LED燈具紅外熱成像溫度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

張靈改（集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門361010）

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LED燈具紅外熱成像溫度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究

張靈改
（集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門361010）

摘要：溫度是LED燈具高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)的關(guān)鍵影響因素，溫度測(cè)量在LED燈具開發(fā)過程中至關(guān)重要。分析當(dāng)前幾種主要溫度測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)展現(xiàn)紅外熱像儀的優(yōu)勢(shì)；研究影響紅外熱成像溫度測(cè)量的環(huán)境溫度、表面輻射率和測(cè)量距離等因素，提高測(cè)量精度度。研究結(jié)果表明，在紅外熱像儀使用方法準(zhǔn)確的情況下，測(cè)量結(jié)果極為準(zhǔn)確，可縮短燈具開發(fā)過程中溫度測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，對(duì)燈具開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要幫助。

關(guān)鍵詞：LED燈具；紅外熱成像；溫度測(cè)量

隨著LED燈具功率的提升，雖然LED發(fā)光效率提升使發(fā)熱量有所降低［1］，但發(fā)光-產(chǎn)生的熱量仍然是影響LED燈具品質(zhì)、壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。LED等電子元器件的工作可靠性對(duì)溫度極為敏感，造成電子設(shè)備50%以上失效的原因是由溫度引起的，器件溫度在70～80℃水平上每增加1℃，可靠性就會(huì)下降5%［2］。目前的LED僅有20%～30%的光電轉(zhuǎn)換效率，其余的能量轉(zhuǎn)化為熱量。若燈具LED芯片中的熱量不能有效散發(fā)，就會(huì)使LED芯片PN結(jié)溫度過高，導(dǎo)致發(fā)光效率降低、芯片發(fā)射光譜發(fā)生紅移、色溫質(zhì)量下降、熒光粉的轉(zhuǎn)換效率降低［3］，工作壽命下降甚至可使LED永久失效等問題［4］。因此，必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格監(jiān)控LED燈具的工作溫度。本文對(duì)此進(jìn)行研究。

本文對(duì)LED燈具紅外熱成像溫度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討。

1　LED燈具溫度主要測(cè)量方法

LED燈具工作溫度測(cè)量不僅可以用于燈具工作溫度測(cè)量，而且可以用于燈具研發(fā)的散熱建模仿真過程，幫助修正材料參數(shù)、光電特性參數(shù)、環(huán)境邊界條件等。通常溫度測(cè)試儀分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式感溫元件（傳感器）與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，如熱電偶等；非接觸式感溫元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，如熱像儀等。

利用熱電效應(yīng)測(cè)量溫度的傳感器叫做熱電偶，使用熱電偶要注意選擇合適的類型，不同類型熱電偶正負(fù)極的材料不同，熱電勢(shì)特性不同，使用范圍也不同。由于LED照明產(chǎn)品內(nèi)最高溫度一般在100℃左右，可以選用低溫型的熱電偶，如T型或K型熱電偶。熱電偶的測(cè)量精度比較高，與此同時(shí)還可以介入測(cè)量到燈具或電子設(shè)備內(nèi)部問題，是接觸測(cè)量的主要方法，可用于監(jiān)控某些元器件或測(cè)溫點(diǎn)的溫度值。由于熱電偶測(cè)量屬于單點(diǎn)測(cè)量，所獲得的數(shù)據(jù)為離散結(jié)果，不易獲得全局溫度場(chǎng)分布和高低溫度點(diǎn)位置判斷［5］。

熱像儀（Thermal Imaging Infrared Cameras），也叫紅外成像儀或紅外探測(cè)器。所有溫度在絕對(duì)零度（-273℃）以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。2 000 K以下的物體熱輻射的波長(zhǎng)位于0.38～100 μm之間，且大部分位于紅外區(qū)段的0.76～20 μm范圍內(nèi)，利用這部分熱輻射測(cè)量溫度的方式稱為紅外測(cè)溫。熱像儀就是根據(jù)紅外測(cè)溫的原理，利用光學(xué)器件首先將場(chǎng)景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測(cè)器上，然后將來(lái)自于每個(gè)探測(cè)器元件的紅外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式，在標(biāo)準(zhǔn)的視頻監(jiān)視器上顯示出來(lái)，或記錄在錄像帶上的儀器［6］。

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外測(cè)溫技術(shù)越來(lái)越成熟，主要廠家有FLIR、NEC、Fluke、Testo等幾家進(jìn)口產(chǎn)品。它是一種非接觸式精確測(cè)溫方式，與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）它的測(cè)量不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，不影響溫度場(chǎng)分布，具有較高的準(zhǔn)確度。

（2）測(cè)溫范圍寬，在理論上無(wú)測(cè)量上下限。

（3）與普通接觸式測(cè)溫不同，它不需要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡就能讀出被測(cè)物體的溫度，所以測(cè)溫的響應(yīng)速度非?？?，可實(shí)時(shí)觀測(cè)，適于快速與動(dòng)態(tài)測(cè)量［7］。

（4）在紅外測(cè)溫的測(cè)量過程中，測(cè)溫儀可以不接觸被測(cè)物體，所以可以對(duì)高電壓和大電流的導(dǎo)線、遠(yuǎn)距離難于接近的物體等測(cè)溫對(duì)象進(jìn)行溫度測(cè)量。

2　背景溫度對(duì)紅外熱成像測(cè)量精度的影響

2.1表面輻射系數(shù)的影響

表面輻射率表征的是散熱材料通過熱輻射進(jìn)行熱交換的能力，不同材料的熱輻射系數(shù)是不相同的，輻射系數(shù)的差異最終會(huì)影響到整個(gè)LED燈具溫度場(chǎng)分布情況，因此會(huì)造成最終紅外測(cè)量的溫度場(chǎng)有著明顯的差別。

圖1所示的是5 W旋壓鋁球泡燈在不同輻射系數(shù)的紅外溫度測(cè)量情況。

圖1　不同熱輻射系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

分別設(shè)置散熱器旋壓鋁在輻射系數(shù)為0.5、0.65、0.75、0.85時(shí)的溫度測(cè)量結(jié)果如表1所示。最終的上下限誤差在13°C以上，因此在紅外測(cè)量過程中要特別注意輻射系數(shù)的準(zhǔn)確性。

表1　5 W A60球泡燈紅外熱像儀溫度測(cè)量值

2.2背景溫度的影響

紅外熱像儀測(cè)溫是靠接收被測(cè)物體表面發(fā)射的輻射來(lái)確定其溫度的。實(shí)際測(cè)量時(shí)，熱像儀接收到的有效輻射包括3部分：目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射［8］。因此，背景溫度是紅外熱成像溫度測(cè)量中必須考慮的參考系數(shù)之一。以20 W LED筒燈溫度測(cè)量作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，確定環(huán)境背景溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，圖2a為仿真計(jì)算結(jié)果，圖2b～2d為紅外測(cè)溫結(jié)果。

圖2　不同的背景溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

20 W 8寸LED筒燈紅外線熱像儀溫度與背景溫度測(cè)量值如表2所示。表2結(jié)果表明，背景溫度會(huì)影響到紅外測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性，平均每瓦功率誤差在0.1°C左右，對(duì)大功率LED燈具的影響比較明顯。因此在條件便利的情況下，盡量設(shè)置準(zhǔn)確的背景溫度。

表2　20 W 8寸LED筒燈紅外熱像儀溫度與背景溫度測(cè)量值比較（°C）

2.3測(cè)量距離的影響

考慮到紅外熱成像儀非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，測(cè)量距離成為其溫度測(cè)量應(yīng)用過程中不可避免的問題之一，當(dāng)前設(shè)備大部分已具備調(diào)焦功能，但是否對(duì)測(cè)量精度有影響需要通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。本研究選擇5 W MR16射燈作為研究對(duì)象對(duì)測(cè)量距離進(jìn)行紅外測(cè)溫技術(shù)的影響研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以0.3、0.6及1 m的測(cè)量距離結(jié)果基本接近，如圖3所示。測(cè)量距離的影響在可接受范圍之內(nèi)，但要注意紅外熱像儀的調(diào)焦范圍。

圖3　測(cè)量距離影響實(shí)驗(yàn)

3　應(yīng)用研究

通過對(duì)紅外熱成像溫度測(cè)量的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究可知，設(shè)備準(zhǔn)確的輻射系數(shù)、考慮環(huán)境背景溫度及測(cè)量距離的影響程度不同。下面以7 W A60鋁塑球泡燈進(jìn)行測(cè)量應(yīng)用試驗(yàn)，如圖4所示。熱電偶測(cè)量與紅外熱像儀測(cè)量分別如圖5、6所示。

圖4　7 W A60鋁塑LED球泡燈溫度測(cè)量（室溫：15.8°C）

圖5　熱電偶測(cè)量（室溫：15.8°C）

圖6　紅外熱像儀測(cè)量（室溫：15.8°C）

多種方法溫度測(cè)量結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，經(jīng)過準(zhǔn)確設(shè)置的紅外熱成像測(cè)量，實(shí)驗(yàn)誤差在可允許范圍內(nèi)，后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)和散熱仿真研究可基于本研究展開。

表3　7 W A60鋁塑LED球泡燈溫度測(cè)量值比較（室溫為15.8°C）（°C）

4　小結(jié)

研究了影響紅外測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確性的被測(cè)對(duì)象的表面輻射率、背景環(huán)境溫度、測(cè)量距離等因素，并保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)紅外成像溫度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，雖然當(dāng)前的紅外測(cè)溫技術(shù)已能滿足目前LED燈具開發(fā)需要，但紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣就能夠測(cè)量離線產(chǎn)品溫度，還應(yīng)當(dāng)發(fā)展支持對(duì)在線產(chǎn)品的溫度監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)必須向智能化無(wú)人值守方向進(jìn)行研發(fā)。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Research on application of infrared thermal imager temperature measurement technology of LED lamp

ZHANGLing- gai
（Chengyi College, Jimei University, Xiamen 361010, China）

Abstract:The temperature is the keyfactors affectingthe LED Lamps longevityoflife, high qualityand reliability etc. LED lamps. Temperature measurement in LED lighting development process is rather vital. The analysis of the advantages and disadvantages of the current several kinds of main methods of temperature measurement, especially shows the advantages of infrared thermal imager; study on the influence factors of the infrared thermal imaging temperature measurement of environmental temperature, surface emissivity and measurement distance, aiming at increasing the measurement accuracy. The results of the practical study show that, when the infrared thermal camera usingin an accurate way, the measurement result is veryaccurate, it can shorten the temperature measuringtime oflamp development process and improve the accuracyofmeasurement results, it is of great help tothe development and design oflamps and lanterns.

Keywords:LEDlamp; infrared thermal camera; temperatures measurement

作者簡(jiǎn)介：張靈改（1983-），女，河北石家莊人，集美大學(xué)講師，工程師。

收稿日期：2015-01-13

文章編號(hào)：1008- 0171（2016）02- 0060- 05

中圖分類號(hào)：TN215

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A