環(huán)境應(yīng)力篩選中的溫度測量研究綜述

繆海杰，李軍

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

0 引言

環(huán)境應(yīng)力篩選[1]是為發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品中的不良零件、元器件和工藝缺陷，以及防止出現(xiàn)早期失效，在環(huán)境應(yīng)力下所做的一系列試驗。它是可靠性試驗中的一種類型，也是產(chǎn)品制造過程中非常重要的一道工序。對電子產(chǎn)品，環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)力主要選擇溫度 （高、低溫）循環(huán)和隨機振動，這兩種應(yīng)力的組合篩選效果較好，能暴露產(chǎn)品各組裝等級的大部分故障。研究表明，高低溫循環(huán)的篩選效果取決于4個方面：高、低溫的設(shè)定值，高、低溫保持的時間，溫度變化速率和循環(huán)的次數(shù)。由此可見，對產(chǎn)品施加精確的溫度應(yīng)力是正確開展環(huán)境應(yīng)力篩選的基礎(chǔ)。而要施加精確的溫度應(yīng)力，準(zhǔn)確的溫度測量是必不可少的。本文對環(huán)境應(yīng)力篩選中的溫度測量加以研究。

1 溫度測量方法簡介

溫度測量有很多分類方法，例如：從測量是否與被測對象接觸，可分為接觸式和非接觸式；從測量時傳感器中有無電信號，可分為非電測量和電測量等。而溫度測量有很多具體的檢測手段，例如：膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、光學(xué)溫度計和紅外溫度計等。

1.1 接觸式溫度測量方法

接觸式測溫法[2]測量時需要與被測物體接觸，它可分為膨脹式測溫、電量式測溫和接觸式光電、熱色測溫等。

a）膨脹式測溫

膨脹式測溫主要利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理進行溫度測量。膨脹式溫度計包括玻璃液體溫度計、雙金屬膨脹式溫度計和壓力式溫度計等。膨脹式溫度計的結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可直接讀數(shù)，使用方便，但準(zhǔn)確度較差，不易實現(xiàn)自動化，而且容易損壞。它屬于非電測量方式，因此，可以用于防爆等有特殊要求的場合。

b）電量式測溫方法

電量式測溫主要利用材料的電勢、電阻或其他電性能與溫度的關(guān)系進行溫度測量，包括熱電偶溫度測量、熱電阻溫度測量等。

熱電偶是將兩種不同材料的金屬焊接在一起，當(dāng)參考端和測量端有溫差時，就會產(chǎn)生熱電勢，通過測量熱電勢就可以測量溫度。

熱電阻是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來進行測量的。熱電阻測量的準(zhǔn)確度較高，輸出信號大，穩(wěn)定性好，但元件結(jié)構(gòu)一般比較大，動態(tài)響應(yīng)差，不適宜測量體積狹小和溫度瞬變的區(qū)域。

c）接觸式光電、熱色測溫方法

接觸式光電測溫主要通過接觸被測對象，將溫度變化引起的熱輻射或光信號引出，通過光電轉(zhuǎn)換器件來測量溫度。常見的接觸式光電測溫儀器如光導(dǎo)管式光電高溫計，它適用于高溫液體或氣體介質(zhì)的溫度測量，高溫輻射通過高溫計后端的光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號與感受的溫度單調(diào)對應(yīng)，從而測量出介質(zhì)的溫度。

熱色測溫主要通過示溫敏感材料的顏色在不同的溫度下發(fā)生變化來指示溫度。示溫敏感材料可以測量運動物體或其他復(fù)雜情況表面的溫度分布，使用簡單、方便，缺點是影響判別溫度結(jié)果的因素比較多，難以實現(xiàn)自動化。

1.2 非接觸式溫度測量方法

非接觸式測溫?zé)o需與被測對象接觸，主要包括輻射式測溫、光譜法測溫和激光干涉測溫，以及聲波測溫等。

a）輻射式測溫方法

輻射式測溫[3]建立在熱輻射定律的基礎(chǔ)上，輻射式溫度計可分為全輻射高溫計、亮度式高溫計和比色式高溫計。全輻射高溫計的結(jié)構(gòu)相對簡單，但受被測對象發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響比較大，測溫偏差較大，不適用于測量低發(fā)射率目標(biāo)。亮度溫度計的結(jié)構(gòu)也比較簡單，靈敏度比較高，受被測對象發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響相對較小，測量的亮度溫度與真實溫度的偏差較小，但也不適用于測量低發(fā)射率物體的溫度，并且測量時要避開中間介質(zhì)的吸收帶。比色測溫法的測量結(jié)果最接近真實的溫度，并且適用于低發(fā)射率物體的溫度測量，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格較貴。

b）光譜方法測溫方法

光譜測溫主要通過檢測被測對象的激發(fā)光譜信號進行溫度測量。當(dāng)單色光線照射透明物體時，會發(fā)生光的散射現(xiàn)象。散射光包括彈性散射和非彈性散射，彈性散射中的瑞利散射和非彈性散射的拉曼散射的光強都與介質(zhì)的溫度有關(guān)。相比而言，拉曼散射光譜測溫技術(shù)的實用性更好，其主要應(yīng)用之一就是測量高溫氣體的溫度。

c）激光干涉測溫方法

激光干涉測溫[4]基于光的干涉原理，適用于高溫火焰和氣流溫度的測量。該方法首先測量被測對象的折射率分布，將流場中各處折射率的變化（即密度變化）轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N光參量的變化，以此為基礎(chǔ)再得到相應(yīng)的溫度分布。

d）聲波、微波法測溫方法

聲學(xué)測溫基于聲速與傳播介質(zhì)溫度相關(guān)的原理。因此可以通過測得聲速來推算出溫度。

微波法可以用來測量火焰溫度，當(dāng)入射微波通過火焰時，與火焰中的等離子體相互作用，使其射出的微波強度減弱，通過測量入射微波的衰減程度可以確定火焰氣體的溫度。

2 基于熱電偶的溫度測量

環(huán)境應(yīng)力篩選試驗通常采用恒定高溫應(yīng)力篩選和溫度循環(huán)應(yīng)力篩選，在這兩類篩選中，所施加的環(huán)境溫度通常不超過200℃，溫度變化率不超過20℃/min。目前我國標(biāo)準(zhǔn)化的8種熱電偶，測量溫度范圍為-200～1800℃，響應(yīng)時間快，具有遠距離測量和自動控制的特點，因此，將熱電偶應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)力篩選的溫度測量非常合適。

熱電偶測溫的基本原理是熱電效應(yīng)[5]，即兩種不同的導(dǎo)體 （或半導(dǎo)體）兩端接合并組成回路，當(dāng)兩個接合點的溫度不同時，會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電勢。熱電偶產(chǎn)生熱電勢必須具備的條件是：1）熱電偶必須用兩種不同的熱電極構(gòu)成；2）熱電偶的兩接點必須具有不同的溫度。熱電偶回路中產(chǎn)生的熱電勢為：

式 （1）中：N——材料的電子密度；

σ——導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)；

K——玻爾茲曼常數(shù)。

目前國際化標(biāo)準(zhǔn)分度的熱電偶包括S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型和T型等8種，它們分別是：鉑銠10-鉑熱電偶、鉑銠13-鉑熱電偶、鉑銠30-鉑銠6熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶、鎳鉻-銅鎳 （康銅）熱電偶、鐵-銅鎳 （康銅）熱電偶和銅-銅鎳 （康銅）熱電偶。這些熱電偶各有優(yōu)缺點，其中，鎳鉻-鎳硅熱電偶 （K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其使用溫度范圍為-200～1300℃。它具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性與均勻性較好、抗氧化性能強和價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性、惰性氣氛中。根據(jù)K型熱電偶的特點分析，它可以被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的溫度測量。

為了實現(xiàn)精確地檢測溫度，需要對熱電偶進行冷端補償，可采用MAXIM的DS 600高精度模擬溫度傳感器，它在-20～100℃內(nèi)精度為±0.5℃，輸出增益為6.45 mV/℃，0℃時偏移為509 mV。

K型熱電偶用于電子產(chǎn)品溫度測量的電路包含以下幾個主要模塊：熱電偶、放大模塊、偏置模塊、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和冷端補償。放大模塊用于將熱電偶產(chǎn)生的微弱信號進行放大，放大后的信號經(jīng)偏置模塊處理為一定范圍內(nèi)的電壓信號，再將其送入低通濾波器進行濾波。濾波后的信號通過AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換即可成為數(shù)字信號。同樣，冷端補償輸出的電壓信號也通過AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換即可成為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號即可提供給計算機以便計算出電子產(chǎn)品的溫度。溫度測量系統(tǒng)r設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計框圖

3 結(jié)束語

溫度測量關(guān)系到環(huán)境應(yīng)力篩選的效能是否得以正確發(fā)揮。本文簡單地分析了溫度測量技術(shù)，探討了將熱電偶應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)力篩選的溫度測量方法，簡要地探討了基于熱電偶的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計方案。

[1]劉明治.可靠性試驗 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]王魁漢.溫度測量實用技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]王文革.輻射測溫技術(shù)綜述 [J].宇航計測技術(shù)，2005， 25 （4）： 20-24.

[4]楊聯(lián)弟.利用激光干涉法實現(xiàn)溫度的測量 [J].呂梁學(xué)院學(xué)報， 2013， 3 （2）： 58-60.

[5]楊帆.傳感器技術(shù) [M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.