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福祿克熱像儀在電子研發(fā)中的應(yīng)用 熱像儀技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間：2020-07-29    來源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
當(dāng)前，電子設(shè)備主要失效形式就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備失效有55%是溫度超過規(guī)定值引起，隨著溫度增加，電子設(shè)備失效率呈指數(shù)增長。一般而言電子元器件的工作可靠性對溫度極為敏感，器件溫度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就會(huì)下降5%。

熱像儀能夠全面檢測電路板上每個(gè)元器件的溫度，這是其他測溫工具所做不到的；把空調(diào)器控制板上每個(gè)元器件的溫度控制在限度范圍內(nèi)，將可以大大提高運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品壽命。


PCB 板因功率器件發(fā)熱傳遞至背面，局部溫度偏高


LCD 電視電源板主變壓器，圖中左右兩變壓器發(fā)熱不一致，
這是不同變壓器所帶負(fù)載不一致造成的。

在能源緊張的今天，節(jié)能省電是電器產(chǎn)品的主流課題，在電路研發(fā)過程中，進(jìn)行負(fù)載分析是必須的；熱像儀提供了通過溫度檢測進(jìn)行負(fù)載分析的手段，通過熱圖您可以很直觀的辨識(shí)出高功耗部位，為工程師完善電路，提高轉(zhuǎn)換效率、減少功耗、減少電路內(nèi)部溫升提供強(qiáng)有力依據(jù)。


CRT 電視機(jī)電源發(fā)熱測試


散熱片散熱效果測試


功率二極管發(fā)熱狀態(tài)，長時(shí)間開啟最高溫度不得超過100℃。


LCD面板表面溫度差異，這是光源燈管功率控制問題造成的。

LED 的實(shí)際壽命與工作溫度往往成反比，如LED 使用壽命在工作溫度為74℃為10000 小時(shí)，63℃為25000 小時(shí)，小于50℃時(shí)，則可為50000 小時(shí)。根本原因是LED 的光電轉(zhuǎn)換率極差，大約只有15%至20%，其余轉(zhuǎn)換為熱能，因此對LED 燈芯溫度的控制非常重要。但LED 燈的芯片較小，用熱電偶布點(diǎn)檢測其表面溫度很不方便，利用紅外熱像儀則可以非常便捷的檢測到其表面溫度。

LED芯片檢測

Fluke熱像儀具有高像素FPA傳感器、紅外-可見光融合、高熱靈敏度（≤0.05℃）、任意增配長焦或廣角鏡頭、人性化設(shè)計(jì)、三按鈕菜單、單手使用、可進(jìn)行直觀的操作和瀏覽、發(fā)射率校正、透射率校正、高溫報(bào)警和現(xiàn)場可更換電池等特點(diǎn)，使熱像儀能夠勝任各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

福祿克憑借強(qiáng)大的銷售及技術(shù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)幫助客戶共同迎接在工作中遇到的各種挑戰(zhàn)，為測試和維護(hù)工作排憂解難，使客戶獲得在當(dāng)今激烈競爭的市場環(huán)境中所必需的、具有價(jià)值的測試測量解決方案。

如需了解更多Fluke 熱像儀的應(yīng)用，請登陸Fluke 官方網(wǎng)站 www.Fluke.com.cn 進(jìn)行瀏覽及下載。 紅外熱像儀的發(fā)展可分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是人類通過制造工具，擴(kuò)展體力活動(dòng)的能力；第二個(gè)階段通過提高判斷能力，尋求更清晰和更廣泛的理解與判斷事物的標(biāo)準(zhǔn)；而人類近年來致力的增強(qiáng)獲得輸入信息的能力，擴(kuò)大感覺范圍或增添新的感官，使我們的大腦能接受更多的信息，正是人類發(fā)展的第三階段。

在這個(gè)階段中，紅外技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)把人類的感官由五種增加到六種。在海灣戰(zhàn)爭中，高科技武器展示了先進(jìn)技術(shù)的廣闊平臺(tái)，成為世界科技發(fā)展的風(fēng)向計(jì)，也成為世界各國競相研究和開發(fā)的方向和重點(diǎn)。這些高科技技術(shù)也因此成為新的產(chǎn)業(yè)和投資熱點(diǎn)，創(chuàng)造了億萬的財(cái)富和無法預(yù)計(jì)的社會(huì)效益。在這些新科技中，以衛(wèi)星定位（GPS）和紅外熱成像（TIS）兩項(xiàng)技術(shù)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)（又稱GPS）已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，成為從軍事到民用都有寬廣發(fā)展前途的行業(yè)，其應(yīng)用的發(fā)展速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的預(yù)想，例如：在在廣泛使用的汽車防盜定位系統(tǒng)等。

紅外熱成像技術(shù)，也是一個(gè)有非常廣闊前途的高科技技術(shù)，其大量的應(yīng)用將會(huì)引起許多行業(yè)變革性的改變。

一、什么是紅外熱成像？

光線是大家熟悉的。光線是什么？光線就是可見光，是人眼能夠感受的電磁波?？梢姽獾牟ㄩL為：0.38—0.78微米。比0.38微米短的電磁波和比0.78微米長的電磁波，人眼都無法感受。比0.38微米短的電磁波位于可見光光譜紫色以外，稱為紫外線，比0.78微米長的電磁波位于可見光光譜紅色以外，稱為紅外線。紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78~1000微米的電磁波。其中波長為0.78~2.0微米的部分稱為近紅外，波長為2.0~1000微米的部分稱為熱紅外線。照相機(jī)成像得到照片，電視攝像機(jī)成像得到電視圖像，都是可見光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線差并可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。目標(biāo)的熱圖像和目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標(biāo)可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像，換一句話說，紅外熱成像使人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

二、紅外熱成像的特點(diǎn)是什么？

有位著名的美國紅外學(xué)者指出：“人類的發(fā)展可分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是人類通過制造工具，擴(kuò)展體力活動(dòng)的能力，第二階段通過提高判斷能力，尋求更清晰和更廣泛的理解與判斷事物的標(biāo)準(zhǔn)，而人類近年來致力的增強(qiáng)獲得輸入信息的能力，擴(kuò)大感覺范圍或增添新的感官，使我們的大腦能接受更多的信息，正是人類發(fā)展的第三階段。在這個(gè)階段中，紅外技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)把人類的感官由五種增加到六種”。這一席話，我認(rèn)為恰如其分的道出了紅外成像技術(shù)在當(dāng)代的重要性。因?yàn)?，我們周圍的物體只有當(dāng)它們的溫度高達(dá)1000℃以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見光。相比之下，我們周圍所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。例如，我們可以計(jì)算出，一個(gè)正常的人所發(fā)出的熱紅外線能量，大約為100瓦。所以，熱紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在較為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外，還有另外兩個(gè)重要的特性。

1．大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5微米和8~14微米的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個(gè)窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，熱紅外成像技術(shù)軍事上提供了先進(jìn)的夜視裝備并為飛機(jī)、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮了非常重要的作用。

2．物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用它來對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析，從而為工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境等等方面提供了一個(gè)重要的檢測手段和診斷工具。

三、紅外熱成像儀器

根據(jù)物體能夠發(fā)射紅外線的特點(diǎn)，各國競相開發(fā)出各種紅外熱成像儀器。美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年首次研制成功第一代的熱紅外成像裝置，叫紅外前視系統(tǒng)，這類裝置利用光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)機(jī)械，對目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行圖像分解掃描，然后應(yīng)用光電探測器進(jìn)行光——電轉(zhuǎn)換，最后形成視頻圖像信號，并在熒屏上顯示，紅外前視系統(tǒng)至今仍是軍用飛機(jī)、艦船和坦克上的重要裝置。

六十年代中期，在紅外前視裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。

七十年代研制出不需致冷的紅外熱電視產(chǎn)品。

九十年代出現(xiàn)致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產(chǎn)品，這是一種較新一代的紅外電視產(chǎn)品，可以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，把紅外熱成像的應(yīng)用提高到一個(gè)新的階段。

七十年代中國有關(guān)單位已經(jīng)開始對紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究，到八十年代初，中國在長波紅外元件的研制和生產(chǎn)技術(shù)上有了一定進(jìn)展。到了八十年代末和九十年代初，中國已經(jīng)研制成功了實(shí)時(shí)紅外成像樣機(jī)，其靈敏度、溫度分辨率都達(dá)到很高的水平。進(jìn)入九十年代，中國在紅外成像設(shè)備上使用低噪音寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關(guān)鍵技術(shù)方面有了發(fā)展，并且從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，主要用途用于部隊(duì)，例如便攜式野戰(zhàn)熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達(dá)以及坦克、軍艦火炮等。

中國在紅外熱成像技術(shù)方面，已經(jīng)投入了大量人力物力，形成了相當(dāng)規(guī)模的研發(fā)力量，但是總的來講，與世界先進(jìn)水平差距很大，與西方相比，約差10年以上。

目前國外已經(jīng)開始在部隊(duì)裝備第二代紅外熱成像儀，并開始了第三代的研發(fā)工作，但中國現(xiàn)在才推廣第一代紅外成像儀。在國際上，美國、法國、以色列是這方面的先行者，其它國家包括俄羅斯均處下游水平。

近幾年來，中國的紅外成像技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同西方同步，相信中國和西方的差距會(huì)進(jìn)一步縮小，尤其在新技術(shù)的應(yīng)用方面更可以獨(dú)樹一幟。紅外熱成像產(chǎn)品，可以分為致冷型的.非致冷型兩大類。

目前，先進(jìn)的紅外熱成像儀，其溫度靈敏的可達(dá)0.03攝氏度。無論白天、黑夜均可用于持紅外儀來探測叢林中的敵人，其距離可達(dá)百米之遙，作為邊防緝私，更可以追蹤海上走私的大飛機(jī)，其距離可達(dá)數(shù)公里。通過熱像儀不僅可實(shí)時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行觀測，更可以通過其行蹤軌跡的“熱痕跡”進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，因?yàn)橐话阄矬w的熱發(fā)散有一定的時(shí)間性，有些物體的熱發(fā)散需要很大時(shí)間。例如部隊(duì)點(diǎn)燃的炊煙，曾經(jīng)發(fā)動(dòng)過的車輛等都可以留下“熱痕跡”。

第一代熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學(xué)儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經(jīng)成功裝備部隊(duì)，并在夜間的地面觀察、空中偵察、水面保險(xiǎn)等作出重要的貢獻(xiàn)。第二代熱成像儀主要采用焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個(gè)乃至數(shù)十萬個(gè)信號放大器，將芯片置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，取得目標(biāo)的全景圖像，無需光——機(jī)掃描系統(tǒng)，大大提高了靈敏度和熱分辨率，可以進(jìn)一步提高目標(biāo)的探測距離和識(shí)別能力。 電源是所有電器中都必須具備的重要部分，在電子設(shè)備行業(yè)中，人們把電源模塊比喻為電子設(shè)備和電子系統(tǒng)的“心臟”，而且電源也是電器系統(tǒng)中承載功率最大的環(huán)節(jié)。

電源分析

近年來電源設(shè)備日趨復(fù)雜，元器件的品種和數(shù)量增加很快，使用環(huán)境也變得惡劣多樣，而所服務(wù)的電子系統(tǒng)又越來越重要和昂貴，特別是軍用裝備，尤其是航空、航天上的元器件及系統(tǒng)可靠性的要求就更高了。

電器系統(tǒng)中的電源其任務(wù)就是為電器系統(tǒng)中的各種電路提供電能，由于電路的類型各自功能有別，因此對電源按照供給方式的不同，可以分為：UPS電源、EPS電源、穩(wěn)壓電源、變頻電源、凈化電源 、特種電源、發(fā)電機(jī)組、開關(guān)電源(AC/DC) 、逆變電源(DC/AC)、模塊電源(DC/DC)以及其他電源等。

熱像儀在電源中有哪些應(yīng)用？

電源的溫度控制，是提高電源模塊及系統(tǒng)可靠性及使用壽命的重要途徑。在電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，選擇合適的元器件，即減少電路損耗，提高模塊轉(zhuǎn)換效率，與選擇合理的冷卻方式是保證電源可靠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)，將二者有機(jī)結(jié)合，會(huì)使得電源具有對環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、壽命長、成本低、維護(hù)方便等技術(shù)優(yōu)勢。


熱像儀能提供清晰的電源電路及其整個(gè)電源系統(tǒng)溫度場分布的圖像和準(zhǔn)確的溫度測量

1)電子元器件

電源是一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，在轉(zhuǎn)換過程中本身需要消耗掉一些電能，而這些電能則被轉(zhuǎn)化為熱量釋出。電子元件工作的穩(wěn)定性與老化速度是和環(huán)境溫度息息相關(guān)的。每當(dāng)環(huán)境溫度升高10℃時(shí)，主要功率元件的壽命減少50％，這就要求電子元器件應(yīng)該工作在相對穩(wěn)定和較低的溫度范圍內(nèi)。

熱像儀可以提供給工程師電路中各元器件的工作時(shí)發(fā)熱情況熱圖，幫助工程師分析元器件對整個(gè)電源電路溫度的影響，同時(shí)也能夠幫助工程師選擇合適負(fù)載能力的轉(zhuǎn)換模塊。

2)變壓器

變壓器是電源工作得主要部件，其發(fā)熱溫度有限制的，目前國內(nèi)的3C認(rèn)證將變壓器溫度限制在120℃內(nèi)，歐洲UL認(rèn)證將變壓器溫度限制在115℃內(nèi)。電源的主要發(fā)熱源也是變壓為器，而鐵芯損耗和銅線損耗變壓器工作產(chǎn)生溫升的主要原因。 另外，由于變壓器工作溫度升高，必然造成鐵芯負(fù)載減弱，和線圈老化，當(dāng)其絕緣性能下降后，導(dǎo)致抗市電的沖擊能力減弱。這時(shí)若有雷擊或市電浪涌出現(xiàn)時(shí)，在變壓器的初級出現(xiàn)的高反壓會(huì)將變壓器擊穿，使電源失效，同時(shí)還有高壓串入主設(shè)備，造成主設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。

熱像儀可以通過迅速、簡便的操作，提供準(zhǔn)確的變壓器溫度。

3)電路熱分布

同一塊電路板的器件應(yīng)盡可能的按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，采用合理的器件排列方式，可以有效的降低印制電路的溫升，從而使器件及設(shè)備的故障率明顯下降。

熱像儀可以通過提供的紅外熱圖，幫助工程師分析出整塊線路板的溫度分布，完善工程師的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

4)電源冷卻

電源冷卻技術(shù)是滿足行業(yè)各項(xiàng)技術(shù)性能要求的基本手段。目前各個(gè)電源模塊常用的冷卻方式有自然冷卻、純風(fēng)扇冷卻、自然冷卻和風(fēng)扇冷卻相結(jié)合三種。

電源產(chǎn)品中有很大的一個(gè)變壓器，還有些大的電容，這些都是大熱源，這些熱源可能會(huì)給您的產(chǎn)品內(nèi)部一些其它電路及其元器件的穩(wěn)定性、使用壽命都會(huì)帶來很大影響。利用紅外熱像儀，可以非常直接的測量出三種情況下的發(fā)熱和散熱情況，工程師改善設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用使用合理的冷卻手段，提高電源的可靠穩(wěn)定性，減少設(shè)備的故障率。

5)工藝改進(jìn)

電源設(shè)備在加工時(shí)，容易在接頭處以及壓線處出現(xiàn)工藝問題，利用熱象儀可以較為簡便、直觀、安全地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，幫助生產(chǎn)人員、質(zhì)檢人員更好的發(fā)現(xiàn)并解決問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

熱像儀在電源企業(yè)的應(yīng)用部門，除研發(fā)部門，還主要有：品管部門、售后服務(wù)部及設(shè)備維護(hù)等部門。

紅外熱像儀的獨(dú)特應(yīng)用

1、現(xiàn)有的溫度分析工具

對于電源在研發(fā)和應(yīng)用中，由于其特殊性，許多工程師都會(huì)抱怨現(xiàn)有的手段難以支持他們進(jìn)行一個(gè)細(xì)致而全面的溫度場描繪，同時(shí)操作不方便、而且可能改變原溫度場分布，如：目前在電源開發(fā)和應(yīng)用中，溫度分析的工具是數(shù)據(jù)采集器，但使用數(shù)據(jù)采集器可能會(huì)遇到如下問題：電路板斷電，貼片熱電偶不夠多，操作不方便，反應(yīng)時(shí)間較慢(30秒至1分鐘)，使用數(shù)據(jù)采集器還將改變所測器件的散熱狀況，同時(shí)也無法分析整個(gè)電源的溫度場分布及散熱分析等。

2、熱像儀溫度分析優(yōu)點(diǎn)

紅外熱像儀和數(shù)據(jù)采集器、紅外點(diǎn)溫儀相比較，有自身的優(yōu)點(diǎn)：

a)通過紅外線熱像儀檢測目標(biāo)電路時(shí)，不需要斷電，操作方便，同時(shí)非接觸測量使原有的溫度場不受干擾；

b)反應(yīng)速度較快，小于1毫秒；

c)利用配套的紅外分析軟件，用戶可以不需要在現(xiàn)場，對所獲得的電源溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)而全面的分析，同時(shí)生成一個(gè)完備的溫度報(bào)表。

本文小結(jié)

熱像儀在電源行業(yè)可以發(fā)揮其優(yōu)越性，由于它所具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能補(bǔ)充傳統(tǒng)檢測手段的不足。但是還有很多工作需要在今后的實(shí)踐中進(jìn)一步改進(jìn)和提高，使得紅外熱像技術(shù)在電源行業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛和科學(xué)，有效地提升電源產(chǎn)品質(zhì)量，提高電能轉(zhuǎn)換效率、以及提高系統(tǒng)性能水平。

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