LED隧道燈的紅外熱圖像故障診斷法

王福權 陳偉民 劉顯明 雷小華 杜曉晴 賴偉 周沖

(重慶大學光電工程學院，重慶 400030)

1 介紹

中國已經成為了世界上公路隧道最多的國家，截止2007年底，全國公路隧道總長超過255.55萬千米，并保持較高的增長速度［1］，隧道照明節能得到社會各界的重視。LED作為高效、節能和環保的新一代光源引領了隧道照明的發展方向，已經開始慢慢取代傳統的高壓鈉燈。

在傳統的檢測流程中，LED隧道燈在投入使用之前需要抽樣進行光學檢測、電學檢測、機械檢測和環境檢測［2］。這些方法難以發現燈具潛在的故障，比如焊點、導熱層的失效，無法對LED燈具的可靠性進行評價。LED是一種對溫度十分敏感的半導體器件，隨著溫度升高，器件的發光效率降低、顏色發生偏移、壽命也會縮減。根據數據統計，45%的電子產品都是因為溫度過高造成損壞，所以散熱性能衡量LED隧道燈產品是否合格的重要指標，需要重點測量。同時LED發熱量大，導熱通道中存在的異常一般能夠在燈具表面觀察到對應的變化，所以對散熱特性進行檢測可以發現內部故障，從而預測燈具可靠性。

常見的熱學測試方法有熱電偶測試法和紅外熱像測試法。熱電偶測試法操作復雜，采樣點數目有限，不適合做隧道燈散熱監測。紅外熱像法，操作簡單，能夠實現空間平面多點 (約76800個)同步采集，方便數據處理。紅外熱像無損檢測技術具有無需耦合、快速實時、檢測面積大和檢測距離遠等優點［3］，目前已經廣泛應用到電力設備實時在線狀態檢測和熱故障診斷。LED隧道燈發熱量大，利用紅外熱像技術能較好捕捉散熱信息，從而進行散熱性能評價。

利用紅外熱成像技術，在可控的實驗條件下對四盞LED隧道燈進行測試，分別從溫升和溫度場分布進行分析，發現了問題燈具，通過圖像初步判斷可能的故障原因并用有限元分析進行確認，最后用拆燈的方式驗證了故障原因。通過以上實驗及分析，證明了紅外熱像無損檢測技術應用于LED隧道燈故障診斷的可行性。

2 原理方法

由于LED的電光轉化效率僅在20%左右，大量的熱會聚集在芯片處，并通過芯片襯底、內部熱沉、MCPCB、焊接層、導熱膠層和外部熱沉這一通道進行傳導。熱沉表面的溫度變化情況由燈具光源工作狀態和傳熱通道共同決定，所以在傳熱通道一定的情況下，燈具表面的溫度分布反映了燈具光源的工作狀態，而在燈具光源工作狀態一致時，燈具表面溫度則描述了傳熱通道的暢通程度。基于以上原理，對于同型號的LED隧道燈，可以假定光源工作狀態一致，通過檢測LED隧道燈表面溫度分布來判斷LED散熱及封裝是否存在異常。

紅外熱像儀主要由紅外探測器和光學成像系統組成，接收被檢測目標表面的紅外輻射，經光譜濾波、空間濾波，將紅外輻射能量分布聚焦到探測器的光敏元件上，從而獲取紅外熱圖像。紅外輻射功率與物體表面溫度的對應關系可以用斯蒂芬－波爾茲曼定律來描述

式中 P——物體的紅外熱輻射功率;

T——物體的絕對溫度;

ε——物體表面的紅外發射率;

σ——斯蒂芬－波爾茲曼常數;

目前紅外檢測的一種主要方法是比較差動紅外熱敏成像法，該方法通過將被測對象的溫度記錄圖與標準熱分布圖作比較來判斷故障的發生位置［4］。如果被測對象發熱量大，發生故障時其表面溫度會發生明顯的變化，所以可以采用這種差分方法進行故障檢測。此外，一般電子設備在工作一段時間后會達到或接近熱平衡，從開始工作到接近穩定熱平衡這段時間燈具表面溫度的變化會遵循一定的規律，據此可以繪制溫度變化的曲線，作為故障診斷的依據。當電子設備的熱源或者散熱通道發生故障時，設備表面溫度變化曲線通常會有異常表現。

比較差動紅外熱敏成像法的前提是獲得標準燈具正常工作時的圖像，如果獲取的標準圖像模糊或者并非標準圖像，將會影響對故障判斷的準確性。針對這種情況，可以利用有限元仿真的方法模擬LED隧道燈標準熱圖像，既可以核對標準圖像，也可以近似看作標準圖像作為故障診斷的判斷依據。

3 實驗與結果

實驗采用的主要儀器是FLIR公司的thermal Vision A40M紅外熱像儀，能在－40℃至500℃內分辨出0.08℃的溫差，生成無噪聲的紅外熱圖像(320×240像素)，實驗對象是目前市場上常見的四款LED隧道燈。由于不同的檢測距離、方向、環境溫度和環境濕度對紅外熱圖像的影響很大，所以實驗選在環境條件可控的暗室內進行，保持固定的距離和方向，盡可能減小環境和測試條件差異造成的測量誤差。

圖1 實驗系統原理圖

實驗中首先固定好待測燈具，讓燈具熱沉正對紅外儀鏡頭，調節紅外儀的位置使整個燈具的熱圖像在鏡頭中心區域，在環境條件穩定之后打開燈具電源并同步記錄熱沉的溫度變化情況，當熱沉溫度沒有明顯上升 (小于0.1℃/min)時結束測試。對一盞燈做一次測試所需時間約2小時，可以觀測到燈具熱沉溫度上升到穩定的整個過程。紅外儀記錄了測試時間內燈具的表面溫度場，可以提取任意時刻和任意位置的溫度值。

4 分析討論

4.1 溫度曲線分析

圖1表示的燈具熱沉的最高溫度隨時間的變化規律，四盞隧道燈表面的最高溫度隨時間變化趨勢一致，溫度初始上升速率最大并隨時間減小，最后趨于穩定。四盞隧道燈在實驗初始階段的溫度一致，在工作 5500秒后，溫升分別為 16.5℃、11.8℃、30.0℃和44.8℃。較高的表面溫度表明燈具產生的熱量較多，散熱器與光源模組的匹配度較低。那么可以初步判斷C燈和D燈的散熱設計不合理，燈具表面溫升過大。

圖2 熱沉最高溫度隨時間的變化規律

4.2 溫度場分析

利用紅外圖像進行LED隧道燈故障診斷的前提是標準熱圖像，在無法獲得正常燈具的情況下，可以利用有限元分析的方法對這個分布進行仿真。在獲得四盞燈具的幾何參數和材料參數之后，能夠對四盞LED隧道燈的穩態溫度場進行模擬［5～8］。仿真結果如圖4所示，實際結果如圖3所示，兩者進行比較之后可以發現A燈和D燈存在異常。

從紅外診斷技術的角度來講，故障可以分為外部故障和內部故障兩類［9］。外部故障一般是由裸露在大氣中的電氣接頭接觸不良或絕緣性能降低造成，內部故障一般指密封在固體絕緣、油絕緣及設備殼體內的電氣回路故障和介質劣化造成。LED隧道燈外部主要由外罩、散熱器和電源組成，外部設備發生故障的概率極低。LED隧道燈的內部組件主要包含燈珠、焊接層、導熱膠和散熱器等，結構較復雜，這些部件相互協調較難，發生故障的概率較高。實驗中實測LED隧道燈溫度場與標準溫度場存在明顯差異，可能是由LED芯片功率差異大、焊點不均、導熱膠厚薄不均等因素造成。

圖3 經過等溫線劃分之后的紅外熱圖像

圖4 通過有限元仿真獲得的標準熱圖像

為了進一步判斷導致A燈溫度場異常的原因，在標準模型的基礎上，改變LED光源功率分布、焊接層分布和導熱膠分布，通過有限元方法進行了模擬。

LED光源雖然功率規格是一樣的，但是不同燈珠之間可能會存在功率上的細微差異。A燈所用的燈珠的標稱的功率誤差為5%，由于焊接和其他不確定因素的影響，假設該誤差為10%。該隧道燈的燈珠排布方式為6*6，按照熱圖像的分布，燈珠的百分比功率分布如矩陣A所示 (矩陣中數值100表示實際功率與標稱功率一致)。根據該分布利用有限元方法得到的模擬溫度場分布如圖4所示，可見燈珠功率的不均勻性對燈具表面熱分布的影響是十分有限的。

圖5 矩陣A和改變燈珠功率的溫度場分布

芯片的焊接大多采用回流焊方式，但是在焊接之前A燈生產廠家的焊錫膏是由人工涂抹上去的，這樣難免使得焊接層的厚薄不均。為了簡化仿真過程，用導熱系數的變化來等效代替焊接點厚薄變化。

假定焊接層相對平均厚度的變化率為±20%，根據傳熱的熱阻公式:

為了使熱阻變化趨勢一致，導熱系數與焊接層厚度變化率應該相反，即:

導熱系數的百分比分布如6*6的矩陣B示，模擬結果如圖5所示，可見焊接層厚薄不均對導熱影響十分有限。

圖6 矩陣B和改變導熱層厚度的溫度場分布

LED光源與鋁基板之間通過焊接連接，鋁基板與外部散熱器之間通過導熱硅脂來增強結合度，消除空氣間隙，使導熱通道更加順暢。A燈的導熱硅脂采用人工涂抹方式，由于涂抹面大，該導熱層的均勻性很難保證。從理論上講導熱層的厚度越薄越好，可是即使熟練工人也難以把握這個尺度，為了避免產生空氣隙，涂抹層的厚度較大。由于導熱硅脂層涂抹不均勻大，假定相對平均厚度的變化率為50%，百分比厚度分布用矩陣C表示，仿真結果如圖6所示，可以發現導熱硅脂分布的不均勻性對熱沉溫度分布影響也很小。

圖7 矩陣C和改變導熱硅脂厚度的溫度場分布

為了驗證仿真結果所得出的判斷是否正確，將該LED隧道燈A的外殼打開，并查看內部結構，發現該燈的芯片外觀、焊點尺寸、導熱硅脂層厚度都趨于一致。考慮到焊接層、導熱硅脂層的不均勻性對外部熱沉溫度分布影響比較小，所以推測實驗中觀察到的溫度場異常現象應該是由燈珠功率不均勻導致。

D燈的光源由兩塊多晶COB封裝的面光源LED組成，每塊的功率高達60W，芯片與熱沉之間用導熱硅脂直接相連。這樣的散熱結構會導致熱量堆積在熱沉上緊鄰的區域，需較長時間才能擴散，導致局部過熱。從仿真結果來看，熱沉上溫度最高點應該在兩芯片的正后方，呈現雙峰分布。但實測結果表明溫度最高點集中在其中一塊芯片，呈現單峰分布，而且兩芯片正后方熱沉的溫差很明顯。據此判定溫度場不均的原因是兩塊芯片的功率相差較大，由于芯片的型號一致，功率的差異很可能是由電源引起。D燈兩塊芯片的電源模塊是相互獨立的，所以可以通過交換電源模塊進行驗證，實驗發現交換電源模塊后溫度單峰的位置轉移到另一塊芯片，所以導致D燈溫度場異常的主要原因是其中一個電源模塊存在質量問題。

5 結論

通過紅外熱像儀，將LED隧道燈工作過程的熱圖像記錄下來，發現了不同燈具的溫升差異較大，實驗中四盞燈具的溫升分別為 16.5℃、11.8℃、30.0℃和44.8℃，后兩盞燈溫升過高，也不符合標準XX中規定的30℃溫升的要求。根據燈具的結構，模擬了標準燈具的熱穩態分布圖，將燈具實測溫度分布圖與之進行比較，發現A燈與D燈存在異常。其中D燈的結果較簡單，實驗現象也較明顯，通過分析燈具結構可以判斷出燈具故障的原因很可能是燈具電源所致，通過拆解燈具并進行發現其中一組電源存在質量問題。A燈的實測結果與理論分析差異明顯，首先假定該差異可能是由芯片功率不均，焊點不均和導熱膠不均導致，通過有限元分析進行模擬，發燈珠功率分布不均勻對熱沉溫度場分布影響最大，判斷燈珠功率分布不均是導致燈具異常的主要原因，拆解燈具后進行檢測，通過分析可以判斷該異常是由LED燈珠功率的不均勻性所致。整個實驗證實了紅外熱像技術用于LED隧道燈故障診斷的可行性，紅外診斷技術在該領域的應用還有待進一步研究。

［1］李志強等．LED燈在公路隧道照明中的節能應用．中國交通信息產業，2009(12)，108－110(2009)

［2］韓直等．公路隧道LED照明燈的檢測與應用，公路交通技術．2009(6)，129－132(2009)

［3］姜長勝等．紅外熱波無損檢測序列圖像的增強方法，無損檢測，29(8)，440－442(2007)

［4］劉陶等．基于紅外熱圖像的電路板故障檢測．電子技術，45(4)，65－67(2008)

［5］朱旭平等．功率型LED瞬態溫度場及熱應力分布的研究．光電工程，38(2)，132－137(2011)

［6］任國濤等．大功率LED封裝熱性能因素的有限元分析．照明工程學報，21(z1)，18－21(2010)

［7］王立彬等．功率型倒裝結構LED系統熱模擬及熱阻分析．半導體學報，28(z1)，504－507(2007)

［8］李華平等．大功率LED的封裝及其散熱基板研究．半導體光電，28(1)，47－50(2007)

［9］梁旗等．基于紅外熱圖像電力設備熱故障的自動診斷．電腦知識與技術，1(6)，1106－1108(2008)