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Hot or Cold 之 红外测温的精度

发布时间:2018/03/09浏览数量:604发布出处:本站
作者:深圳华瑞通科技有限公司
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摘要:为什么要做这个评估 ? 首先因为温度测量在产品测试过程中是一个关键步骤,可以用来计算半导体器件的工作结温、计算电解电容的工作寿命、掌握机壳的表面温度等等,这些数据对于评估产品的可靠性至关重要。而在测量温度的时候,接触式热电偶和非接触式红外仪器是最常用的两类设备,以下是目前硬件测试实验室在使用的测量设备:

关键词:

为什么要做这个评估 ?


首先因为温度测量在产品测试过程中是一个关键步骤,可以用来计算半导体器件的工作结温、计算电解电容的工作寿命、掌握机壳的表面温度等等,这些数据对于评估产品的可靠性至关重要。而在测量温度的时候,接触式热电偶和非接触式红外仪器是最常用的两类设备,以下是目前硬件测试实验室在使用的测量设备:


当然出现两种温度测量设备并不是偶然,因为各有各的长处。热电偶的优点是测量结果准确,缺点是热偶线的粘贴以及与待测物达到热平衡的时间长,所以测量比较费工费时,温度响应速度也比较慢;红外仪器的优点是测量快速,而且可测量难以靠近的物体温度,缺点是测量结果容易受到影响,而且无法直接测量封闭结构内部的器件温度。所以在实际应用中,通常是先使用红外测温仪快速扫描产品的高温区域分布,然后再使用热电偶进行准确的温升测试。


但在测量精度上很多人都会有这样的疑问 :“同样在测量处于开放环境下的物体表面温度,红外测温仪能否代替热电偶 ? ”如果可行,那么很多场景下的温度测试使用红外测量能够节省大量时间。


1测温原理


1.1红外测温原理


在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0.75 ~ 1000μm 的红外线,红外测温仪即通过测量该辐射量来计算待测物体温度。


斯蒂芬--玻耳兹曼定理 :


其中:


Pb(T) -- 温度为T 时,单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能,称为总辐射度


σ -- 斯蒂芬—玻耳兹曼常量


T  -- 物体温度


以上是黑体辐射公式,此处引入一个辐射率参数ε(λ),定义为:


因为只有黑体ε=1,自然界中的物体0<ε<1 ,称为灰体,将式(2)带入式(1)得到:


根据基尔霍夫定理:物体表面的半球单色发射率(ε)等于它的半球单色吸收率(α),ε=α。在热平衡条件下,物体的辐射功率等于吸收功率。设被测目标的温度为 T1,环境温度为T2 ,该目标单位面积表面发射的辐射能为,而被它所吸收辐射能为,则该物体发出的净辐射能Q 为:


其中:


A-- 单位面积


ε -- 辐射率


α -- 吸收率


因为ε=α,式(4)简化为 :


红外测温仪即参照公式(5)进行温度测量。注意公式中除了参数T1,其他参数都会影响到红外测温仪的测量结果,主要因素有辐射率ε,透射率τ,北京温度BG以及其他因素影响。


1.2热电偶测温原理



热电偶测温是根据热电效应,即塞贝克效应原理。以下仅作简单描述 :




如上图将不同材料的导体A、B接成闭合回路,接触测温点的一端称测量端,一端称参比端。若测量端和参比端所处温度t和t0 不同,则在回路的A、B之间就产生一热电势EAB(t,t0 ),这种现象称为塞贝克效应。EAB大小随导体A、B的材料和两端温度t和t0 而变,这种回路称为原型热电偶。在实际应用中,将A、B的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度t处,而将参比端分开,用导线接入显示仪表,并保持参比端接点温度t0稳定。显示仪表所测电压只随被测温度而t变化,从而通过测量电压计算得到测量端的温度值。


2温度测量验证


考虑到热电偶测量准确度更高,所以使用MCC/USB5201的测试结果作为标准参考值,比较红外测试设备与其测量结果的差异,从而评估准确性。


2.1测试环境


温度测试点选择以下比较典型的:CPU散热片(代表金属散热片)、电源IC表面(代表半导体器件)、硬盘金属外壳(代表表面光亮的金属)、电解电容铝壳。




测试结果



(1)注意62mini 在测量小尺寸电源IC上的误差


62mini 因为产品设计的原因,只能测量采集范围内的所有物体温度的平均值,所以使用时就必须注意到应用场景。如果待测物体尺寸大于或接近采集范围,那么测量结果还是比较准确的,与Ti32结果相近;但如果待测物尺寸远小于采集范围,误差就比较大。如下图所示 :





(2)注意红外测温仪对硬盘金属壳的测量结果


规格标签和金属外壳的温度经过热电偶测试验证温度相同,但使用热像仪测试(如图6),标签温度为43.8℃,金属外壳温度为33.1℃,出现了接近10℃的差别。




验证分别在金属表面粘贴黄胶带和使用黑色记号笔涂抹后的测量值,可见黄胶带表面测量温度和标签以及热电偶测量温度近似为43.8℃。而记号笔涂抹后没有作用。所以如果需要测量这类比较光滑的金属表面,因为其辐射率比较低,所以可在其表面覆盖高辐射率的导热材料,如黄胶带、电工胶带或者涂抹导热硅脂,待其与待测物达到热平衡后,测量覆盖材料的表面温度作为测试结果作为近似值。



3注意会影响到测试结果的因素


3.1反射现象 - 当心表面光亮的金属可能产生错觉


下图为不锈钢表面的温度测量。其表面温度使用热电偶测量是29℃左右,但注意如果将手指靠近其表面后,实际测量会得到一个36.4℃的高温区。当然这个高温区并不是真实存在的,是不锈钢表面反射手指的红外成像,就像可见光的镜面反射一样,并不是待测物表面的热辐射。





透射现象 - 当心看似透明的材料可能并不能透过红外能量


下图中当手和红外测试仪之间被亚克力隔离后,会发现手指的热成像也被阻断了,所以图中28.1℃只是亚克力表面的温度。实际上只有少数材料可以透过红外线,如:锗、硅、塑料薄膜等,而且当在测量路径上有这些材料的时候,也必须将材料的透射率参数输入热像仪中,否则测量结果并不可靠。





3.3另外还有一些情况需要注意,在此不做验证。包含大量水蒸汽的大气层会吸收和散射红外辐射能,如在高湿度的条件下观看远景;当待测物直径太小而无法填满像素,例从远处观看高压线。


4结论


(1)热像仪Ti32在ε=0.95,τ=100% ,BG=20℃ 设置下,测量目前产品的大部分部件温度,准确程度可以接受,与热电偶差别在2℃左右。但在测量光滑金属表面或使用在高湿环境等情况下需要注意评估测量结果。


(2)62mini 使用时需要特别注意到:只有待测物尺寸大于采集范围时,其测量结果才比较准确,与Ti32接近。其他需要注意的情况与Ti32基本相同。


所以红外测温仪如果使用得当,在针对物体表面温度的测量上,准确性是可以接受的,当然如果对精度要求很高,还是需要使用接触式热电偶的测量方法。



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