熱測（cè）試——溫度測試
作者：
salmon範
編輯：
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來源：
www.tuyatang.com
發（fā）布日期： 2020.08.19
1、熱測試的目的和內容
在電子產品（pǐn）散熱設計中，熱測試（shì）是必不可少的一個環節。熱測試的目的主要有以下四點：
測試產品實際散熱表現是否能達到要求；
檢驗（yàn）產品散熱方案有無可改進、降成本之（zhī）處；
測試各種方（fāng）案的實際表現；
與設計前期理論/仿真預估進行回歸（guī）總結，提高後續散熱設計水平（píng）
熱測試需要關注的並不隻是溫度，而是與溫度相關的所有因素。在測試中，為（wéi）了保證測試係統設定正確，需（xū）要同時監控噪音、功（gōng）耗和相關散熱手段的使用等。熱測試的內容包括如下6項：
2、溫度測試
溫度是熱測試中（zhōng）關鍵的測試參數。依據測溫儀器是否（fǒu）接觸熱源，測溫方法可分為接觸式測溫和非接觸式測溫。其中，接觸式測溫在電子散熱領域大（dà）量應（yīng）用。非接觸式測溫中的（de）紅外測溫可以獲得（dé）一個平麵的溫度分布，應用也較為廣（guǎng）泛。示溫材料是一種熱致變色的材料，溫度（dù）不同時，其表（biǎo）現的顏色會（huì）發生變化。示（shì）溫材料多用於（yú）重工業設備。當前在電子（zǐ）散熱的熱測（cè）試中，應用不多。
3.1 熱（rè）測試設備
熱測試實驗室需要配置如下基（jī）本設備，才能進行熱測試。
1)恒溫恒濕試驗箱:提供可控的測試環境；
2)熱偶線、溫度補償線、數據采集器：接觸式測溫,讀取測點溫度；
3)膠水、高溫膠帶：固定測（cè）點；
4)功率計：用來測試記錄設（shè）備所（suǒ）耗功率，核對測試負載是否符合要求；
5)紅（hóng）外成像儀：非（fēi）接觸式，拍攝設備表麵獲得（dé）溫度分布。
3.2接觸式測溫
電子產品中接觸式測（cè）溫儀器常用的是熱電偶。熱電偶（ǒu）的測（cè）溫基於塞貝克效應，即當兩種不同（tóng）的金屬組成回路時（shí），兩個節點間的（de）溫差會導致回路中產生電（diàn）勢。這種由於溫差導致（zhì）的電勢稱為熱電勢。溫差與熱電勢之間存在一一對（duì）應的函數關係。因此，可以通（tōng）過測量兩點之間的電勢來換算結點間的溫差。
熱電偶測（cè）溫的優點是直觀、準確，精度一（yī）般約±0.5℃，
缺點如下：
1)感溫元件可能影響（xiǎng）被測溫度場的分布；
2)需（xū）要一定的反應時間；
3)對於內部接觸困難（nán）的點，測試難度較大；
4)無法（fǎ）獲得整個麵的溫度分（fèn）布。
使用（yòng）熱電偶進行測溫的步驟如下：
1)根據散熱風險分析，確定測試點位置；
2)使用導熱膠將熱電偶測溫端粘貼到測（cè）點（diǎn）上，另（lìng）一端接到數據采集模塊（kuài）中，如果是測試局部流（liú）體的溫度（如進出風口溫度），則需保（bǎo）證探點固定到待（dài）測位置不晃動；
3)將采集模塊插裝至數據采集儀中；
4)數據采集儀根（gēn）據使用的熱電偶的分度號設（shè）置好，讀取測試結果。
說明：
1)熱電偶需要（yào）使用導熱性能好的（de）粘接劑粘貼到測溫點（diǎn）上，可（kě）以使用樂泰384導（dǎo）熱膠+7452催化劑（jì），固化時間（jiān）較長（常溫下數小時（shí）才能進行下（xià）一步操作），但（dàn）固化後比較牢（láo）固，推薦在需要反複測試的場景中采用；樂（lè）泰416膠水（shuǐ）+7452促進劑（jì），可在數秒中內凝（níng）固，缺點是較脆，高溫下可（kě）能崩裂，可以在時間緊迫的一次（cì）性測（cè）試中使用。
2)熱電（diàn）偶（ǒu）數據（jù）記錄儀可連接至電腦，從而實現溫度的自動監控和記（jì）錄。
3)高溫膠帶用來固定熱偶線纜（lǎn）在設備內部的走線，以免設備移動（dòng）過（guò）程中及高溫測試過程中的熱偶線脫落及損壞。
3.3 非接觸式（shì）測溫（wēn）
非接觸式測溫常用的儀器是熱成像儀和紅外點溫（wēn）槍（qiāng）。點溫槍（qiāng）隻能測得表（biǎo）麵上特定點的溫（wēn）度，常用於現場問題定位，正規熱測試驗證較少適用。熱成像儀在終端產品（如手機、機頂盒、筆記本電（diàn）腦等對（duì）設備表麵溫度有嚴（yán）格要求的設備）中經常使用。
3.3.1 非接（jiē）觸測溫的優缺點
非接觸式測溫的優點：
1)具有較高的測溫上限；
2)熱（rè）慣性小,可達千分之一秒，測溫立等（děng）可得，而且能夠測量運動（dòng）物體的溫（wēn）度和快速變化的溫度；
3)熱成像儀還可以獲得一整（zhěng）個麵的溫度分（fèn）布，便於發現可能存在的不被注意的點。
非接觸（chù）式測溫的缺點：
1)非接觸式測溫（wēn）精度較差（約±2℃），不如接觸式測（cè）試（約±0.5℃）;
2)需要知道表麵發射率，才能正確測溫；
3)對於不裸露在外的表（biǎo）麵，較難測量。
3.3.2 非接觸式測溫誤差（chà）的影響因素（sù）
要正確使用紅外攝像儀，首先需要理解其精度影響因素，除（chú）了（le）儀器（qì）本身的因素外，主要表現（xiàn）在以下幾（jǐ）個方麵[1]：
3.3.2.1 物體表麵輻射率
輻射率是一（yī）個（gè）物（wù）體相對於黑（hēi）體輻射（shè）能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表麵粗糙度、凹凸度等有關（guān），還與測試的方（fāng）向有關。若物體為光潔表麵時，其（qí）方（fāng）向性更為敏感。不同物質的輻射率是不同的，紅外測溫儀從物體上接收到輻（fú）射能量（liàng）大小正比於它的輻射率。根（gēn）據基爾霍夫定理：物體表麵的半球單色發射率(ε)等於它的半球單（dān）色吸收率(α)，ε=α。在熱平衡條件下（xià），物體輻射功率等於它的吸收功率（lǜ），即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)總（zǒng）和為1，即α+ρ+γ=1，圖14-7解釋了上述規律。對於不透明的(或（huò）具有一定（dìng）厚度)的物體透射率可將γ近似（sì）視為（wéi）0，那麽隻（zhī）有輻射和反射(α+ρ=1)。當（dāng）物體的輻射率越高，反射率就越（yuè）小，背（bèi）景和反（fǎn）射的影響就會越小，測試的準確性（xìng）也就越高；反之，背景溫度（dù）越高或反射率越高（gāo），對測試的影響就越大。如鏡麵表麵，其反射率（lǜ）高，熱成像儀（yí）接收到的能量可能（néng）不（bú）是其自身輻射（shè）的能量（liàng），而是反射的其它物體發出的輻射能，這就會造成測（cè）試結果失真。在實際的檢測過程中，必須盡可能將測（cè）溫儀（yí）中設（shè）定的輻射（shè）率與被測表麵的實際輻射率設置為相同，以減小所測（cè）溫度的誤（wù）差。當（dāng）被（bèi）測表麵為鏡麵時（shí）（反射率（lǜ）較大），可（kě）以使用一些塗料將（jiāng）其塗黑，降低（dī）反射率。
3.3.2.2 測試角度
輻射率與（yǔ）測試方（fāng）向有關，測試（shì）角度（被測（cè）表麵法（fǎ）線方向與測試儀（yí）正對方向的夾角）越（yuè）大，測試誤差越（yuè）大，在用紅外進行測溫時，好正（zhèng）對設備（bèi）表麵進行測試。不得不傾斜測試來對比兩個相同物體的測溫數據時，建議在測（cè）試時測試角一定要相同。
3.3.2.3 距離係數
距離係數（shù）(K=S:D)是測溫（wēn）儀到目標的距（jù）離S與測溫（wēn）目標直徑D的比值，K值越大，分辨率越高。比如，用測（cè）量距離與目標直徑（jìng）S:D=8:1 的（de）測溫儀，測量距離應滿足表14-1的（de）要求。
3.3.2.4
大氣吸收
大氣吸收是指（zhǐ）在傳輸過程中使（shǐ）一（yī）部分紅外線輻射能（néng）量變成（chéng）其（qí）它形式的（de）能量（liàng），或以另一種光譜（pǔ）分布。大（dà）氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被測（cè）物體距離越遠，大氣透射對（duì）溫（wēn）度測量的影響就越大。所以，在室外進行紅外測溫時，應（yīng）盡量在無雨、無霧、空（kōng）氣比較清晰的（de）環境下進（jìn）行。在室內進行紅（hóng）外測溫時，應在沒有水蒸氣的環境下（xià）進行，這樣（yàng）就可以在誤差小（xiǎo）的情況下測（cè）得較（jiào）準確的數（shù）值。
3.3.3 非接觸式（shì）測（cè）溫工程處理方法
對於室內環境中普（pǔ）通表麵（miàn）的溫度測試，發射（shè）率是影響紅外溫度檢測精度的重（chóng）要參（cān）數（shù）之一，因各目標表麵性質不盡相同（tóng），故發射率會有很大差別；若不能（néng）準確設置發射（shè）率，則會造成測量誤差，本節講述如何修正發射率，滿足客戶測量的需（xū）求。
發射率（lǜ）的（de）概念在熱設計基礎理論的熱輻射一節有簡單介紹。其影響因素（sù）如下：
材料 不同材（cái）料的發射率不同，如銅的發（fā）射率一般來說比鋁高（gāo）。
表麵光潔（jié）度 通常表麵粗糙的材料發射率比光潔表（biǎo）麵高（gāo）。
表（biǎo）麵顏色 以黑色為代表的深色係表麵（miàn）發射率比（bǐ）淺（qiǎn）色係高。
表麵形狀 表（biǎo）麵有凹陷、夾角或不平整規則的部位比平整的部位發射率（lǜ）高（gāo）， 如（rú）通常我們（men）在檢測模具加熱時會發現溫度有偏高的部位，但實際上該模具溫度是均勻的，偏高的位置往往是表麵不規則的部分。
大多數非（fēi）金屬材料（如（rú）塑料、油漆、皮革（gé）、紙張等（děng））發射率可設置為
0.95，相同材質（zhì）、不同顏色的目標（biāo）其發射率非常接近，誤差通常不（bú）超過測量精度範圍；部分表麵光亮（liàng）的非金屬材（cái）料發射率（lǜ）較低（如瓷磚、玻璃等）。
當不知道測試表麵的發射率時，通常采用如下方法來處理，保證測試結果的準確（què）性[2]：
3.3.3.1 絕緣膠帶法
將一塊絕緣膠帶（已（yǐ）知發射率）貼於被測物體表麵，通過調整紅外熱像儀發射（shè）率，使被測材料表麵的（de）溫度（dù）與貼有絕緣膠（jiāo）帶表麵溫度相同或接近，此時的發射（shè）率即為被（bèi）測材料物體正確的發射率。
操作（zuò）方法
貼絕緣膠布（建（jiàn）議使用（yòng）
3M 電氣絕緣膠（jiāo）帶，牌號 1712，黑色），發（fā）射率：0.93
適用場合
此種方法適用於被測目標相對比較大，溫度較低（小於 80℃），要求測試後不改變（biàn）原（yuán）目標表麵狀況（kuàng）的場合，例（lì）如各種散熱模塊，光潔芯片（較大）表麵，金屬（shǔ）表麵等。
注意事項（xiàng）
應（yīng）盡量使膠帶（dài）與被測目（mù）標的表麵接觸（chù）緊密，沒有氣泡或褶皺等現象，需要預留 5分鍾以上時間，使被測（cè）目標表麵與膠帶充分達到熱平衡狀態。
3.3.3.3 塗（tú）抹法
用水性（xìng）白板筆（已知發射率）均勻的塗抹在被測物體表麵，然後通過調整紅外熱像儀發射率，直到沒有塗抹的表麵溫度與塗抹表麵溫度相同或接（jiē）近，此時的發射率即為（wéi）目標物體正確的發射率。
操作方法
塗抹水性白板筆（建議使用（yòng）晨光水性白板（bǎn）筆，牌號 MG - 2160 ，黑色），發（fā）射率：0.95。
適用場合
此方法（fǎ）可以適用於不允許改變物（wù）體（tǐ）表麵狀態（塗抹（mò）後可擦去），同時 形狀不適合進行膠帶粘貼的目標，塗抹法可針對較小的目標進行，但目標表麵溫度不宜超過 100℃。
注（zhù）意（yì）事項
白板筆不能是油性筆，否則幹後很難擦去（qù）。
應盡量使塗抹麵均勻，建議使用者塗抹（mò） 3 分鍾後，待目標表麵熱平衡後再進行測試。
3.3.3.4
接觸溫度（dù）計法（fǎ）
用接觸式溫（wēn）度（dù）計，如（rú）熱電偶、熱電阻等直接測量物體表麵溫度，然後通過調整紅外熱像儀發射率，直到熱像儀（yí）所（suǒ）測得的表麵溫度與接觸式接觸式溫度計（jì）測得的表麵溫度相同（tóng）或接近，此時（shí）的發射率即為目標（biāo）物體（tǐ）正確的發射率。
操作（zuò）方法
使用接觸式測溫儀器。
適用場合
測量方（fāng）便，但需注（zhù）意現場（chǎng）是否（fǒu）允許進行表麵接觸測溫（特別是帶電、運動等現場（chǎng））。
注意事項
應使熱（rè）電偶與被測（cè）目標表麵接觸良好，並要求測試的數據必須是溫度穩（wěn）定後的數據。
