电子产品的传感测温机理与方法

摘 要：本文通过对电子产品温度测量的论述，进一步了解和认识热电偶测温和红外测温的机理和它们在实际应用中的方法及相关注意事项。
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.
关键词： 电子产品 温度 测量 热电偶 红外
Keyword: Electronic product Temperature Measurement Thermocoupler Infrared

　　在电子产品设计定型时，需要分别在正常工作状态和模拟故障状态下对设备各个部分的温度进行测试，以防止表面温度过高伤害用户或内部温度超出材料件所能承受的温度限值而导致着火或绝缘失效引起触电危险，现在一般采用热电偶测量或外加红外测温监控的方式进行。
　　温度是表征热力学系统冷热程度的物理量，用数值表示叫温标，常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。温度会使物质的某些物理性质发生改变，如将两种不同的金属焊接到一个回路中，使它们处于两个不同的温度环境下，则回路中就会出现一个通常不为零的电动势，这个电动势称为温差电动势，产生这个温差电动势的金属回路称为热电偶。热电偶是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量，用它来测量温度具有许多优点，如测温范围宽、灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏、受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控。热电偶的温差电动势虽然主要取决于所选用的材料和两个接头的温度，但材料中所含的杂质和加工工艺过程也会对它产生一定的影响，因而，尽管都是由同样的两种材料组成的热电偶，它们的温差电动势与温度的关系却并不完全相同，所以对于每一支选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用环境、响应时间和经济效益来综合考虑，使用温度在1000~1300℃之间要求精度又比较高的可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下的一般用K型热电偶和N型热电偶；低于400℃的一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高；S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用；J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛，有化学污染的环境要求有保护管；要求响应时间快又要求有一定的耐久性，选择铠装热电偶比较合适，焊好的热电偶都应先进行分度，即测定出温差电动势与温度间的确定关系，然后才能用它来测量温度，在一定条件下我们需要使用补偿导线，既在一定温度范围内具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置，以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差，合金丝是构成补偿导线的导体，按使用温度分为一般用和耐热用；按热电特性的允差不同分为精密级和普通级，补偿导线分为延长型和补偿型两种，延长型的合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用热电偶丝相同，用字母“X”附加在热电偶分度号之后表示；补偿型的合金丝的名义化学成分与配用热电偶丝不同，但其热电势值在0~100℃或0~200℃时与配用热电偶丝标称值相同，用字母“C”附加在热电偶分度号之后表示，不同合金丝可应用于同种型号的热电偶，并用附加字母予以区别。在使用之前，应将热电偶的内部绝缘体从顶端向后剥约1.5mm，外部绝缘体则从顶端向后剥约15mm，顶端用单点焊接来连接，然后与要测量温度的地方相连，为了达到与被测点同样的温度，接点要与被测部件的表面紧密接触，现在一般通过胶合、焊接等方法固定，胶合法即将高龄粉和硅酸钠溶液以同等比例相混合再与氰丙烯酸酯胶合，在胶合前应固定热电偶的位置，对于焊接剂易于黏附的金属表面，采用焊接法在热传导性方面优于胶合法。
　　接下来谈谈红外测温技术，众所周知，太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等单色光。英国物理学家赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线” 位于红色光外侧，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面，他把这种看不见的“热线”，叫做红外线，红外线的波长在0.76～100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、表面粗糙度、理化结构、材料厚度和环境条件等因素有关，红外测温仪是通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，从而准确判断物体表面的温度分布情况。和接触式测温方法相比，红外测温有着非接触、响应时间快、使用安全及使用寿命长等优点，近年来红外测温技术迅速发展，仪器性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视和红外测温仪（包括便携式、在线式和扫描式），红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换成视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效，目前先进的阵列式凝视成像的焦平面热像仪更加小巧轻便，其探测器由单片集成电路组成，被测目标的整个视野都聚焦在上面，图像更加清晰；红外热电视是将被测目标的红外辐射线通过透镜聚焦成像到热释电摄像管，热释电摄像管是一种具有中等分辨率的实时宽谱成像器件，主要由透镜、靶面和电子枪三部分组成，通过热释电摄像管接受被测目标物体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号；在目前试验中得到普及应用的便携红外测温仪是由光学系统，光电探测器，信号放大器及信号处理.显示输出等部分组成，光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值，其测量精度可达1度或更高，一般带有激光瞄准，便于识别目标区域。我门要根据被测设备尺寸和环境条件从测温范围、测量精度、工作波长、响应时间、光学分辨率、显示和输出、价格等方面来选用便携红外测温仪，测温范围是最重要的一个性能指标，不同型号的测温仪都有自己特定的测温范围，既不要过窄，也不要过宽，一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，测温范围过宽，会降低测量精度；如果被测设备尺寸超过视场大小的50%，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响造成误差，可以选择单色测温仪，反之如目标尺寸小于视场，双色测温仪是最佳选择，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的，因此当被测目标很小，没有充满现场，即使测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，仍能保证测量精度；由于设备组成材料的发射率和表面特性不同，测温仪的光谱相应波长也不同，如测量高温金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8～1.0μm，测温时应尽量选用短波较好；响应时间是指红外测温仪对被测温度变化的反应速度，与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关，在测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度，对于静止的或目标热过程存在热惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了；光学分辨率（D:S）是测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径S之比，如果由于环境条件限制必须远离目标，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率（高距离系数）的测温仪，相应测温仪的成本也越高，对于固定焦距的测温仪，在光学系统焦点处为光斑最小位置，为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温，被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸，变焦测温仪有一个最小焦点位置，可根据到目标的距离进行调节，另外当测试工作环境中存在易燃气体时，可选用本征安全型红外测温仪。需要强调的是红外测温仪必须经过校准才能使它正确地显示出被测目标的温度，特别是要进行定期检定，试验人员在实际运用过程中也要不断积累经验和掌握测试技巧，避免读数偏差而得出错误结果，比如在测量反光物体（如铝和不锈钢）表面温度时，在读取温度前，可在金属表面放一胶条，温度平衡后，再测量胶条区域温度，还要注意的是红外测温仪也不宜在温度变化较大的环境来回测试，应该在一个温度相对平衡的状态下进行测量。
　　不同的电子产品的整体结构和工作环境不同，工程师要根据实际情况合理有效地结合采用以上两种测温方法进行测试，不断积累经验，以达到准确、高效的测量目的。



作者： 邱凌
简介： 男，1971.8 出生，曾先后就读福州大学电气技术和计算机应用专业
职业： 工程师，从事电子产品检测及相关测试
单位： 福建中检所电子部
联络： 0591-83762021
地址： 福建福州鼓楼山头角121号（350002）