主要取決于所選用的材料和兩個接頭的溫度，但材料中所含的雜質(zhì)和加工工藝過程也會對它產(chǎn)生一定的影響，因而，盡管都是由同樣的兩種材料組成的熱電偶，它們的溫差電動勢與溫度的關(guān)系卻并不完全相同，所以對于每一支選擇熱電偶要根據(jù)使用溫度范圍、所需精度、使用環(huán)境、響應(yīng)時間和經(jīng)濟效益來綜合考慮，使用溫度在1000~1300℃之間要求精度又比較高的可用S型熱電偶和N型熱電偶；在1000℃以下的一般用K型熱電偶和N型熱電偶；低于400℃的一般用E型熱電偶；250℃下以及負(fù)溫測量一般用T型電偶，在低溫時T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高；S型、B型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用；J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛，有化學(xué)污染的環(huán)境要求有保護管；要求響應(yīng)時間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝熱電偶比較合適，焊好的熱電偶都應(yīng)先進(jìn)行分度，即測定出溫差電動勢與溫度間的確定關(guān)系，然后才能用它來測量溫度，在一定條件下我們需要使用補償導(dǎo)線，既在一定溫度范圍內(nèi)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標(biāo)稱值相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線，用它們連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差，合金絲是構(gòu)成補償導(dǎo)線的導(dǎo)體，按使用溫度分為一般用和耐熱用；按熱電特性的允差不同分為精密級和普通級，補償導(dǎo)線分為延長型和補償型兩種，延長型的合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢標(biāo)稱值與配用熱電偶絲相同，用字母“X”附加在熱電偶分度號之后表示；補償型的合金絲的名義化學(xué)成分與配用熱電偶絲不同，但其熱電勢值在0~100℃或0~200℃時與配用熱電偶絲標(biāo)稱值相同，用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示，不同合金絲可應(yīng)用于同種型號的熱電偶，并用附加字母予以區(qū)別。在使用之前，應(yīng)將熱電偶的內(nèi)部絕緣體從頂端向后剝約1.5mm，外部絕緣體則從頂端向后剝約15mm，頂端用單點焊接來連接，然后與要測量溫度的地方相連，為了達(dá)到與被測點同樣的溫度，接點要與被測部件的表面緊密接觸，現(xiàn)在一般通過膠合、焊接等方法固定，膠合法即將高齡粉和硅酸鈉溶液以同等比例相混合再與氰丙烯酸酯膠合，在膠合前應(yīng)固定熱電偶的位置，對于焊接劑易于黏附的金屬表面，采用焊接法在熱傳導(dǎo)性方面優(yōu)于膠合法。
　　接下來談?wù)劶t外測溫技術(shù)，眾所周知，太陽光（白光）是由各種顏色的光復(fù)合而成，使用分光棱鏡就把太陽光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等單色光。英國物理學(xué)家赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線” 位于紅色光外側(cè)，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面，他把這種看不見的“熱線”，叫做紅外線，紅外線的波長在0.76～100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)、材料厚度和環(huán)境條件等因素有關(guān)，紅外測溫儀是通過接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況。和接觸式測溫方法相比，紅外測溫有著非接觸、響應(yīng)時間快、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點，近年來紅外測溫技術(shù)迅速發(fā)展，儀器性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大。紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視和紅外測溫儀（包括便攜式、在線式和掃描式），紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)對被測物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換成視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效，目前先進(jìn)的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀更加小巧輕便，其探測器由單片集成電路組成，被測目標(biāo)的整個視野都聚焦在上面，圖像更加清晰；紅外熱電視是將被測目標(biāo)的紅外輻射線通過透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管，熱釋電攝像管是一種具有中等分辨率的實時寬譜成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成，通過熱釋電攝像管接受被測目標(biāo)物體的表面紅外輻射，并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號；在目前試驗中得到普及應(yīng)用的便攜紅外測溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)，光電探測器，信號放大器及信號處理.顯示輸出等部分組成，光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值，其測量精度可達(dá)1度或更高，一般帶有激光瞄準(zhǔn)，便于識別目標(biāo)區(qū)域。我門要根據(jù)被測設(shè)備尺寸和環(huán)境條件從測溫范圍、測量精度、工作波長、響應(yīng)時間、光學(xué)分辨率、顯示和輸出、價格等方面來選用便攜紅外測溫儀，測溫范圍是最重要的一個性能指標(biāo)，不同型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍，既不要過窄，也不要過寬，一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率越高，測溫范圍過寬，會降低測量精度；如果被測設(shè)備尺寸超過視場大小的50%，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響造成誤差，可以選擇單色測溫儀，反之如目標(biāo)尺寸小于視場，雙色測溫儀是最佳選擇，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的，因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，沒有充滿現(xiàn)場，即使測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，仍能保證測量精度；由于設(shè)備組成材料的發(fā)射率和表面特性不同，測溫儀的光譜相應(yīng)波長也不同，如測量高溫金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm，測溫時應(yīng)盡量選用短波較好；響應(yīng)時間是指紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)，在測量快速加熱的目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度，對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了；光學(xué)分辨率（D:S）是測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑S之比，如果由于環(huán)境條件限制必須遠(yuǎn)離目標(biāo)，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率（高距離系數(shù)）的測溫儀，相應(yīng)測溫儀的成本也越高，對于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點處為光斑最小位置，為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點的距離上準(zhǔn)確測溫，被測目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個最小焦點位置，可根據(jù)到目標(biāo)的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外當(dāng)測試工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時，可選用本征安全型紅外測溫儀。需要強調(diào)的是紅外測溫儀必須經(jīng)過校準(zhǔn)才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度，特別是要進(jìn)行定期檢定，試驗人員在實際運用過程中也要不斷積累經(jīng)驗和掌握測試技巧，避免讀數(shù)偏差而得出錯誤結(jié)果，比如在測量反光物體（如鋁和不銹鋼）表面溫度時，在讀取溫度前，可在金屬表面放一膠條，溫度平衡后，再測量膠條區(qū)域溫度，還要注意的是紅外測溫儀也不宜在溫度變化較大的環(huán)境來回測試，應(yīng)該在一個溫度相對平衡的狀態(tài)下進(jìn)行測量。
　　不同的電子產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境不同，工程師要根據(jù)實際情況合理有效地結(jié)合采用以上兩種測溫方法進(jìn)行測試，不斷積累經(jīng)驗，以達(dá)到準(zhǔn)確、高效的測量目的。



作者： 邱凌
簡介： 男，1971.8 出生，曾先后就讀福州大學(xué)電氣技術(shù)和計算機應(yīng)用專業(yè)
職業(yè)： 工程師，從事電子產(chǎn)品檢測及相關(guān)測試
單位： 福建中檢所電子部
聯(lián)絡(luò)： 0591-83762021
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