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為什么要做這個(gè)評(píng)估 ?

首先因?yàn)闇囟葴y(cè)量在產(chǎn)品測(cè)試過程中是一個(gè)關(guān)鍵步驟，可以用來(lái)計(jì)算半導(dǎo)體器件的工作結(jié)溫、計(jì)算電解電容的工作壽命、掌握機(jī)殼的表面溫度等等，這些數(shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。而在測(cè)量溫度的時(shí)候，接觸式熱電偶和非接觸式紅外儀器是最常用的兩類設(shè)備，以下是目前硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在使用的測(cè)量設(shè)備：

當(dāng)然出現(xiàn)兩種溫度測(cè)量設(shè)備并不是偶然，因?yàn)楦饔懈鞯拈L(zhǎng)處。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是熱偶線的粘貼以及與待測(cè)物達(dá)到熱平衡的時(shí)間長(zhǎng)，所以測(cè)量比較費(fèi)工費(fèi)時(shí)，溫度響應(yīng)速度也比較慢；紅外儀器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量快速，而且可測(cè)量難以靠近的物體溫度，缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果容易受到影響，而且無(wú)法直接測(cè)量封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的器件溫度。所以在實(shí)際應(yīng)用中，通常是先使用紅外測(cè)溫儀快速掃描產(chǎn)品的高溫區(qū)域分布，然后再使用熱電偶進(jìn)行準(zhǔn)確的溫升測(cè)試。

但在測(cè)量精度上很多人都會(huì)有這樣的疑問 ：“同樣在測(cè)量處于開放環(huán)境下的物體表面溫度，紅外測(cè)溫儀能否代替熱電偶 ? ”如果可行，那么很多場(chǎng)景下的溫度測(cè)試使用紅外測(cè)量能夠節(jié)省大量時(shí)間。

1測(cè)溫原理

1.1紅外測(cè)溫原理

在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0.75 ～ 1000μm 的紅外線，紅外測(cè)溫儀即通過測(cè)量該輻射量來(lái)計(jì)算待測(cè)物體溫度。

斯蒂芬--玻耳茲曼定理 ：

其中：

Pb(T) -- 溫度為T 時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度

σ -- 斯蒂芬—玻耳茲曼常量

T  -- 物體溫度

以上是黑體輻射公式，此處引入一個(gè)輻射率參數(shù)ε(λ)，定義為：

因?yàn)橹挥泻隗wε=1，自然界中的物體0<ε<1 ，稱為灰體，將式（2）帶入式（1）得到：

根據(jù)基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發(fā)射率(ε)等于它的半球單色吸收率(α)，ε=α。在熱平衡條件下，物體的輻射功率等于吸收功率。設(shè)被測(cè)目標(biāo)的溫度為 T1，環(huán)境溫度為T2 ，該目標(biāo)單位面積表面發(fā)射的輻射能為，而被它所吸收輻射能為，則該物體發(fā)出的凈輻射能Q 為:

其中：

A-- 單位面積

ε -- 輻射率

α -- 吸收率

因?yàn)棣?α，式（4）簡(jiǎn)化為 ：

紅外測(cè)溫儀即參照公式（5）進(jìn)行溫度測(cè)量。注意公式中除了參數(shù)T1，其他參數(shù)都會(huì)影響到紅外測(cè)溫儀的測(cè)量結(jié)果，主要因素有輻射率ε，透射率τ，北京溫度BG以及其他因素影響。

1.2熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫是根據(jù)熱電效應(yīng)，即塞貝克效應(yīng)原理。以下僅作簡(jiǎn)單描述 ：

如上圖將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱測(cè)量端,一端稱參比端。若測(cè)量端和參比端所處溫度t和t0 不同,則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢(shì)EAB(t，t0 ),這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0 而變,這種回路稱為原型熱電偶。在實(shí)際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測(cè)量端放到被測(cè)溫度t處，而將參比端分開，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測(cè)電壓只隨被測(cè)溫度而t變化，從而通過測(cè)量電壓計(jì)算得到測(cè)量端的溫度值。

2溫度測(cè)量驗(yàn)證

考慮到熱電偶測(cè)量準(zhǔn)確度更高，所以使用MCC/USB5201的測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，比較紅外測(cè)試設(shè)備與其測(cè)量結(jié)果的差異，從而評(píng)估準(zhǔn)確性。

2.1測(cè)試環(huán)境

溫度測(cè)試點(diǎn)選擇以下比較典型的：CPU散熱片（代表金屬散熱片）、電源IC表面（代表半導(dǎo)體器件）、硬盤金屬外殼（代表表面光亮的金屬）、電解電容鋁殼。

測(cè)試結(jié)果

（1）注意62mini 在測(cè)量小尺寸電源IC上的誤差

62mini 因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)的原因，只能測(cè)量采集范圍內(nèi)的所有物體溫度的平均值，所以使用時(shí)就必須注意到應(yīng)用場(chǎng)景。如果待測(cè)物體尺寸大于或接近采集范圍，那么測(cè)量結(jié)果還是比較準(zhǔn)確的，與Ti32結(jié)果相近；但如果待測(cè)物尺寸遠(yuǎn)小于采集范圍，誤差就比較大。如下圖所示 ：

（2）注意紅外測(cè)溫儀對(duì)硬盤金屬殼的測(cè)量結(jié)果

規(guī)格標(biāo)簽和金屬外殼的溫度經(jīng)過熱電偶測(cè)試驗(yàn)證溫度相同，但使用熱像儀測(cè)試（如圖6），標(biāo)簽溫度為43.8℃，金屬外殼溫度為33.1℃，出現(xiàn)了接近10℃的差別。

驗(yàn)證分別在金屬表面粘貼黃膠帶和使用黑色記號(hào)筆涂抹后的測(cè)量值，可見黃膠帶表面測(cè)量溫度和標(biāo)簽以及熱電偶測(cè)量溫度近似為43.8℃。而記號(hào)筆涂抹后沒有作用。所以如果需要測(cè)量這類比較光滑的金屬表面，因?yàn)槠漭椛渎时容^低，所以可在其表面覆蓋高輻射率的導(dǎo)熱材料，如黃膠帶、電工膠帶或者涂抹導(dǎo)熱硅脂，待其與待測(cè)物達(dá)到熱平衡后，測(cè)量覆蓋材料的表面溫度作為測(cè)試結(jié)果作為近似值。

3注意會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的因素

3.1反射現(xiàn)象 - 當(dāng)心表面光亮的金屬可能產(chǎn)生錯(cuò)覺

下圖為不銹鋼表面的溫度測(cè)量。其表面溫度使用熱電偶測(cè)量是29℃左右，但注意如果將手指靠近其表面后，實(shí)際測(cè)量會(huì)得到一個(gè)36.4℃的高溫區(qū)。當(dāng)然這個(gè)高溫區(qū)并不是真實(shí)存在的，是不銹鋼表面反射手指的紅外成像，就像可見光的鏡面反射一樣，并不是待測(cè)物表面的熱輻射。

透射現(xiàn)象 - 當(dāng)心看似透明的材料可能并不能透過紅外能量

下圖中當(dāng)手和紅外測(cè)試儀之間被亞克力隔離后，會(huì)發(fā)現(xiàn)手指的熱成像也被阻斷了，所以圖中28.1℃只是亞克力表面的溫度。實(shí)際上只有少數(shù)材料可以透過紅外線，如：鍺、硅、塑料薄膜等，而且當(dāng)在測(cè)量路徑上有這些材料的時(shí)候，也必須將材料的透射率參數(shù)輸入熱像儀中，否則測(cè)量結(jié)果并不可靠。

3.3另外還有一些情況需要注意，在此不做驗(yàn)證。包含大量水蒸汽的大氣層會(huì)吸收和散射紅外輻射能，如在高濕度的條件下觀看遠(yuǎn)景；當(dāng)待測(cè)物直徑太小而無(wú)法填滿像素，例從遠(yuǎn)處觀看高壓線。

4結(jié)論

（1）熱像儀Ti32在ε=0.95，τ=100% ，BG=20℃ 設(shè)置下，測(cè)量目前產(chǎn)品的大部分部件溫度，準(zhǔn)確程度可以接受，與熱電偶差別在2℃左右。但在測(cè)量光滑金屬表面或使用在高濕環(huán)境等情況下需要注意評(píng)估測(cè)量結(jié)果。

（2）62mini 使用時(shí)需要特別注意到：只有待測(cè)物尺寸大于采集范圍時(shí)，其測(cè)量結(jié)果才比較準(zhǔn)確，與Ti32接近。其他需要注意的情況與Ti32基本相同。

所以紅外測(cè)溫儀如果使用得當(dāng)，在針對(duì)物體表面溫度的測(cè)量上，準(zhǔn)確性是可以接受的，當(dāng)然如果對(duì)精度要求很高，還是需要使用接觸式熱電偶的測(cè)量方法。