溫度測(cè)試
溫度是熱測(cè)試中最關(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。
表14-1 常用測(cè)溫方法對(duì)比
3.2接觸式測(cè)溫
電子產(chǎn)品中接觸式測(cè)溫儀器最常用的是熱電偶。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，可以通過測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電勢(shì)來換算結(jié)點(diǎn)間的溫差。
圖14-4 熱電偶數(shù)據(jù)采集儀、采集模塊和熱電偶線
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)過程中及高溫測(cè)試過程中的熱偶線脫落及損壞。
圖14-5 熱電偶測(cè)溫常用的固定測(cè)點(diǎn)和電偶線的導(dǎo)熱膠水和高溫膠帶
對(duì)于熱電偶的測(cè)溫原理和各類熱電偶的特點(diǎn)，可以參考閱讀：http://www.ecooling.net/2018/08/05/熱電偶測(cè)溫原理和各類熱電偶的特點(diǎn)/一文。
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。
圖14-6 熱成像儀和紅外點(diǎn)溫槍
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。
圖14-7 目標(biāo)的紅外輻射
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)，最好正對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行測(cè)試。不得不傾斜測(cè)試來對(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。
表14-2 S值應(yīng)滿足的要求
3.3.2.4 大氣吸收
大氣吸收是指在傳輸過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)盡量在無雨、無霧、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)在沒有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就可以在誤差最小的情況下測(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，滿足客戶精確測(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)射率一般來說比鋁高。
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)。
圖14-8 3M1712電氣絕緣膠帶
3.3.3.2 噴漆法
將漆（已知發(fā)射率）均勻的噴涂在被測(cè)物體表面，然后通過調(diào)整紅外熱像儀發(fā)射率，直到?jīng)]有噴漆的表面溫度與噴漆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
噴涂的丙烯酸樹脂（建議使用保賜利自動(dòng)噴漆，黑色），發(fā)射率： 0.97。
適用場(chǎng)合
此種方法可以適用于溫度較高目標(biāo)，也可以適用目標(biāo)尺寸較小的，但可以接受 被測(cè)物體表面狀況被改變的場(chǎng)合，例如設(shè)備維護(hù)場(chǎng)合下的管道、閥門等靜設(shè)備 ；制造業(yè)中，較小的芯片表面、管腳、不規(guī)則的散熱片、電容器頂端、LED 芯片（表面鍍銀）。
注意事項(xiàng)
應(yīng)盡量使噴漆面均勻，而且?。ǖ采w住被測(cè)目標(biāo)表面），同時(shí)要給客戶說明，噴涂后的目標(biāo)可能無法擦拭干凈；建議使用者噴涂 3 分鐘后，再進(jìn)行測(cè)試。建議使用黑體漆 : 已知發(fā)射率為 0.96
圖14-9 黑體漆
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 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。
圖14-10水性白板筆
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)。
參考文獻(xiàn)
[1] 曾強(qiáng), 舒芳譽(yù), 李清華. 紅外測(cè)溫儀的工作原理及誤差分析[J]. 自動(dòng)化信息,2006(12):71-72.
[2] 用戶手冊(cè). www.fluke.com.cn/
[3] www.ecooling.net
[4] https://www.keysight.com
[5] https://www.fluke.com.cn/
[6] https://cn.omega.com
[7] http://www.longwin.com/
本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第十四章 熱測(cè)試
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