熱測(cè)試——溫度測(cè)試
作者：
salmon范
編輯：
瑞凱儀器
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發(fā)布日期： 2020.08.19
1、熱測(cè)試的目的和內(nèi)容
在電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)中，熱測(cè)試是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。熱測(cè)試的目的主要有以下四點(diǎn)：
測(cè)試產(chǎn)品實(shí)際散熱表現(xiàn)是否能達(dá)到要求；
檢驗(yàn)產(chǎn)品散熱方案有無(wú)可改進(jìn)、降成本之處；
測(cè)試各種方案的實(shí)際表現(xiàn)；
與設(shè)計(jì)前期理論/仿真預(yù)估進(jìn)行回歸總結(jié)，提高后續(xù)散熱設(shè)計(jì)水平
熱測(cè)試需要關(guān)注的并不只是溫度，而是與溫度相關(guān)的所有因素。在測(cè)試中，為了保證測(cè)試系統(tǒng)設(shè)定正確，需要同時(shí)監(jiān)控噪音、功耗和相關(guān)散熱手段的使用等。熱測(cè)試的內(nèi)容包括如下6項(xiàng)：
2、溫度測(cè)試
溫度是熱測(cè)試中關(guān)鍵的測(cè)試參數(shù)。依據(jù)測(cè)溫儀器是否接觸熱源，測(cè)溫方法可分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。其中，接觸式測(cè)溫在電子散熱領(lǐng)域大量應(yīng)用。非接觸式測(cè)溫中的紅外測(cè)溫可以獲得一個(gè)平面的溫度分布，應(yīng)用也較為廣泛。示溫材料是一種熱致變色的材料，溫度不同時(shí)，其表現(xiàn)的顏色會(huì)發(fā)生變化。示溫材料多用于重工業(yè)設(shè)備。當(dāng)前在電子散熱的熱測(cè)試中，應(yīng)用不多。
3.1 熱測(cè)試設(shè)備
熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)室需要配置如下基本設(shè)備，才能進(jìn)行熱測(cè)試。
1)恒溫恒濕試驗(yàn)箱:提供可控的測(cè)試環(huán)境；
2)熱偶線、溫度補(bǔ)償線、數(shù)據(jù)采集器：接觸式測(cè)溫,讀取測(cè)點(diǎn)溫度；
3)膠水、高溫膠帶：固定測(cè)點(diǎn)；
4)功率計(jì)：用來(lái)測(cè)試記錄設(shè)備所耗功率，核對(duì)測(cè)試負(fù)載是否符合要求；
5)紅外成像儀：非接觸式，拍攝設(shè)備表面獲得溫度分布。
3.2接觸式測(cè)溫
電子產(chǎn)品中接觸式測(cè)溫儀器常用的是熱電偶。熱電偶的測(cè)溫基于塞貝克效應(yīng)，即當(dāng)兩種不同的金屬組成回路時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的溫差會(huì)導(dǎo)致回路中產(chǎn)生電勢(shì)。這種由于溫差導(dǎo)致的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。溫差與熱電勢(shì)之間存在一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電勢(shì)來(lái)?yè)Q算結(jié)點(diǎn)間的溫差。
熱電偶測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是直觀、準(zhǔn)確，精度一般約±0.5℃，
缺點(diǎn)如下：
1)感溫元件可能影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布；
2)需要一定的反應(yīng)時(shí)間；
3)對(duì)于內(nèi)部接觸困難的點(diǎn)，測(cè)試難度較大；
4)無(wú)法獲得整個(gè)面的溫度分布。
使用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫的步驟如下：
1)根據(jù)散熱風(fēng)險(xiǎn)分析，確定測(cè)試點(diǎn)位置；
2)使用導(dǎo)熱膠將熱電偶測(cè)溫端粘貼到測(cè)點(diǎn)上，另一端接到數(shù)據(jù)采集模塊中，如果是測(cè)試局部流體的溫度（如進(jìn)出風(fēng)口溫度），則需保證探點(diǎn)固定到待測(cè)位置不晃動(dòng)；
3)將采集模塊插裝至數(shù)據(jù)采集儀中；
4)數(shù)據(jù)采集儀根據(jù)使用的熱電偶的分度號(hào)設(shè)置好，讀取測(cè)試結(jié)果。
說(shuō)明：
1)熱電偶需要使用導(dǎo)熱性能好的粘接劑粘貼到測(cè)溫點(diǎn)上，可以使用樂(lè)泰384導(dǎo)熱膠+7452催化劑，固化時(shí)間較長(zhǎng)（常溫下數(shù)小時(shí)才能進(jìn)行下一步操作），但固化后比較牢固，推薦在需要反復(fù)測(cè)試的場(chǎng)景中采用；樂(lè)泰416膠水+7452促進(jìn)劑，可在數(shù)秒中內(nèi)凝固，缺點(diǎn)是較脆，高溫下可能崩裂，可以在時(shí)間緊迫的一次性測(cè)試中使用。
2)熱電偶數(shù)據(jù)記錄儀可連接至電腦，從而實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)監(jiān)控和記錄。
3)高溫膠帶用來(lái)固定熱偶線纜在設(shè)備內(nèi)部的走線，以免設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中及高溫測(cè)試過(guò)程中的熱偶線脫落及損壞。
3.3 非接觸式測(cè)溫
非接觸式測(cè)溫常用的儀器是熱成像儀和紅外點(diǎn)溫槍。點(diǎn)溫槍只能測(cè)得表面上特定點(diǎn)的溫度，常用于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題定位，正規(guī)熱測(cè)試驗(yàn)證較少適用。熱成像儀在終端產(chǎn)品（如手機(jī)、機(jī)頂盒、筆記本電腦等對(duì)設(shè)備表面溫度有嚴(yán)格要求的設(shè)備）中經(jīng)常使用。
3.3.1 非接觸測(cè)溫的優(yōu)缺點(diǎn)
非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)：
1)具有較高的測(cè)溫上限；
2)熱慣性小,可達(dá)千分之一秒，測(cè)溫立等可得，而且能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度；
3)熱成像儀還可以獲得一整個(gè)面的溫度分布，便于發(fā)現(xiàn)可能存在的不被注意的點(diǎn)。
非接觸式測(cè)溫的缺點(diǎn)：
1)非接觸式測(cè)溫精度較差（約±2℃），不如接觸式測(cè)試（約±0.5℃）;
2)需要知道表面發(fā)射率，才能正確測(cè)溫；
3)對(duì)于不裸露在外的表面，較難測(cè)量。
3.3.2 非接觸式測(cè)溫誤差的影響因素
要正確使用紅外攝像儀，首先需要理解其精度影響因素，除了儀器本身的因素外，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：
3.3.2.1 物體表面輻射率
輻射率是一個(gè)物體相對(duì)于黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關(guān)，還與測(cè)試的方向有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí)，其方向性更為敏感。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，紅外測(cè)溫儀從物體上接收到輻射能量大小正比于它的輻射率。根據(jù)基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發(fā)射率(ε)等于它的半球單色吸收率(α)，ε=α。在熱平衡條件下，物體輻射功率等于它的吸收功率，即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)總和為1，即α+ρ+γ=1，圖14-7解釋了上述規(guī)律。對(duì)于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可將γ近似視為0，那么只有輻射和反射(α+ρ=1)。當(dāng)物體的輻射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會(huì)越小，測(cè)試的準(zhǔn)確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對(duì)測(cè)試的影響就越大。如鏡面表面，其反射率高，熱成像儀接收到的能量可能不是其自身輻射的能量，而是反射的其它物體發(fā)出的輻射能，這就會(huì)造成測(cè)試結(jié)果失真。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，必須盡可能將測(cè)溫儀中設(shè)定的輻射率與被測(cè)表面的實(shí)際輻射率設(shè)置為相同，以減小所測(cè)溫度的誤差。當(dāng)被測(cè)表面為鏡面時(shí)（反射率較大），可以使用一些涂料將其涂黑，降低反射率。
3.3.2.2 測(cè)試角度
輻射率與測(cè)試方向有關(guān)，測(cè)試角度（被測(cè)表面法線方向與測(cè)試儀正對(duì)方向的夾角）越大，測(cè)試誤差越大，在用紅外進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，好正對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行測(cè)試。不得不傾斜測(cè)試來(lái)對(duì)比兩個(gè)相同物體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)，建議在測(cè)試時(shí)測(cè)試角一定要相同。
3.3.2.3 距離系數(shù)
距離系數(shù)(K=S:D)是測(cè)溫儀到目標(biāo)的距離S與測(cè)溫目標(biāo)直徑D的比值，K值越大，分辨率越高。比如，用測(cè)量距離與目標(biāo)直徑S:D=8:1 的測(cè)溫儀，測(cè)量距離應(yīng)滿足表14-1的要求。
3.3.2.4
大氣吸收
大氣吸收是指在傳輸過(guò)程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量，或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被測(cè)物體距離越遠(yuǎn)，大氣透射對(duì)溫度測(cè)量的影響就越大。所以，在室外進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡量在無(wú)雨、無(wú)霧、空氣比較清晰的環(huán)境下進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)在沒(méi)有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就可以在誤差小的情況下測(cè)得較準(zhǔn)確的數(shù)值。
3.3.3 非接觸式測(cè)溫工程處理方法
對(duì)于室內(nèi)環(huán)境中普通表面的溫度測(cè)試，發(fā)射率是影響紅外溫度檢測(cè)精度的重要參數(shù)之一，因各目標(biāo)表面性質(zhì)不盡相同，故發(fā)射率會(huì)有很大差別；若不能準(zhǔn)確設(shè)置發(fā)射率，則會(huì)造成測(cè)量誤差，本節(jié)講述如何修正發(fā)射率，滿足客戶測(cè)量的需求。
發(fā)射率的概念在熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論的熱輻射一節(jié)有簡(jiǎn)單介紹。其影響因素如下：
材料 不同材料的發(fā)射率不同，如銅的發(fā)射率一般來(lái)說(shuō)比鋁高。
表面光潔度 通常表面粗糙的材料發(fā)射率比光潔表面高。
表面顏色 以黑色為代表的深色系表面發(fā)射率比淺色系高。
表面形狀 表面有凹陷、夾角或不平整規(guī)則的部位比平整的部位發(fā)射率高， 如通常我們?cè)跈z測(cè)模具加熱時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度有偏高的部位，但實(shí)際上該模具溫度是均勻的，偏高的位置往往是表面不規(guī)則的部分。
大多數(shù)非金屬材料（如塑料、油漆、皮革、紙張等）發(fā)射率可設(shè)置為
0.95，相同材質(zhì)、不同顏色的目標(biāo)其發(fā)射率非常接近，誤差通常不超過(guò)測(cè)量精度范圍；部分表面光亮的非金屬材料發(fā)射率較低（如瓷磚、玻璃等）。
當(dāng)不知道測(cè)試表面的發(fā)射率時(shí)，通常采用如下方法來(lái)處理，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]：
3.3.3.1 絕緣膠帶法
將一塊絕緣膠帶（已知發(fā)射率）貼于被測(cè)物體表面，通過(guò)調(diào)整紅外熱像儀發(fā)射率，使被測(cè)材料表面的溫度與貼有絕緣膠帶表面溫度相同或接近，此時(shí)的發(fā)射率即為被測(cè)材料物體正確的發(fā)射率。
操作方法
貼絕緣膠布（建議使用
3M 電氣絕緣膠帶，牌號(hào) 1712，黑色），發(fā)射率：0.93
適用場(chǎng)合
此種方法適用于被測(cè)目標(biāo)相對(duì)比較大，溫度較低（小于 80℃），要求測(cè)試后不改變?cè)繕?biāo)表面狀況的場(chǎng)合，例如各種散熱模塊，光潔芯片（較大）表面，金屬表面等。
注意事項(xiàng)
應(yīng)盡量使膠帶與被測(cè)目標(biāo)的表面接觸緊密，沒(méi)有氣泡或褶皺等現(xiàn)象，需要預(yù)留 5分鐘以上時(shí)間，使被測(cè)目標(biāo)表面與膠帶充分達(dá)到熱平衡狀態(tài)。
3.3.3.3 涂抹法
用水性白板筆（已知發(fā)射率）均勻的涂抹在被測(cè)物體表面，然后通過(guò)調(diào)整紅外熱像儀發(fā)射率，直到?jīng)]有涂抹的表面溫度與涂抹表面溫度相同或接近，此時(shí)的發(fā)射率即為目標(biāo)物體正確的發(fā)射率。
操作方法
涂抹水性白板筆（建議使用晨光水性白板筆，牌號(hào) MG - 2160 ，黑色），發(fā)射率：0.95。
適用場(chǎng)合
此方法可以適用于不允許改變物體表面狀態(tài)（涂抹后可擦去），同時(shí) 形狀不適合進(jìn)行膠帶粘貼的目標(biāo)，涂抹法可針對(duì)較小的目標(biāo)進(jìn)行，但目標(biāo)表面溫度不宜超過(guò) 100℃。
注意事項(xiàng)
白板筆不能是油性筆，否則干后很難擦去。
應(yīng)盡量使涂抹面均勻，建議使用者涂抹 3 分鐘后，待目標(biāo)表面熱平衡后再進(jìn)行測(cè)試。
3.3.3.4
接觸溫度計(jì)法
用接觸式溫度計(jì)，如熱電偶、熱電阻等直接測(cè)量物體表面溫度，然后通過(guò)調(diào)整紅外熱像儀發(fā)射率，直到熱像儀所測(cè)得的表面溫度與接觸式接觸式溫度計(jì)測(cè)得的表面溫度相同或接近，此時(shí)的發(fā)射率即為目標(biāo)物體正確的發(fā)射率。
操作方法
使用接觸式測(cè)溫儀器。
適用場(chǎng)合
測(cè)量方便，但需注意現(xiàn)場(chǎng)是否允許進(jìn)行表面接觸測(cè)溫（特別是帶電、運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)）。
注意事項(xiàng)
應(yīng)使熱電偶與被測(cè)目標(biāo)表面接觸良好，并要求測(cè)試的數(shù)據(jù)必須是溫度穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)。
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