溫度測試

溫度是熱測試中最關鍵的測試參數。依據測溫儀器是否接觸熱源，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量應用。非接觸式測溫中的紅外測溫可以獲得一個平面的溫度分布，應用也較為廣泛。示溫材料是一種熱致變色的材料，溫度不同時，其表現的顏色會發生變化。示溫材料多用于重工業設備。當前在電子散熱的熱測試中，應用不多。

3.1 熱測試設備

熱測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求；

5)   紅外成像儀：非接觸式，拍攝設備表面獲得溫度分布。

表14-1 常用測溫方法對比

3.2接觸式測溫

電子產品中接觸式測溫儀器最常用的是熱電偶。熱電偶的測溫基于塞貝克效應，即當兩種不同的金屬組成回路時，兩個節點間的溫差會導致回路中產生電勢。這種由于溫差導致的電勢稱為熱電勢。溫差與熱電勢之間存在一一對應的函數關系。因此，可以通過測量兩點之間的電勢來換算結點間的溫差。

圖14-4 熱電偶數據采集儀、采集模塊和熱電偶線

熱電偶測溫的優點是直觀、準確，精度一般約±0.5℃，

缺點如下：

1) 感溫元件可能影響被測溫度場的分布；

2) 需要一定的反應時間；

3) 對于內部接觸困難的點，測試難度較大；

4) 無法獲得整個面的溫度分布。

使用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點上，另一端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)數據采集儀根據使用的熱電偶的分度號設置好，讀取測試結果。

說明：

1)  熱電偶需要使用導熱性能好的粘接劑粘貼到測溫點上，可以使用樂泰384導熱膠+7452催化劑，固化時間較長（常溫下數小時才能進行下一步操作），但固化后比較牢固，推薦在需要反復測試的場景中采用；樂泰416膠水+7452促進劑，可在數秒中內凝固，缺點是較脆，高溫下可能崩裂，可以在時間緊迫的一次性測試中使用。

2)  熱電偶數據記錄儀可連接至電腦，從而實現溫度的自動監控和記錄。

3)  高溫膠帶用來固定熱偶線纜在設備內部的走線，以免設備移動過程中及高溫測試過程中的熱偶線脫落及損壞。

  圖14-5 熱電偶測溫常用的固定測點和電偶線的導熱膠水和高溫膠帶

對于熱電偶的測溫原理和各類熱電偶的特點，可以參考閱讀：http://www.ecooling.net/2018/08/05/熱電偶測溫原理和各類熱電偶的特點/一文。

3.3 非接觸式測溫

非接觸式測溫常用的儀器是熱成像儀和紅外點溫槍。點溫槍只能測得表面上特定點的溫度，常用于現場問題定位，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、筆記本電腦等對設備表面溫度有嚴格要求的設備）中經常使用。

圖14-6 熱成像儀和紅外點溫槍

3.3.1 非接觸測溫的優缺點

非接觸式測溫的優點：

1)   具有較高的測溫上限；

2)   熱慣性小,可達千分之一秒，測溫立等可得，而且能夠測量運動物體的溫度和快速變化的溫度；

3)   熱成像儀還可以獲得一整個面的溫度分布，便于發現可能存在的不被注意的點。

非接觸式測溫的缺點：

1)  非接觸式測溫精度較差（約±2℃），不如接觸式測試（約±0.5℃）;

2)  需要知道表面發射率，才能正確測溫；

3)  對于不裸露在外的表面，較難測量。

3.3.2 非接觸式測溫誤差的影響因素

要正確使用紅外攝像儀，首先需要理解其精度影響因素，除了儀器本身的因素外，主要表現在以下幾個方面^[1]：

3.3.2.1 物體表面輻射率

輻射率是一個物體相對于黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關，還與測試的方向有關。若物體為光潔表面時，其方向性更為敏感。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射能量大小正比于它的輻射率。根據基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發射率(ε)等于它的半球單色吸收率(α)，ε=α。在熱平衡條件下，物體輻射功率等于它的吸收功率，即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)總和為1，即α+ρ+γ=1，圖14-7解釋了上述規律。對于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可將γ近似視為0，那么只有輻射和反射(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，測試的準確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對測試的影響就越大。如鏡面表面，其反射率高，熱成像儀接收到的能量可能不是其自身輻射的能量，而是反射的其它物體發出的輻射能，這就會造成測試結果失真。在實際的檢測過程中，必須盡可能將測溫儀中設定的輻射率與被測表面的實際輻射率設置為相同，以減小所測溫度的誤差。當被測表面為鏡面時（反射率較大），可以使用一些涂料將其涂黑，降低反射率。

圖14-7 目標的紅外輻射

3.3.2.2 測試角度

輻射率與測試方向有關，測試角度（被測表面法線方向與測試儀正對方向的夾角）越大，測試誤差越大，在用紅外進行測溫時，最好正對設備表面進行測試。不得不傾斜測試來對比兩個相同物體的測溫數據時，建議在測試時測試角一定要相同。

3.3.2.3 距離系數

距離系數(K=S:D)是測溫儀到目標的距離S與測溫目標直徑D的比值，K值越大，分辨率越高。比如，用測量距離與目標直徑S:D=8:1 的測溫儀，測量距離應滿足表14-1的要求。

表14-2 S值應滿足的要求

3.3.2.4 大氣吸收

大氣吸收是指在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，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，被測物體距離越遠，大氣透射對溫度測量的影響就越大。所以，在室外進行紅外測溫時，應盡量在無雨、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，這樣就可以在誤差最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法

對于室內環境中普通表面的溫度測試，發射率是影響紅外溫度檢測精度的重要參數之一，因各目標表面性質不盡相同，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，本節講述如何修正發射率，滿足客戶精確測量的需求。

發射率的概念在熱設計基礎理論的熱輻射一節有簡單介紹。其影響因素如下：

材料 不同材料的發射率不同，如銅的發射率一般來說比鋁高。

表面光潔度 通常表面粗糙的材料發射率比光潔表面高。

表面顏色 以黑色為代表的深色系表面發射率比淺色系高。

表面形狀 表面有凹陷、夾角或不平整規則的部位比平整的部位發射率高， 如通常我們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面不規則的部分。

大多數非金屬材料（如塑料、油漆、皮革、紙張等）發射率可設置為 0.95，相同材質、不同顏色的目標其發射率非常接近，誤差通常不超過測量精度范圍；部分表面光亮的非金屬材料發射率較低（如瓷磚、玻璃等）。

當不知道測試表面的發射率時，通常采用如下方法來處理，保證測試結果的準確性[2]：

3.3.3.1 絕緣膠帶法

將一塊絕緣膠帶（已知發射率）貼于被測物體表面，通過調整紅外熱像儀發射率，使被測材料表面的溫度與貼有絕緣膠帶表面溫度相同或接近，此時的發射率即為被測材料物體正確的發射率。

操作方法 

貼絕緣膠布（建議使用 3M 電氣絕緣膠帶，牌號 1712，黑色），發射率：0.93

適用場合 

此種方法適用于被測目標相對比較大，溫度較低（小于 80℃），要求測試后不改變原目標表面狀況的場合，例如各種散熱模塊，光潔芯片（較大）表面，金屬表面等。

注意事項

應盡量使膠帶與被測目標的表面接觸緊密，沒有氣泡或褶皺等現象，需要預留 5分鐘以上時間，使被測目標表面與膠帶充分達到熱平衡狀態。

圖14-8 3M1712電氣絕緣膠帶

3.3.3.2 噴漆法

將漆（已知發射率）均勻的噴涂在被測物體表面，然后通過調整紅外熱像儀發射率，直到沒有噴漆的表面溫度與噴漆表面溫度相同或接近，此時的發射率即為目標物體正確的發射率。

操作方法 

噴涂的丙烯酸樹脂（建議使用保賜利自動噴漆，黑色），發射率： 0.97。

適用場合 

此種方法可以適用于溫度較高目標，也可以適用目標尺寸較小的，但可以接受 被測物體表面狀況被改變的場合，例如設備維護場合下的管道、閥門等靜設備 ；制造業中，較小的芯片表面、管腳、不規則的散熱片、電容器頂端、LED 芯片（表面鍍銀）。

注意事項 

應盡量使噴漆面均勻，而且薄（但要覆蓋住被測目標表面），同時要給客戶說明，噴涂后的目標可能無法擦拭干凈；建議使用者噴涂 3 分鐘后，再進行測試。建議使用黑體漆 : 已知發射率為 0.96

圖14-9 黑體漆

3.3.3.3 涂抹法

用水性白板筆（已知發射率）均勻的涂抹在被測物體表面，然后通過調整紅外熱像儀發射率，直到沒有涂抹的表面溫度與涂抹表面溫度相同或接近，此時的發射率即為目標物體正確的發射率。

操作方法 

涂抹水性白板筆（建議使用晨光水性白板筆，牌號 MG - 2160 ，黑色），發射率：0.95。

適用場合

此方法可以適用于不允許改變物體表面狀態（涂抹后可擦去），同時 形狀不適合進行膠帶粘貼的目標，涂抹法可針對較小的目標進行，但目標表面溫度不宜超過 100℃。

注意事項

白板筆不能是油性筆，否則干后很難擦去。

應盡量使涂抹面均勻，建議使用者涂抹 3 分鐘后，待目標表面熱平衡后再進行測試。

圖14-10水性白板筆

3.3.3.4 接觸溫度計法

用接觸式溫度計，如熱電偶、熱電阻等直接測量物體表面溫度，然后通過調整紅外熱像儀發射率，直到熱像儀所測得的表面溫度與接觸式接觸式溫度計測得的表面溫度相同或接近，此時的發射率即為目標物體正確的發射率。

操作方法 

使用接觸式測溫儀器。

適用場合 

測量方便，但需注意現場是否允許進行表面接觸測溫（特別是帶電、運動等現場）。

注意事項 

應使熱電偶與被測目標表面接觸良好，并要求測試的數據必須是溫度穩定后的數據。

參考文獻

[1] 曾強, 舒芳譽, 李清華. 紅外測溫儀的工作原理及誤差分析[J]. 自動化信息,2006(12):71-72.

[2] 用戶手冊. www.fluke.com.cn/

[3] www.ecooling.net

[4] https://www.keysight.com

[5] https://www.fluke.com.cn/

[6] https://cn.omega.com

[7] http://www.longwin.com/

本篇節選自：陳繼良.從零開始學散熱.第十四章 熱測試

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