微熱管紅外測溫系統的設計

李聰明，羅　怡,2，周傳鵬，王曉東,2*

(1.大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統工程重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024)

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微熱管紅外測溫系統的設計

李聰明1，羅怡1,2，周傳鵬1，王曉東1,2*

(1.大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統工程重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024)

根據集成發光二極管(LED)的微熱管尺寸小、溫升快、溫度梯度變化劇烈等特點，搭建了非接觸式紅外測溫系統，以實現對其不同特征區域的溫度測量。對該系統的信號采集與轉換、誤差分析與補償、測溫特性指標、以及微熱管的熱性能進行了研究。該系統通過LabVIEW編程軟件實現紅外傳感器的電信號采集與溫度轉換；將不同溫度的加熱塊作為等溫體參考，對比熱電偶與紅外測溫結果完成靜態和動態測溫特性分析，進而通過環境溫度補償方法修正LED輻射熱引起的傳感器漂移誤差；最后基于線性擬合法完成傳感器的校準。利用該測試系統在不同熱負載下測試了微熱管的熱性能。結果顯示：測溫系統的準確度、重復性及線性度分別為1.2～1.5 ℃、1%和0.2%；時間常數T和響應時間t0.05分別約為15 ms和30 ms。該紅外非接觸測溫系統能夠減小傳感元件對被測溫度場的影響，具有測溫精度高和熱惰性小的特點，為微熱管熱性能評估提供了新的測量方法。

紅外測溫系統；非接觸測量；溫度測量；微熱管；熱性能；發光二極管

1　引　言

熱管是利用工作介質在蒸發段汽化而在冷凝段液化的相變過程(即利用液體的蒸發潛熱和凝結潛熱)，使熱量快速傳導，是一種高效傳熱元件[1,2]。其具有高傳熱效率、優良的等溫性及熱流方向可逆性等優點，在電子冷卻、化學工業、動力機械、核電工業等方面得到了廣泛應用[3-5]，已成為工業部門實施熱管理、先進熱控和溫控的首選[6]。隨著大功率LED、激光測量工具及高性能IC器件的推廣，微熱管的研究與應用日漸增多。但由于該類熱管表面積小，通常大功率微器件在集成微熱管后還具有熱斑效應，會引起封裝材料損壞、功率衰減失效或直接導致組件燒毀，因此，不僅需要測量熱管各段的溫度，還需要獲得關鍵部位的溫度梯度變化。

評價熱管熱性能的熱物性參數主要包括導熱系數和熱阻[7,8]。兩者都屬于間接測量量，其計算依賴于蒸發段、絕熱段及冷凝段溫度的精確測量。溫度測量分為接觸式和非接觸式[9]。一般來說，接觸式測量需達到傳熱平衡[10]，其響應相對較慢；非接觸式測量目標發射的紅外線能量，響應快，通常用來測量溫度變化快的目標及真空中的目標[11,12]。大多文獻中[13,14]熱管的溫度測量使用熱電偶或者熱電阻測溫傳感器，涉及到傳感器的分布與粘接，一部分能量會從這些傳感器或引腳散失，這部分能量很難估計。對于微型熱管，散失的這部分能量尤為明顯。紅外熱像儀具有圖像顯示直觀和快捷、反應速度快等優點，研究人員利用紅外熱像儀測量整個熱管或者器件溫度場溫度梯度的變化[15-17]。但是，目前市場上熱像儀通常為手持式，尺寸類似于單反相機，較難集成在具有真空腔的測溫系統中，不能透過玻璃等透明障礙物進行監測，同時，存在微型化、集成化等問題，所以熱像儀的使用受到限制。所以，對特殊測試環境下微小器件的溫度測量研究具有一定的必要性。

針對以上問題，本文提出采用紅外溫度傳感器進行微熱管特征區域的溫度采集，通過濾波和誤差分析及有效補償，并研究紅外測溫系統的特性指標，實現溫度的精確測量。

2　微熱管測試原理

2.1微熱管傳熱分析

測溫對象是集成LED芯片的微熱管，結構如圖1所示。熱量由LED芯片產生，正常工作條件下，最高溫度不超過120 ℃。由斯特藩-玻爾茲曼定律知，輻射出的總能量與黑體本身的熱力學溫度的4次方成正比。硅基板外層為SiO2，SiO2的發射率為0.79，以輻射面積為7.2 cm2計算。由：

M=0.79×σ×T4,

(1)

得到不同溫度下的熱輻射功率，如表1所示。式中：M為單位面積全波輻射能通量(W·m-1)；σ為斯特藩-玻爾茲曼常量，5.670 37×10-8W·m-2·K-4；T為熱力學溫度(K)。

表1　不同溫度下的輻射功率

相對于數瓦的輸入功率，表1中的輻射功率可以忽略。測試在真空腔環境中進行，真空度高于0.5 Pa，熱對流對測溫的影響同樣可以忽略不計。因此可以認為LED產生的熱量完全通過熱傳導方式傳遞。

圖1　硅-玻璃微熱管Fig.1　Photo of Si-Glass MHP

溫度較低時主要以不可見的紅外光進行輻射，由維恩位移定律可知，微熱管的單色最大輻射波長位于遠紅外區，即輻射波長為8～14 μm。因此，選擇光譜透射率為5～16 μm的紅外探測傳感器，溫度檢測為-20～120 ℃，外觀主尺寸是直徑4.6 mm，高2.6 mm，敏感區域直徑為545 μm。

圖2　測試系統設計示意圖Fig.2　Schematic diagram of test system design

測試系統設計如圖2所示，計算機通過源表控制LED的輸出功率，約30%的能量轉化為光能，其余70%轉化為熱量。熱量在真空腔中通過微熱管傳遞到冷凝塊，最終通過恒溫槽提供的恒溫水導出。紅外模塊用于測量微熱管蒸發段和絕熱段的平均溫度。由于光能以電磁波形式輻射下方的紅外測溫模塊，造成測溫傳感器溫度升高，會引起溫度漂移，因此為實現高精度的溫度測試，需要修正環境溫度誤差。

2.2溫度采集方案

當量導熱系數Keff用來表示微熱管的傳熱能力:

(2)

式中:Q為輸入功率；Leff為微熱管有效長度；A為橫截面積；Te、Tc分別為微熱管蒸發段和冷凝段的平均溫度。對于特定的微熱管，得到輸入功率Q、蒸發段Te和冷凝段Tc，則可計算當量導熱系數。

測試系統中的溫度采集元件包括紅外傳感器和K型熱電偶(OMEGA，TT-K-36-SLE)。其中，熱電偶經溫度測量儀(testo735-2 精度為±0.3 ℃)標定，誤差小于1 ℃。紅外傳感器用于監測微熱管蒸發段和絕熱段的平均溫度，熱電偶用于冷凝段的溫度監測。

紅外傳感器對被測溫度的響應為毫伏級電壓，如圖3所示，顯示了不同環境溫度下的電壓響應輸出。通過對比計算環境溫度為0～50 ℃下間隔為5 ℃的所有信號輸出電壓，相鄰兩曲線在不同被測溫度下對應的電壓輸出差值很小(差值小于0.01 mV)，而響應1 ℃變化的最小電壓為0.03 mV，因此，認為相鄰曲線具有較好的等差性，即Δ1=Δ2，如圖3所示。將環境溫度為25 ℃的信號輸出電壓曲線作為參考，采用線性插值的方法得到環境溫度變化(20～60 ℃)內間隔為0.1 ℃的所有信號輸出電壓曲線，用于補償環境溫度變化引起的測量誤差。

圖3　傳感器在不同環境溫度下的輸出電壓與被測對象溫度關系曲線Fig.3　Output voltage versus object temperature with sensor at different temperatures

圖4　阻值測量電路Fig.4　Circuit for resistance measurement

OTP-538U紅外傳感器內置熱敏電阻溫度傳感元件Rt，可實時檢測紅外傳感器所處的環境溫度。在25 ℃條件下，Rt=100 KΩ，由式(3)計算阻值和溫度的關系：

(3)

其中：Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值；R是熱敏電阻在T2=(273.15+25) K常溫下的標稱阻值；β值為3 964；T1，T2為開爾文溫度。

搭建了4路紅外溫度采集通道，相應的需要4路環境溫度補償。為得到熱敏電阻溫度測量值，需先通過圖4所示電路實現電壓Uoi(i=1,2,3,4，下同)與電阻值的轉換，進而通過式(3)計算得到溫度值T1。圖3中，Rti為第i路內置熱敏電阻；Rpi為第i路串聯的10 KΩ高精度電位器；C為0.1 μF濾波電容。由被測對象引起的毫伏電壓值查詢環境溫度T1所對應的輸出電壓擬合曲線可得到被測對象的溫度值，實現溫度漂移誤差補償的目的。

2.3溫度測量模塊

圖5所示為紅外溫度測量模塊示意圖，可實現紅外溫度傳感器的上下位置調節以及水平角度轉動調節。上下調節和轉動調節可以對紅外傳感器視場(可視角度為66°)覆蓋范圍進行微調，對不同規格的微熱管具有一定的適應性。紅外測量得到的溫度是區域平均值，而對于熱電偶，須配置多個傳感器才能獲得區域平均溫度。另外，使用紅外測溫可以解決熱電偶無法測量LED區域溫度的難題。

圖5　紅外溫度測量模塊示意圖Fig.5　Module diagram of infrared measuring

3　測溫系統的特性指標研究

3.1紅外測溫靜態特性

對已搭建的紅外測溫系統進行靜態特性分析，利用圖6所示的結構研究紅外測溫系統的準確度、重復性及線性度。恒溫(溫度控制為25～105 ℃，間隔為10 ℃，溫度波動小于0.5 ℃)采用PID控制，加熱塊為黃銅，紅外溫度測量面涂有黑色漆(發射率約為0.9)。

圖6　紅外測溫校準結構Fig.6　Calibration structure of infrared measuring

圖7(a)所示為紅外測溫模塊校準前的測溫結果，紅外和熱電偶溫度在25 ℃時差值最小，隨著溫度的升高差值不斷增大；圖7(b)為對圖7(a)測溫數據進行線性擬合的結果，顯示出紅外傳感器具有良好的線性度，擬合方差達到0.999。使用擬合校準后的紅外傳感器重復上述實驗，進行3組升溫測量，計算得到準確度、重復性及線性度分別為0.88 ℃，1%和0.2%。考慮到熱電偶的測量精度等其它因素，紅外測溫系統的精度可以達到1.2～1.5 ℃。

(a)紅外與熱電偶溫度對比(a)Temperature contrast of infrared and thermocouple

(b)溫度直線擬合(b)Fitting of temperature line圖7　溫度測量與擬合Fig.7　Measuring and fitting for temperature

3.2紅外測溫動態特性

采用如圖6所示的結構，在紅外傳感器和被測平面之間加1 mm厚的遮蔽層(材質為玻璃纖維)，恒溫加熱銅塊至80 ℃ (100 ℃)，待溫度波動小于0.5 ℃后，迅速撤去遮蔽層，同時采集紅外溫度數據(初始溫度40 ℃，采樣頻率為1 000 Hz)。紅外溫度隨時間變化曲線如圖8所示。

紅外測溫系統的80 ℃和100 ℃階躍響應的時間常數分別為15 ms和16 ms，允許誤差為5%的響應時間分別為30 ms和31 ms。可見，紅外測溫系統具有穩定的時間常數和響應時間，即具有良好的動態測量特性。

圖8　紅外測溫系統的階躍響應曲線Fig.8　Step response curve of infrared measuring system

4　熱性能測試實驗

將標定校準后的紅外測溫系統應用到微熱管熱性能測試實驗中，實驗測試系統如圖9所示。實驗中采用的硅-玻璃微熱管尺寸為40 mm(長)×15 mm(寬)×2 mm(玻璃厚1 mm，硅基板厚1 mm)，其中LED區域(6顆LED芯片均勻分布，額定功率6 W)為8 mm(長)×5.5 mm(寬)。測量實驗的LED輸入功率分別為3 W和6 W，冷卻塊溫度為20 ℃，真空腔壓力為0.5 Pa。微熱管內的工質為去除不凝性氣體的去離子水，灌注率約為30%。

圖9　微熱管測試系統實物圖Fig.9　Photo of measuring system for MHP

圖10　3 W和6 W輸入功率下的溫度變化曲線Fig.10　Temperature variation curves of 3 W and 6 W

LED為點熱源，產生的熱流密度為90 W/cm2，在蒸發段會產生大量的熱量堆積。如圖10所示，在前50 s內溫升劇烈，隨著微熱管的啟動傳熱不斷加強，溫度增長趨于緩慢，輸入功率為3 W時，平衡時間為126 s，輸入功率為6 W時，平衡時間為134 s，紅外測溫能夠準確地反應溫升過程。另外，從溫度梯度變化可以看出，微熱管達到傳熱平衡后表現出較好的均溫性。按照相變區域計算有效長度和橫截面積，得到3 W和6 W對應的導熱系數分別為2 517 W/m·K和4 915 W/m·K，表明隨著輸入功率的增大，微熱管傳熱性能進一步增強。因此，紅外測溫模塊能夠用于具有較大傳熱系數的微熱管溫度精確測量，并且可快速捕捉溫度變化。

5　結　論

本文搭建了非接觸式紅外測溫系統并研究了其測溫特性。LED發光會造成紅外傳感器的溫度漂移誤差，通過熱敏電阻檢測環境溫度并查詢對應的擬合曲線值，進行誤差補償。對測溫系統的靜態和動態測溫特性研究，測量結果顯示傳感器具有很好的線性，經校準和標定后，測溫系統的重復性及線性度分別為1%和0.2%；時間常數約為15 ms，響應時間t0.05約為30 ms，系統測溫精度為1.2～1.5 ℃。對規格為40 mm×15 mm×2 mm的微熱管進行熱性能測試，實驗結果顯示：在額定功率下，微熱管都能達到溫度平衡，3W時蒸發段平衡溫度和平衡時間分別為55.4 ℃和126 s，6 W時蒸發段平衡溫度和平衡時間分別為83.5 ℃和134 s。另外，當量傳熱系數隨著輸入功率的增加而增大，最大值可達4 915 W/m·K。紅外測溫系統解決了接觸式溫度傳感器對被測對象溫度分布影響的問題，具有熱惰性小、響應快、重復性好、測溫精度高等特點，可集成于真空溫度測試腔或其它測溫系統中，快速獲得特征區域的溫度分布及梯度變化，為微熱管熱性能測試及分析實驗提供測量方法。此外，紅外測溫系統還可用于微熱管啟動時間，灌注率對比等熱管特性參數的實驗研究。

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李聰明(1985-)，男，山西運城人，博士研究生，2009年、2013年于大連交通大學分別獲得學士、碩士學位。主要研究方向為精密儀器及機械。E-mail: lcm123lcm525@163.com

導師簡介：

王曉東(1967-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士生導師，1989年于南京航空學院獲學士學位，1992年于哈爾濱船舶工程學院獲碩士學位，1995年于哈爾濱工業大學獲博士學位。主要從事微裝配技術與系統、精密儀器設計與制造等方面的研究。E-mail: xdwang@dlut.edu.cn

(版權所有未經許可不得轉載)

Design of infrared temperature measurement system for micro heat pipe

LI Cong-ming1, LUO Yi1,2, ZHOU Chuan-peng1, WANG Xiao-dong1,2*

(1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;2.KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningoftheMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)*Correspondingauthor,E-mail:xdwang@dlut.edu.cn

According to the characteristics of Micro Heat Pipe(MHP) in an integrated Light Emitting Diode (LED) on small sizes, fast temperature rising and temperature change,as well temperature gradient, a non-contact infrared temperature measurement system was conducted to measure the temperature of different feature regions of th MHP integrated with LED chips. The signal acquisition and conversion, error analysis and compensation, characteristic indexes of temperature measuring and heat performance experiments of the MHP were investigated. Electrical signal acquisition and temperature conversion were implemented through LabVIEW programming. Then, the heating blocks with different temperatures were considered as isothermal reference bodies, and the measuring results of the infrared sensors and the thermocouples were compared and analyzed for static and dynamic temperature measurement characteristics. The drift error resulting from LED radiant heat was corrected by environment temperature compensation, and infrared sensors were calibrated by linear fitting. Finally, the heat performance of MHP under different heat loads were measured by proposed measuring system. Experimental results indicate that the accuracy, repeatability and the linearity of the system are 1.2-1.5 ℃, 1% and 0.2%, respectively, while the time constant and the response time are 15 ms and 30 ms, respectively. The Infrared measuring reduces the effects of sensor elements on temperature distribution of feature areas, and is characterized by high temperature measurement precision and small thermal inertia. It provides a new measuring method for the evaluation of heat performance of MHPs.

infrared temperature measurement system; noncontact measurement; temperature measurement; micro heat pipe; heat performance;Light Emitting Diode(LED)

2016-05-10；

2016-06-20.

國家973重點基礎研究發展計劃資助項目(No. 2011CB013105); 國家創新群體科學基金資助項目(No. 51321004)

1004-924X(2016)10-2449-07

TN216；TK311

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2449