電子產(chǎn)品的傳感測溫機理與方法

摘 要：本文通過(guò)對電子產(chǎn)品溫度測量的論述，進(jìn)一步了解和認識熱電偶測溫和紅外測溫的機理和它們在實(shí)際應用中的方法及相關(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)品設計定型時(shí)，需要分別在正常工作狀態(tài)和模擬故障狀態(tài)下對設備各個(gè)部分的溫度進(jìn)行測試，以防止表面溫度過(guò)高傷害用戶(hù)或內部溫度超出材料件所能承受的溫度限值而導致著(zhù)火或絕緣失效引起觸電危險，現在一般采用熱電偶測量或外加紅外測溫監控的方式進(jìn)行。 
　　溫度是表征熱力學(xué)系統冷熱程度的物理量，用數值表示叫溫標，常用的溫標有攝氏溫標、華氏溫標、熱力學(xué)溫標等。溫度會(huì )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(gè)回路中，使它們處于兩個(gè)不同的溫度環(huán)境下，則回路中就會(huì )出現一個(gè)通常不為零的電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢，產(chǎn)生這個(gè)溫差電動(dòng)勢的金屬回路稱(chēng)為熱電偶。熱電偶是把非電學(xué)量（溫度）轉化成電學(xué)量（電動(dòng)勢）來(lái)測量，用它來(lái)測量溫度具有許多優(yōu)點(diǎn)，如測溫范圍寬、靈敏度和準確度較高、結構簡(jiǎn)單不易損壞、受熱點(diǎn)也可做得很小，因而對溫度變化響應快，對測量對象的狀態(tài)影響小，可以用于溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測量和監控。熱電偶的溫差電動(dòng)勢雖然主要取決于所選用的材料和兩個(gè)接頭的溫度，但材料中所含的雜質(zhì)和加工工藝過(guò)程也會(huì )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(dòng)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使用溫度范圍、所需精度、使用環(huán)境、響應時(shí)間和經(jīng)濟效益來(lái)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℃下以及負溫測量一般用T型電偶，在低溫時(shí)T型熱電偶穩定而且精度高；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；要求響應時(shí)間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝熱電偶比較合適，焊好的熱電偶都應先進(jìn)行分度，即測定出溫差電動(dòng)勢與溫度間的確定關(guān)系，然后才能用它來(lái)測量溫度，在一定條件下我們需要使用補償導線(xiàn)，既在一定溫度范圍內具有與所匹配的熱電偶的熱電動(dòng)勢的標稱(chēng)值相同的一對帶有絕緣層的導線(xiàn)，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，合金絲是構成補償導線(xiàn)的導體，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，補償導線(xiàn)分為延長(cháng)型和補償型兩種，延長(cháng)型的合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢標稱(chēng)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(shí)與配用熱電偶絲標稱(chēng)值相同，用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示，不同合金絲可應用于同種型號的熱電偶，并用附加字母予以區別。在使用之前，應將熱電偶的內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(diǎn)焊接來(lái)連接，然后與要測量溫度的地方相連，為了達到與被測點(diǎn)同樣的溫度，接點(diǎn)要與被測部件的表面緊密接觸，現在一般通過(guò)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性方面優(yōu)于膠合法。
　　接下來(lái)談?wù)?A href="ceuane.asp">紅外測溫技術(shù)，眾所周知，太陽(yáng)光（白光）是由各種顏色的光復合而成，使用分光棱鏡就把太陽(yáng)光（白光）　分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等單色光。英國物理學(xué)家赫胥爾從熱的觀(guān)點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí)，發(fā)現太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線(xiàn)外，還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)” 位于紅色光外側，這個(gè)所謂熱量最多的高溫區，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面，他把這種看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”，叫做紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)的波長(cháng)在0.76～100μm之間，按波長(cháng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類(lèi)，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無(wú)線(xiàn)電波與可見(jiàn)光之間的區域。紅外線(xiàn)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環(huán)境下都會(huì )產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規則的運動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動(dòng)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(huì )因自身的分子運動(dòng)而輻射出紅外線(xiàn)，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(cháng)的分布除依賴(lài)于輻射波長(cháng)及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結構、材料厚度和環(huán)境條件等因素有關(guān)，紅外測溫儀是通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(xiàn)(紅外輻射)，從而準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(zhù)非接觸、響應時(shí)間快、使用安全及使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)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(lèi)型：紅外熱像儀、紅外熱電視和紅外測溫儀（包括便攜式、在線(xiàn)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接受被測目標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)系統和紅外探測器之間，有一個(gè)光機掃描機構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換成電信號，經(jīng)放大處理、轉換成視頻信號通過(guò)電視屏或監測器顯示紅外熱像圖，使測試效果直觀(guān)，靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態(tài)變化，準確反映設備內部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對發(fā)現設備隱患非常有效，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，被測目標的整個(gè)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的紅外輻射線(xiàn)通過(guò)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(shí)時(shí)寬譜成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成，通過(guò)熱釋電攝像管接受被測目標物體的表面紅外輻射，并把目標內熱輻射分布的不可見(jiàn)熱圖像轉變成視頻信號；在目前試驗中得到普及應用的便攜紅外測溫儀是由光學(xué)系統，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)系統匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳�的電信號，該信號再�?jīng)換算轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值，其測量精度可達1度或更高，一般帶有激光瞄準，便于識別目標區域。我門(mén)要根據被測設備尺寸和環(huán)境條件從測溫范圍、測量精度、工作波長(cháng)、響應時(shí)間、光學(xué)分辨率、顯示和輸出、價(jià)格等方面來(lái)選用便攜紅外測溫儀，測溫范圍是最重要的一個(gè)性能指標，不同型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬，一般來(lái)說(shuō)，測溫范圍越窄，監控溫度的輸出信號分辨率越高，測溫范圍過(guò)寬，會(huì )降低測量精度；如果被測設備尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%，測溫儀就不會(huì )受到測量區域外面的背景影響造成誤差，可以選擇單色測溫儀，反之如目標尺寸小于視場(chǎng)，雙色測溫儀是最佳選擇，其溫度是由兩個(gè)獨立的波長(cháng)帶內輻射能量的比值來(lái)確定的，因此當被測目標很小，沒(méi)有充滿(mǎn)現場(chǎng)，即使測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時(shí)，仍能保證測量精度；由于設備組成材料的發(fā)射率和表面特性不同，測溫儀的光譜相應波長(cháng)也不同，如測量高溫金屬材料的最佳波長(cháng)是近紅外，可選用0.8～1.0μm，測溫時(shí)應盡量選用短波較好；響應時(shí)間是指紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時(shí)間常數有關(guān)，在測量快速加熱的目標時(shí)，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會(huì )降低測量精度，對于靜止的或目標熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應時(shí)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之間的距離D與被測目標直徑S之比，如果由于環(huán)境條件限制必須遠離目標，而又要測量小的目標，就應選擇高光學(xué)分辨率（高距離系數）的測溫儀，相應測溫儀的成本也越高，對于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統焦點(diǎn)處為光斑最小位置，為了能在接近和遠離焦點(diǎn)的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個(gè)最小焦點(diǎn)位置，可根據到目標的距離進(jìn)行調節，另外當測試工作環(huán)境中存在易燃氣體時(shí)，可選用本征安全型紅外測溫儀。需要強調的是紅外測溫儀必須經(jīng)過(guò)校準才能使它正確地顯示出被測目標的溫度，特別是要進(jìn)行定期檢定，試驗人員在實(shí)際運用過(guò)程中也要不斷積累經(jīng)驗和掌握測試技巧，避免讀數偏差而得出錯誤結果，比如在測量反光物體（如鋁和不銹鋼）表面溫度時(shí)，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(lái)回測試，應該在一個(gè)溫度相對平衡的狀態(tài)下進(jìn)行測量。
　　不同的電子產(chǎn)品的整體結構和工作環(huán)境不同，工程師要根據實(shí)際情況合理有效地結合采用以上兩種測溫方法進(jìn)行測試，不斷積累經(jīng)驗，以達到準確、高效的測量目的。