電子產品的傳感測溫機理與方法

摘 要：本文通過對電子產品溫度測量的論述，進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際應用中的方法及相關注意事項。
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.
關鍵詞： 電子產品 溫度 測量 熱電偶 紅外
Keyword: Electronic product Temperature Measurement Thermocoupler Infrared

　　在電子產品設計定型時，需要分別在正常工作狀態和模擬故障狀態下對設備各個部分的溫度進行測試，以防止表面溫度過高傷害用戶或內部溫度超出材料件所能承受的溫度限值而導致著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行。
　　溫度是表征熱力學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、熱力學溫標等。溫度會使物質的某些物理性質發生改變，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境下，則回路中就會出現一個通常不為零的電動勢，這個電動勢稱為溫差電動勢，產生這個溫差電動勢的金屬回路稱為熱電偶。熱電偶是把非電學量（溫度）轉化成電學量（電動勢）來測量，用它來測量溫度具有許多優點，如測溫范圍寬、靈敏度和準確度較高、結構簡單不易損壞、受熱點也可做得很小，因而對溫度變化響應快，對測量對象的狀態影響小，可以用于溫度場的實時測量和監控。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和加工工藝過程也會對它產生一定的影響，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、使用環境、響應時間和經濟效益來綜合考慮，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℃下以及負溫測量一般用T型電偶，在低溫時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，有化學污染的環境要求有保護管；要求響應時間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝熱電偶比較合適，焊好的熱電偶都應先進行分度，即測定出溫差電動勢與溫度間的確定關系，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線，既在一定溫度范圍內具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線，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生的誤差，合金絲是構成補償導線的導體，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，補償導線分為延長型和補償型兩種，延長型的合金絲的名義化學成分及熱電勢標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，頂端用單點焊接來連接，然后與要測量溫度的地方相連，為了達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于膠合法。
　　接下來談談紅外測溫技術，眾所周知，太陽光（白光）是由各種顏色的光復合而成，使用分光棱鏡就把太陽光（白光）　分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等單色光。英國物理學家赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發現太陽發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，這個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、遠紅外、極遠紅外四類，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。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環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，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，還與構成物體的材料種類、表面粗糙度、理化結構、材料厚度和環境條件等因素有關，紅外測溫儀是通過接收物體發出的紅外線(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，紅外測溫有著非接觸、響應時間快、使用安全及使用壽命長等優點，近年來紅外測溫技術迅速發展，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，在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構對被測物體的紅外熱像進行掃描，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，經放大處理、轉換成視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態變化，準確反映設備內部、外部的發熱情況，可靠性高，對發現設備隱患非常有效，目前先進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物體的表面紅外輻射，并把目標內熱輻射分布的不可見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，光學系統匯聚其視場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為相應的電信號，該信號再經換算轉變為被測目標的溫度值，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。我門要根據被測設備尺寸和環境條件從測溫范圍、測量精度、工作波長、響應時間、光學分辨率、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，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；如果被測設備尺寸超過視場大小的50%，測溫儀就不會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，雙色測溫儀是最佳選擇，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的，因此當被測目標很小，沒有充滿現場，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；由于設備組成材料的發射率和表面特性不同，測溫儀的光譜相應波長也不同，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，測溫時應盡量選用短波較好；響應時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間常數有關，在測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度，對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了；光學分辨率（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，在光學系統焦點處為光斑最小位置，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個最小焦點位置，可根據到目標的距離進行調節，另外當測試工作環境中存在易燃氣體時，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過校準才能使它正確地顯示出被測目標的溫度，特別是要進行定期檢定，試驗人員在實際運用過程中也要不斷積累經驗和掌握測試技巧，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，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境來回測試，應該在一個溫度相對平衡的狀態下進行測量。
　　不同的電子產品的整體結構和工作環境不同，工程師要根據實際情況合理有效地結合采用以上兩種測溫方法進行測試，不斷積累經驗，以達到準確、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電氣技術和計算機應用專業
職業： 工程師，從事電子產品檢測及相關測試
單位： 福建中檢所電子部
聯絡： 0591-83762021
地址： 福建福州鼓樓山頭角121號（350002）