熱測試——溫度測（cè）試
作者：
salmon範
編（biān）輯：
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來源：
www.tuyatang.com
發布日期： 2020.08.19
1、熱測試的目的（de）和（hé）內容
在電子產品散（sàn）熱設計中，熱測試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（néng）達到要求；
檢（jiǎn）驗產品散熱方案有無可改進（jìn）、降成本之處；
測試各種方案的（de）實際（jì）表現；
與設計前期理論/仿真預估進（jìn）行（háng）回歸總結，提高後續散熱設計水平
熱測試需要關注的並不隻（zhī）是溫度，而是與溫（wēn）度（dù）相關的所（suǒ）有因素。在（zài）測試中，為了（le）保（bǎo）證測試係統設定正確（què），需要同（tóng）時監控（kòng）噪（zào）音、功耗和相關散熱手段的使用等。熱測試的內容（róng）包括如下6項：
2、溫度測試
溫（wēn）度是熱測試中關鍵的測試參數。依據測溫儀器是否接（jiē）觸熱源，測溫方法（fǎ）可分為接觸式測溫和非（fēi）接觸式測溫。其中，接觸式測溫在電（diàn）子散熱領域大量應用。非接觸式測溫中的紅外測溫可以獲得一個平麵的溫度分布，應用也較為廣（guǎng）泛。示溫材料是（shì）一（yī）種（zhǒng）熱致變色的材料，溫度（dù）不同時，其表現（xiàn）的顏色會發生變化。示溫材料多用於重工業設備。當前在電子（zǐ）散（sàn）熱的熱測試中，應（yīng）用不多。
3.1 熱測試設備
熱測（cè）試實驗室需要配置如下基本設備，才能進行熱測試。
1)恒溫恒濕試驗箱:提供可控的測試（shì）環境；
2)熱偶線、溫度補（bǔ）償線、數據采集器：接（jiē）觸式測溫,讀取測點溫度（dù）；
3)膠水（shuǐ）、高溫膠帶：固定測點；
4)功率計：用來測試記錄設備所耗功率，核對測試負載是否符合要（yào）求；
5)紅外成像儀：非接觸式，拍攝設（shè）備表麵獲得（dé）溫度分布（bù）。
3.2接觸式測（cè）溫（wēn）
電子產品中接觸式測溫儀器常用的是熱電偶。熱電偶的測溫基於（yú）塞貝克（kè）效應，即當兩（liǎng）種不同的金屬組成回路時，兩個（gè）節點間的溫差會導（dǎo）致回路中產生電勢。這種由於溫（wēn）差導致的電勢稱為熱電勢。溫差與熱電勢之間（jiān）存在一一對應的函數關係。因此，可以（yǐ）通過測量兩點之間（jiān）的電勢（shì）來換算結點間的溫差（chà）。
熱電偶測溫的優點是直觀、準確，精度一般約±0.5℃，
缺點如（rú）下：
1)感溫元件可能（néng）影響被測（cè）溫（wēn）度場的分布；
2)需要一（yī）定的反應時間；
3)對於（yú）內部（bù）接觸困難（nán）的點，測試難度較大；
4)無法獲（huò）得（dé）整個麵（miàn）的溫度分布。
使用熱電偶進行測溫的（de）步（bù）驟如下（xià）：
1)根據散熱風險分（fèn）析，確定（dìng）測試點位置；
2)使用導熱膠將熱電偶（ǒu）測溫端（duān）粘貼到（dào）測點上，另一端（duān）接到數據采集模塊中，如果是測試局部流體的溫度（如進出風口溫度），則需保證探點固定到待測位（wèi）置不（bú）晃動；
3)將采集（jí）模塊插裝至（zhì）數據采集儀中；
4)數據采集儀根據（jù）使用的（de）熱電偶的分度號設（shè）置好，讀取測（cè）試結果。
說明：
1)熱電偶需要使用導熱性能好（hǎo）的粘接劑粘貼到測溫點上，可（kě）以使用樂泰384導熱膠+7452催（cuī）化劑，固化時間較長（常溫下數小時才能進（jìn）行下一步操作（zuò）），但固化後比較牢固，推薦在需要反複（fù）測試的場景中采用；樂（lè）泰416膠水+7452促進劑，可在數（shù）秒中內凝固，缺點是（shì）較（jiào）脆，高溫下可能崩裂，可以在時間緊迫的一次性測試中使（shǐ）用。
2)熱電偶數據記錄（lù）儀可連接至（zhì）電（diàn）腦，從而實現溫（wēn）度的自動監（jiān）控和記（jì）錄。
3)高溫膠帶用來固定熱偶線纜在設備內部的走（zǒu）線，以（yǐ）免設備移動過程中及高溫測試過程中（zhōng）的熱偶線（xiàn）脫落及（jí）損壞。
3.3 非接觸式測溫
非接觸式測溫常用的儀器是熱（rè）成像儀（yí）和（hé）紅外點溫槍。點溫（wēn）槍隻能（néng）測得表麵上特定點的溫度，常用於（yú）現場問題定位，正規熱測試驗證較少適用。熱成像儀在終（zhōng）端產品（如手機、機頂盒、筆記本電腦等對設備表麵溫度有嚴格要求的設備）中經常使用。
3.3.1 非接觸測溫的優缺點
非接觸式測溫的優點：
1)具有較高（gāo）的測溫上（shàng）限；
2)熱慣性小,可達千分之一秒，測（cè）溫立等可（kě）得，而且能夠測量運動物體的溫度和快速變化（huà）的溫度；
3)熱成像儀還可以獲得一整個麵的溫度分布，便於發現可能存在的不被注意的點（diǎn）。
非接觸（chù）式測溫的缺（quē）點：
1)非接觸式測溫精度較差（約±2℃），不如接觸式測試（約±0.5℃）;
2)需要知道表麵發射率，才能（néng）正確測溫（wēn）；
3)對於不（bú）裸露在（zài）外的表麵，較難測量。
3.3.2 非接觸式測溫誤差的影響（xiǎng）因素
要正確使用紅（hóng）外攝像儀，首先需要理（lǐ）解其精（jīng）度影響因素，除了儀器本身的因素外，主要表現在以下幾個方麵（miàn）[1]：
3.3.2.1 物體表麵輻射率
輻射率是一個物體相對於黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表麵粗糙度、凹凸（tū）度等有關，還與（yǔ）測試的方向有關。若物體（tǐ）為光潔表麵時，其（qí）方向（xiàng）性更為（wéi）敏感。不（bú）同物質的輻射率是不同的，紅外測溫儀從物（wù）體上接（jiē）收到輻射能量大小正比於它的輻射率（lǜ）。根（gēn）據基爾霍夫定理：物（wù）體表（biǎo）麵的半球單色發射率(ε)等於（yú）它的半球單色吸收率(α)，ε=α。在熱平（píng）衡條件下，物體輻射功率等於它（tā）的吸收功率，即（jí）吸（xī）收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)總和（hé）為1，即α+ρ+γ=1，圖14-7解釋（shì）了上述規律。對於不透明的(或具有一定厚度)的物體透射（shè）率可將γ近似視為0，那麽隻有輻射和反射(α+ρ=1)。當物體的輻射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會越小，測試的準（zhǔn）確（què）性也就越高；反之，背景（jǐng）溫度越高或反射率越高，對測試的影響就越大。如（rú）鏡麵（miàn）表麵，其反射率高，熱成像儀接收到的能量可能（néng）不是其自身輻射的能量，而是反射的其它物體發出的輻（fú）射能，這就會造成測（cè）試結果失真。在實際（jì）的檢測過程中，必須盡可（kě）能將測溫儀中設定的（de）輻射率與被測表麵的實際輻（fú）射（shè）率設置為相同（tóng），以減小所測溫度的誤差。當被測表麵為鏡麵時（反射率較大），可以使用一些塗料將其塗黑，降低反（fǎn）射率。
3.3.2.2 測（cè）試角度
輻射率與測試方向有關，測試角度（被測表麵法線方（fāng）向與測試儀正對方向的夾角）越大，測試（shì）誤差越大，在用紅外進行測溫時（shí），好（hǎo）正對設備表麵進行測試。不（bú）得不傾斜測試來對（duì）比兩（liǎng）個相同物體（tǐ）的測溫數據時，建議在測試時測試角一定要相（xiàng）同。
3.3.2.3 距離係數
距離係數(K=S:D)是測溫儀到目標（biāo）的距離S與測溫目標直徑D的（de）比值，K值越大（dà），分（fèn）辨率越（yuè）高。比如，用測（cè）量距離與目標直徑S:D=8:1 的測溫儀，測量（liàng）距離應滿足表14-1的（de）要求。
3.3.2.4
大氣吸收（shōu）
大（dà）氣吸收是指在（zài）傳輸過程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量（liàng），或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被（bèi）測物體距離越遠，大氣透射對溫度測（cè）量的（de）影響就越大。所以，在（zài）室外進行紅外測溫時，應盡量在無雨（yǔ）、無霧、空氣比較清晰的環境下進行。在室內進行紅外測溫時，應在沒有水蒸氣的環境下進行，這樣就可以在誤差小的情況下測得較準確的數值。
3.3.3 非接觸式測溫工程處理方（fāng）法
對（duì）於室內環境中（zhōng）普通表麵的溫度測試，發射（shè）率（lǜ）是影響紅外（wài）溫（wēn）度檢測精度的重要參（cān）數之一，因各目標表麵性質不盡相同，故發射率會有很大差別；若不能準確設置發射率，則會造成測量誤差，本節講述如何修（xiū）正發射率，滿足客戶測量的需求。
發射（shè）率的概念在熱設（shè）計基礎理論的熱輻射一節有簡單介紹。其影響因素如下：
材料 不同材料的發射率不同，如銅的發（fā）射率一般（bān）來說比鋁高。
表麵光潔度 通常表麵粗糙的材料發射率比光潔表（biǎo）麵（miàn）高。
表麵顏色 以黑色為代表（biǎo）的深色係表麵發射（shè）率比淺色（sè）係高。
表麵形狀 表麵有凹陷、夾角或不平整規則的部位比平（píng）整的部位發射率高， 如通常我們在檢測模具（jù）加熱時會發現溫度有偏高的（de）部位，但實際上該模具溫度是均勻的，偏高的位置往往（wǎng）是表麵不規則的部（bù）分。
大多數非（fēi）金屬材料（如塑料、油漆、皮革、紙張等）發射率可設置為
0.95，相同材（cái）質、不同顏（yán）色的目（mù）標（biāo）其發射率非常接（jiē）近，誤差通常不超過測量精度範（fàn）圍；部分表麵（miàn）光亮的非金屬材料發射（shè）率較（jiào）低（如瓷磚（zhuān）、玻璃等）。
當不知道（dào）測試表麵的發射率時（shí），通常（cháng）采（cǎi）用如（rú）下方法來處理，保證測（cè）試（shì）結果的準確性[2]：
3.3.3.1 絕緣膠帶法
將（jiāng）一塊絕緣膠帶（已知發射（shè）率）貼於（yú）被測物體表麵，通過調整紅外熱像儀發射率，使被測材料表麵的（de）溫度與貼有絕緣膠帶表（biǎo）麵溫度相同或接近，此時的發射率（lǜ）即為被測材料物（wù）體正確的發射率。
操作方法
貼絕緣膠布（建議使用
3M 電氣絕（jué）緣膠帶（dài），牌號 1712，黑色），發射率：0.93
適用場合
此（cǐ）種（zhǒng）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（bú）改變原目標表麵（miàn）狀況的場合，例如各種散熱模塊，光潔芯片（較大）表麵，金屬（shǔ）表（biǎo）麵等。
注意事項
應（yīng）盡量使（shǐ）膠（jiāo）帶與被測目標的表麵接觸緊（jǐn）密，沒有氣泡或褶皺等現象，需要預留 5分鍾以上時（shí）間，使被（bèi）測目標表麵與膠帶充分（fèn）達（dá）到熱平衡狀態。
3.3.3.3 塗抹法（fǎ）
用（yòng）水性白板筆（已（yǐ）知發射率）均（jun1）勻（yún）的塗抹在被測物體表麵，然後通過調整紅外熱像儀發射率（lǜ），直到沒有（yǒu）塗抹的表麵溫度與塗（tú）抹表麵溫度相同或接近，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（mò）水性白板筆（建議使用（yòng）晨光水性白板筆，牌號 MG - 2160 ，黑色），發射（shè）率：0.95。
適用場合
此方（fāng）法可以適用於（yú）不允許改變物體表麵狀態（塗抹後可擦去（qù）），同時 形狀不適合進（jìn）行膠帶粘貼的目標（biāo），塗抹法可針對較小（xiǎo）的目標進行，但目標表麵溫度不（bú）宜超過（guò） 100℃。
注意事項
白板筆不能是油性筆，否則幹後很難擦去。
應盡量使塗抹麵均勻，建議使（shǐ）用者塗抹 3 分鍾後，待目標表麵熱（rè）平衡後再進行測試。
3.3.3.4
接觸溫度計法（fǎ）
用接觸式溫度（dù）計，如熱電偶、熱電阻等直接測量物體表麵溫（wēn）度，然後通（tōng）過調整紅外（wài）熱像儀發（fā）射率，直到熱像儀所測得的表麵溫度與接觸式接觸式溫度計測得的表麵溫度（dù）相同或接近，此時的發射率即為目標物體正確的發射（shè）率。
操（cāo）作方法
使用接觸（chù）式測溫儀器。
適用（yòng）場合（hé）
測量（liàng）方便，但需注意現場是否允許進行表麵接觸測溫（特別是帶（dài）電、運動等現（xiàn）場）。
注意事項
應使熱電偶與被測目標（biāo）表麵接（jiē）觸良好，並要求測試的數據必須是溫度穩定後的數據。
