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為什么要做這個評估 ?

首先因為溫度測量在產(chǎn)品測試過程中是一個關(guān)鍵步驟，可以用來計算半導(dǎo)體器件的工作結(jié)溫、計算電解電容的工作壽命、掌握機殼的表面溫度等等，這些數(shù)據(jù)對于評估產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。而在測量溫度的時候，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，以下是目前硬件測試實驗室在使用的測量設(shè)備：

當(dāng)然出現(xiàn)兩種溫度測量設(shè)備并不是偶然，因為各有各的長處。熱電偶的優(yōu)點是測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點是熱偶線的粘貼以及與待測物達到熱平衡的時間長，所以測量比較費工費時，溫度響應(yīng)速度也比較慢；紅外儀器的優(yōu)點是測量快速，而且可測量難以靠近的物體溫度，缺點是測量結(jié)果容易受到影響，而且無法直接測量封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的器件溫度。所以在實際應(yīng)用中，通常是先使用紅外測溫儀快速掃描產(chǎn)品的高溫區(qū)域分布，然后再使用熱電偶進行準(zhǔn)確的溫升測試。

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

1測溫原理

1.1紅外測溫原理

在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對零度時,由于它內(nèi)部熱運動的存在,就會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，紅外測溫儀即通過測量該輻射量來計算待測物體溫度。

斯蒂芬--玻耳茲曼定理 ：

其中：

Pb(T) -- 溫度為T 時，單位時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，此處引入一個輻射率參數(shù)ε(λ)，定義為：

因為只有黑體ε=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

因為ε=α，式（4）簡化為 ：

紅外測溫儀即參照公式（5）進行溫度測量。注意公式中除了參數(shù)T1，其他參數(shù)都會影響到紅外測溫儀的測量結(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熱電偶測溫原理

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

如上圖將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測溫點的一端稱測量端,一端稱參比端。若測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。在實際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在一起作為熱電偶的測量端放到被測溫度t處，而將參比端分開，用導(dǎo)線接入顯示儀表，并保持參比端接點溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測電壓只隨被測溫度而t變化，從而通過測量電壓計算得到測量端的溫度值。

2溫度測量驗證

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

2.1測試環(huán)境

溫度測試點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。

測試結(jié)果

（1）注意62mini 在測量小尺寸電源IC上的誤差

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

（2）注意紅外測溫儀對硬盤金屬殼的測量結(jié)果

規(guī)格標(biāo)簽和金屬外殼的溫度經(jīng)過熱電偶測試驗證溫度相同，但使用熱像儀測試（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。

驗證分別在金屬表面粘貼黃膠帶和使用黑色記號筆涂抹后的測量值，可見黃膠帶表面測量溫度和標(biāo)簽以及熱電偶測量溫度近似為43.8℃。而記號筆涂抹后沒有作用。所以如果需要測量這類比較光滑的金屬表面，因為其輻射率比較低，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，待其與待測物達到熱平衡后，測量覆蓋材料的表面溫度作為測試結(jié)果作為近似值。

3注意會影響到測試結(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)生錯覺

下圖為不銹鋼表面的溫度測量。其表面溫度使用熱電偶測量是29℃左右，但注意如果將手指靠近其表面后，實際測量會得到一個36.4℃的高溫區(qū)。當(dāng)然這個高溫區(qū)并不是真實存在的，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)手和紅外測試儀之間被亞克力隔離后，會發(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)在測量路徑上有這些材料的時候，也必須將材料的透射率參數(shù)輸入熱像儀中，否則測量結(jié)果并不可靠。

3.3另外還有一些情況需要注意，在此不做驗證。包含大量水蒸汽的大氣層會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)待測物直徑太小而無法填滿像素，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估測量結(jié)果。

（2）62mini 使用時需要特別注意到：只有待測物尺寸大于采集范圍時，其測量結(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。

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