照明燈具溫度場分布測量與研究

李思雪，李江榮，張 慢，楊 苗，李夢蘇，馬權紅

(渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099)

【倍蕾園地】

照明燈具溫度場分布測量與研究

李思雪，李江榮，張 慢，楊 苗，李夢蘇，馬權紅

(渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099)

照明燈散熱是衡量其質量與安全性的一個重要性能指標。文章利用自主設計的多點智能溫度測量裝置對某型號40 W白熾燈周圍溫度分布進行了測試與研究。結果表明：在燈泡周圍20 cm的范圍內燈泡溫度變化梯度比較大，超過20 cm，溫度趨于恒定值。此外，利用數學擬合的方法研究了溫度分布與距離的關系，發現溫度分布與距離成反比。研究結果可對日常生活中燈具的安全使用提供參考與指導。

多點智能測溫裝置；溫度分布；數值擬合；燈泡

日常生活中，人們對電的使用涉及各個方面，照明便是其中最普遍的一種。相應地，照明燈具的設計和使用成為人們關注的問題。特別地，對于一些大功率的照明燈具如果設計不合理或者使用不當，其散熱能力就會變差，一方面造成電能的浪費，另一方面會發生不安全事故。因此，準確測量照明燈具周圍溫度場的分布，對節約電能和生活安全有非常重要的意義。本文利用自主設計的多點測溫裝置，對某型號照明燈具周圍溫度場的分布進行了測試與研究，并用數值擬合的方法給出了照明燈具周圍溫度分布與距離的關系。研究結果對照明燈具的設計與使用有一定的現實指導意義。

1 照明燈具的分類及工作原理

(1)白熾燈。白熾燈的工作原理是：電流通過燈絲產熱，隨著時間的延長，燈絲溫度就會升高，當燈泡達到白熾狀態時，燈泡就會發出光來。燈光愈亮，說明燈絲的溫度愈高，故稱為白熾燈。它發光時，電能大部分轉化為熱能，而極少部分才轉化為光能。白熾燈的壽命由燈絲溫度決定，溫度越高，燈絲就越易升華。升華會使燈絲變細，一定程度后，通電就很容易使之燒斷，燈泡就會被燒壞。

(2)熒光燈。熒光燈又叫日光燈，主要組成部分包括鎮流器、燈管、啟輝器。它的工作原理是：通電后，有電流產生，電流產熱，啟動器中的兩觸片熱漲突變，電流自感，瞬間，鎮流器就產生高壓，燈管內氣體就會被導通，氣體被導通就會發光。這種燈將大部分的能量轉化為紫外光，另一少部分能量則轉化為熱能，相對于電燈泡的能量轉化率，日光燈的轉換率為電燈泡的2倍。

(3)節能燈。節能燈又稱緊湊型熒光燈，它的效率一般是白熾燈的5倍，其優點是體積小巧，方便使用，熱輻射耗能少，僅有20%以熱能的形式被散發。它的工作原理與日光燈相同。

(4)LED照明燈。LED也稱之為發光二極管，它具有節約能量、減少污染的作用，因此，被人們稱作綠色照明燈。它的工作原理為：電流通過晶片時，量子阱中會進來電子和空穴，當在量子阱內電子和空穴結合時，就會有能量產生，這種能量以光子的形式表現出來，從而達到照明的效果。

2 溫度傳感器

2.1 溫度傳感器的發展

傳感器就是可以感受到外部的信號并把這些信號按照一定的規律轉化成可以直接使用的信號的儀器。[1-2]通俗地說，傳感器就是可以把外部的信號轉化為電信號的裝置。所以傳感器一般分為兩部分：一是信號感知部分，二是信號轉換部分。

現在，以半導體作為敏感元件的溫度傳感器技術已經應用到各個領域。[2-4]生活中常用的溫度傳感測量儀器有兩種：單點溫度測量儀和多點溫度測量儀。單點溫度測量儀是用傳統的模擬集成溫度傳感器[1]制作而成。比如，熱電阻、熱電偶等傳感器，它們精度高，測量范圍廣，分辨率高，其本身配帶LED顯示模塊，有的還有存儲功能。多點溫度測量儀可以同時多點進行溫度測量。測溫裝置在工業和農業中的需求量比較大，但是相對而言，多點測溫裝置的成本高，對環境的要求也比較高。

最早把溫度模擬信號轉換為數字信號的是熱電偶傳感器。[5]其次，是把鉑電阻作為傳感器的溫度計。從21世紀初開始，隨著半導體技術的發展，世界上相繼出現了PN結集成溫度傳感器[6]和半導體熱電偶溫度傳感器。[6]而且，利用物質與波相互作用理論，人們還制造出了紅外傳感器、聲學傳感器、波傳感器等。21世紀末，出現了數字溫度傳感器，它是計算機、自動測量和微電子三大技術相結合的產物。[7]利用相關軟件技術，數字溫度傳感器可以將數字量和相對應的控制量以極高的準確度輸出。

2.2 溫度傳感器的分類

溫度傳感器按照工作物質可以分為四類[8]，分別是：熱敏電阻、電阻溫度檢測器、熱電偶和IC溫度傳感器。而IC溫度傳感器又可分為兩種，分別是模擬輸出傳感器和數字輸出傳感器。

電阻溫度檢測器：精度高，性能穩定，裝置類型比較多。但它們的最高工作溫度大約為400℃，其價格是熱電偶的4～10倍，且還需要一個外置參考源。

熱電偶：應用范圍廣，原因是它的性能穩定，價格便宜，種類繁多，而且所測量的溫度范圍大，從200℃到2 000℃。它們的不足之處是：靈敏性不好、穩定性較差、精度一般、反應速度慢、高溫下易老化，同時變化沒有規律。另外，熱電偶還需要外部參考源。

模擬輸出IC溫度傳感器：線性度高、體積小、高精度、使用方便、分辨率高。不足之處是測量溫度范圍比較窄(均在-55℃～125℃)，而且需要外置參考源。

圖1 DS18B20的外形及引腳DQ是數字信號輸入/輸出端；GND是電源地；VDD是外接供電電源輸入端

數字輸出IC溫度傳感器：帶有內部參考源、響應速度快，它們會自身發熱，通過自動操作讓其在需要使用之前把IC設置為低耗能狀態，從而將自身發熱降到最低。數字式傳感器與模擬式溫度傳感器相比，有可靠性、抗干擾能力強的優勢。但是受半導體性能的影響，它又有一些不足之處。它們的不足之處在于：(1)數值是傳感器敏感元件的溫度值，這就需要使用時使溫度傳感器處于良好的空間中，以確保準確性，但由于敏感元件的限制，還是會存在一定的誤差。一般來說，測量結果要比真實值稍微小一些；(2)測量溫度范圍比較窄(均在-55℃～125℃)；(3)數字式傳感器輸出的數據有一定的非線性[9]的函數關系，通過一定的程序可以進行矯正[10]，宜在常溫環境下使用，不適合用于溫度比較敏感或者環境很差的工作狀況；(4)數字式溫度傳感器價格昂貴，一定程度上限制了其應用范圍。

2.3 溫度傳感器(DS18B20)模塊

DS18B20是一種數字溫度傳感器芯片[11]，如圖1所示。它有兩種類型：一種是3腳TO-92封裝的；另一種是8腳SOIC封裝的。溫度傳感器DS18B20有許多優點，比如，體積較小，方便使用，精確度高，工作更加穩定，而且可以與大多數單片機連接。特別是它可以直接將溫度信號以數字量輸出并能夠供處理器處理 ，可編程的溫度分辨率最小為0.062 5℃。溫度傳感器DS18B20的電源既可以從遠處引入，也可把電源寄存。我們使用的溫度傳感器是3腳TO-92封裝的DS18B20傳感器。

3 測溫方案

我們利用DS18B20溫度傳感器與C51單片機連接，自制多點溫度測量裝置。

3.1 測溫目標

以PHILIPS某型號照明燈具為研究對象，對其周圍約30 cm范圍內溫度場的分布進行研究。測量溫度時為了提高實驗精度，盡可能達到同時多點測得燈泡周圍溫度值，減少環境對實驗值的影響，可以通過對變量的控制來達到該效果。

3.2 多點溫度測量功能要求

(1)能同時測量多點溫度值；(2)精度0.001℃；(3)能夠通過顯示器顯示測量點編號和溫度值；(4)可同時顯示各測量點溫度值。

3.3 多點溫度測量設計

多點溫度測量系統的結構如圖2所示。根據實驗要求，整個結構圖包含以下四個部分：按鍵、51單片機、多個DS18B20測溫模塊、顯示模塊。其中，顯示模塊主要采用顯示信息量大、效果好、使用方便的LED液晶顯示器。

圖2 多點溫度測量系統的總體結構圖

圖3 DS18B20 的TO-92封裝

圖4 實驗電路圖

系統處理時，由51單片機控制從各個測溫模塊測量出溫度數字量，根據數字量與溫度的關系計算出溫度值，送至LED顯示器顯示。

4 溫度采集模塊

4.1 多點測溫裝置

這一部分主要是對溫度采集工作進行說明。DS18B20在這個多點測溫裝置中的作用是采集溫度，它可以由自身的轉換功能使目標測量值由采集到的溫度信號直接轉換。通過單片機接口與單片機相連，最后與顯示電路相連，顯示電路顯示DS18B20采集到的溫度值?？紤]到DS18B20的結構，它組成的溫度采集裝置具有體積小、方便使用、集成高、抗干擾能力強、采集電路簡單、遠距離測溫時誤差小的特點。本次設計用TO-92封裝, 如圖3所示。

4.2 多點溫度測量電路及溫度測試流程

圖5 溫度測試子程序流程圖

多點溫度測量裝置設計電路圖[3,12]如圖4所示。DS18B20采用外部供電方式，理論上可以在一根數據總線上掛256個DS18B20，但實際應用中，如果掛接25個以上的DS18B20仍舊有可能產生功耗問題。在圖4中使用了一個MOSFET將I/O口線直接和電源相連，起到上拉的作用。

整個系統的功能是由硬件電路配合軟件來實現的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監控軟件(主程序)，它是整個控制系統的核心，專門用來協調各執行模塊和操作者的關系。二是執行軟件(子程序)，它是用來完成各種實質性的功能，如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執行軟件也就是一個小的功能執行模塊。各執行模塊規劃好后，就可以規劃監控程序了。

下面主要對溫度測試子程序的流程圖做一介紹，如圖5所示。溫度測試程序：單片機P1.4端口接收溫度芯片送過來的數據，通過對接收的溫度數據的處理，進行判斷和顯示。

根據圖4電路圖，考慮到采集數據方便，同時結合實驗條件，研究組制作的多點測溫實驗裝置如圖6所示。

5 燈具周圍溫度分布測量及結果分析

5.1 實驗步驟

選取大紙板，在紙板中央確立一圓心，做出半徑不同的同心圓，如圖6所示。待測燈具放置在圓心處；根據實驗需求把溫度傳感器探頭分別放置在半徑不同的圓環上；記錄不同時間間隔、不同半徑圓環上的溫度值；進行數據處理和分析，得出結論。

圖6 電路實物圖

5.2 實驗數據

按照5.1實驗步驟，得到的實驗數據見表1至表4，其中：表1至表3為原始數據，表4 為它們的平均值。

表1 原始實驗數據

表2 原始實驗數據

續表2

時間/min距離5cm處的溫度/℃距離10cm處的溫度/℃距離15cm處的溫度/℃距離20cm處的溫度/℃距離25cm處的溫度/℃距離30cm處的溫度/℃633.25724.16221.58220.12519.62019.392733.38224.37521.64620.13519.58319.425834.06324.43721.68820.12519.68819.478933.85024.32621.83620.18719.72319.5271034.07324.39821.79820.18519.69219.498

表3 原始實驗數據

對以上3個表格數據求平均值，得到表4。

表4 取平均值后的實驗數據

5.3 根據數據制作出函數圖

根據表4中的數據，我們給出了燈具周圍溫度隨時間變化的曲線，見圖7。從圖中可以看出，我們所設計的測溫裝置能明確分辨出半徑為20 cm的空間區域內溫度梯度的變化規律，即半徑越小其溫度變化越明顯。測溫距離大于30 cm時，測得的溫度變化不明顯，反映在圖7中為溫度隨時間的變化曲線趨于直線。特別地，從圖7中可以看出，當測量時間大于8 min后，不同半徑所測得的燈泡溫度趨于一系列的恒定值，這說明此時燈具周圍的溫度場分布已經趨于穩定。

圖7 不同半徑處溫度隨測量時間的變化

圖8 t=10 min時，溫度分布隨半徑的變化

為了研究燈具周圍溫度場的分布，我們在溫度場分布趨于穩定時測量了燈泡周圍溫度，它隨半徑的變化曲線如圖8所示。圖中給出的是測量溫度時刻為t=10 min時，溫度隨半徑的變化曲線。從圖8中可以看出，在t=10 min時，燈泡周圍溫度隨著半徑的增加逐漸減小。當距離大于20 cm后，變化非常緩慢，最終趨于穩定值(該穩定值和實驗時環境的溫度相同)。該實驗結果和我們的日常經驗相吻合，即離燈泡越遠，溫度梯度越小，測量越趨于環境溫度。我們對圖8中的數據進行了擬合，得到溫度與距離的函數關系為：

y=52.860x-0.311 4。

(1)

其中：x對應于測溫距離，y為溫度。

由(1)式我們知道，燈泡熱輻射與距離成反比，如圖9所示。這說明，燈具熱輻射以測量原點為中心，以球面波的形式向外輻射。

圖9 數據擬合曲線圖

6 結論

利用自主設計的多點測溫裝置，我們對某品牌功率為40 W的照明燈具周圍溫度場進行了測量與研究。結果表明，在燈泡周圍20 cm的范圍內溫度變化梯度比較大。超過20 cm的范圍，所測量的溫度變化不大，基本趨于環境溫度，這可以被認為是該型號燈具的安全使用距離。利用數值擬合的方法，我們得到溫度分布與距離的關系為y=52.860x-0.311 4。研究結果對日常生活中安全使用燈具和提高能源利用提供了參考。

(指導教師 張修興，雷能芳，肖令祿)

[1] 周繼明,彭解華.傳感技術與應用[M].第2版.長沙：中南大學出版社,2009.

[2] 郝蕓,梅曉莉.傳感器原理與應用[M].第2版.北京：電子工業出版社,2013.

[3] 李廣弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社,1994.

[4] 謝維成,楊家國,董秀成.單片機原理與應用及C51程序設計[M].第3版.北京：清華大學出版社,2014：208-361.

[5] 宋川川.大功率LED燈芯溫度場測試研究[D].南京：南京理工大學碩士學位論文，2014.

[6] 陳明,胡安,唐勇,等.IGBT結溫及溫度場分布探測研究[J].電子電力技術,2011,45(7)：130-132.

[7] 張志勇,盧煥章,常青.空間目標表面溫度場分布模型研究[J].計算機仿真,2010,27(6)：83-111.

[8] 許新樂.甲醇加壓精餾塔進料位置對組分、溫度分布曲線的影響分析[J].石油與天然氣化工，2010,39(4)：281-283.

[9] 張華,潘際鑾.基于二維焊接溫度場檢測的三維溫度場計算機模擬[J].焊接學報，1999,20(4)：225-232.

[10] 杜敏,亢世江,張耀,等.P91剛厚壁管局部回火溫度場分布特點的探討[J].焊接技術,2007,36(7)：15-16.

[11] A. H. Faraji,A. Bahman,M. Goodarzi, et al. Numerical and experimental investigations of weld pool geometry in GTA welding of pure aluminum[J].Journal of Central South University，2014,25(1)：235-240.

[12] 余美娟,戴元坎,張翼.輪胎穩態溫度場分布的有限元分法[J].輪胎工業，2001,(21)：710-712.

【責任編輯 牛懷崗】

The Investigation of Temperature Distribution around a Bulb

LI Si-xue, LI Jiang-rong, ZHANG Man, YANG Miao, LI Meng-su, MA Quan-hong

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

Heat dissipation is a vital indicator to qualify the quality and security of a bulb. Using the designed temperature measuring device, we detect the temperature distribution of a bulb of 40W. The results show that the temperature gradient changes quick within the scope of 20cm around the bulb. However, the temperature approaches a certain value when the scope goes beyond 20cm. In addition, we also mathematical fit our data and obtain the relation between temperature distribution and the distance. Our investigation may provide a guidance to the use of lamps and lanterns in daily life.

temperature measuring device; temperature distribution; numerical simulation; bulb

O551.2

A

1009-5128(2017)04-0085-08

2016-10-10

全國大學生創新創業訓練計劃項目：不同形狀LED燈溫度場的測定與模擬(201510723656)

李思雪(1992—)，女，陜西渭南人，渭南師范學院數理學院2013級本科生。