紅外熱像檢測：嚴(yán)格把關(guān)汽車可靠性

 隨著汽車智能化的不斷發(fā)展，汽車電子的重要性越加突出，巨量增加的硬件和軟件使得汽車電子的發(fā)熱成為問題的集中點(diǎn)，如果不能妥善地處理電子系統(tǒng)的發(fā)熱和散熱問題，會造成系統(tǒng)運(yùn)行效率下降、死機(jī)甚至于發(fā)生著火的后果。

汽車電子的傳統(tǒng)溫度檢測方式是熱電偶，為接觸式測溫，但在反應(yīng)速度、小目標(biāo)檢測、工作效率等方面還存在諸多不足，而紅外熱像儀可以從電子系統(tǒng)表面的溫度分布狀態(tài)非接觸地快速發(fā)現(xiàn)問題，并在專業(yè)軟件的幫助下進(jìn)行分析，高效完成汽車電子的發(fā)熱和散熱檢測任務(wù)。

紅外熱像的發(fā)展和在國內(nèi)的使用現(xiàn)狀

1、紅外熱像儀的發(fā)展歷史

自從1800年赫謝爾利用水銀溫度計(jì)制作的最原始的熱敏探測器發(fā)現(xiàn)了紅外輻射以來，人們就開始不斷運(yùn)用各種方法對紅外輻射進(jìn)行檢測。

紅外熱像儀是一種可探測目標(biāo)的紅外輻射，并能通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備，是集光、機(jī)、電等尖端技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。因其具有非接觸測溫、反應(yīng)速度快、溫度數(shù)據(jù)可分析等優(yōu)點(diǎn)，在研發(fā)、品質(zhì)管理、設(shè)備維護(hù)、建筑檢測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

2、紅外熱像技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用狀況

隨著科技的進(jìn)步，目前紅外熱像技術(shù)在建筑和工業(yè)領(lǐng)域也得到了長足的發(fā)展。紅外熱像儀探測波段為8～14μm長波的非制冷焦平面凝視型紅外熱成像儀，其體積、重量、操作性均比第一代制冷型紅外熱像儀有了很大的改進(jìn)。

目前紅外熱像儀在國內(nèi)現(xiàn)主要應(yīng)用于如下行業(yè)：

- 研發(fā)與品質(zhì)管理：主要對產(chǎn)品的發(fā)熱狀態(tài)進(jìn)行檢測，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

- 設(shè)備預(yù)測性維護(hù)：主要對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行巡檢，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題。

- 建筑檢測：檢測房屋的節(jié)能、滲漏和空鼓等狀況。

- 消防：搜救和日常防火安全檢測。

- 其他：如科研、教育、醫(yī)療等。

紅外熱像技術(shù)在國內(nèi)汽車電子企業(yè)的應(yīng)用狀況

1、熱像儀在汽車電子的應(yīng)用狀況

目前，紅外熱像儀在國內(nèi)眾多汽車電子企業(yè)已經(jīng)開始使用，主要應(yīng)用有：

研發(fā)溫度分析：

器件發(fā)熱分析

散熱效能分析

外殼或周邊部位溫度分析

溫度隨時間變化的趨勢分析

產(chǎn)品質(zhì)量檢測：

外協(xié)件的質(zhì)量檢測

產(chǎn)線質(zhì)量控制

老化測試

2、熱像儀與接觸式溫度計(jì)/溫度數(shù)據(jù)采集器的區(qū)別

數(shù)據(jù)采集器以接觸式溫度計(jì)作為傳感單元，系統(tǒng)集成幾個至數(shù)十個傳感器，傳感器通常粘貼或固定在被測目標(biāo)上，系統(tǒng)根據(jù)每個傳感器的溫度數(shù)據(jù)分析被測目標(biāo)的溫度分布狀態(tài)。有的數(shù)據(jù)采集器的通道數(shù)可擴(kuò)展至數(shù)百甚至數(shù)千個，但受到被測目標(biāo)尺寸的限制，這些通道數(shù)往往是理論上的，極少用在實(shí)際檢測中。

A 紅外熱像儀的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)采集器因?yàn)槭褂媒佑|式溫度計(jì)作為傳感單元，故有下列缺點(diǎn)：

· 檢測點(diǎn)少，目標(biāo)溫度分布狀態(tài)不清晰

數(shù)據(jù)采集器的接觸式溫度傳感單元數(shù)目較少，特別是對于面積同樣較小的電子器件來說，能固定在器件上的傳感單元一般只能以個數(shù)計(jì)，故使用數(shù)據(jù)采集器檢測的部位是較為模糊的。

紅外熱像儀的檢測點(diǎn)數(shù)以萬計(jì)，故可以清晰地顯示出被測目標(biāo)的溫度分布狀態(tài)，有利于觀測細(xì)小的溫度異常點(diǎn)。

· 反應(yīng)速度慢

數(shù)據(jù)采集器的接觸式溫度傳感單元反應(yīng)速度通常在十幾秒至數(shù)分種，若被測目標(biāo)有較快的溫度變化，數(shù)據(jù)采集器就不能更上目標(biāo)的溫度變化，造成溫度顯示滯后，影響使用者的判斷。

紅外熱像儀的反應(yīng)時間通常在1秒內(nèi)，可以實(shí)時地顯示出目標(biāo)的溫度變化情況。

· 會破壞目標(biāo)的原有溫度場

數(shù)據(jù)采集器的傳感器必須要接觸在被測目標(biāo)表面，這樣會影響到表面的散熱效果(特別對于面積較小或發(fā)熱較少的物體)，使被測目標(biāo)的溫度改變。

紅外熱像儀使用非接觸測溫手段，可遠(yuǎn)離目標(biāo)進(jìn)行檢測，故不會破壞目標(biāo)的原有溫度場，保證測溫的準(zhǔn)確。

B 溫度數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)勢

· 由于熱電偶布線靈活，可以在熱像儀無法拍攝的部位進(jìn)行檢測，如多層電路板的下層、產(chǎn)品外殼內(nèi)部的元器件等。

· 熱電偶可進(jìn)行長時間的溫度數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行開關(guān)量或4-20mA信號控制。

C 紅外熱像儀和溫度數(shù)據(jù)采集器的協(xié)作

紅外熱像儀主要檢測目標(biāo)表面的溫度分布狀態(tài)，對于內(nèi)部的檢測和需要進(jìn)行溫度控制的部分，由溫度數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行協(xié)作補(bǔ)充。

紅外熱像在汽車電子檢測方面的應(yīng)用案例

1、電路板及元器件檢測

A 電路板測試

當(dāng)前，電子設(shè)備主要失效形式就是熱失效。而汽車作為熱能轉(zhuǎn)為動能的系統(tǒng)對電子設(shè)備的要求則更高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備失效有55%是溫度超過規(guī)定值引起，隨著溫度增加，電子設(shè)備失效率呈指數(shù)增長。一般而言電子元器件的工作可靠性對溫度極為敏感，器件溫度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就會下降5%。

熱像儀能夠全面檢測電路板上每個元器件的溫度，這是其他測溫工具所做不到的;把空調(diào)器控制板上每個元器件的溫度控制在限度范圍內(nèi)，將可以大大提高運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品壽命。

圖1：PCB板因功率器件發(fā)熱傳遞至背面，局部溫度偏高。

圖2：功率二極管發(fā)熱狀態(tài)，長時間開啟最高溫度不得超過100℃。

B 汽車電子系統(tǒng)的發(fā)熱測試

在汽車電子的電路研發(fā)過程中，進(jìn)行負(fù)載分析是必須的;熱像儀提供了通過溫度檢測進(jìn)行負(fù)載分析的手段，通過熱像圖可以很直觀的辨識出高功耗部位，為工程師完善電路，提高轉(zhuǎn)換效率、減少功耗、減少電路內(nèi)部溫升提供強(qiáng)有力依據(jù)。

圖3：電源模塊發(fā)熱測試 圖4：電源板變壓器，紅外熱圖輕松發(fā)現(xiàn)左右兩變壓器的發(fā)熱不一致，這是不同變壓器所帶負(fù)載不一致造成的。

圖5：散熱片散熱效果測試(左為紅外熱圖，右為可見光圖)

C 汽車電子系統(tǒng)的散熱測試

散熱片起到為芯片或元器件降溫的作用，沒有散熱片、散熱片設(shè)計(jì)不良或散熱片所選材料不當(dāng)都會嚴(yán)重影響散熱效果，導(dǎo)致器件壽命縮短。

研發(fā)部門項(xiàng)目組為芯片設(shè)計(jì)散熱片方案，需要兼顧散熱效果和尺寸，為此設(shè)計(jì)6種散熱片供研究;見圖示，左下、中下、右下、左上、中上、右上，依次散熱片面積增大，使用相同芯片、相同輸入電壓電流、相同時間，觀測不同散熱片的發(fā)熱狀況，為散熱片的設(shè)計(jì)提供溫度依據(jù)。

在圖中，“中上”的溫度為48.1 ℃，與散熱片大小的溫度趨勢不符，正常推算應(yīng)該在43-44℃間，說明在該處的散熱片設(shè)計(jì)或材料選擇中存在問題。該圖也可以針對面積大小和溫度進(jìn)行單位面積散熱的定量分析計(jì)算。

圖6：正方形散熱片，斜向?qū)菧囟鹊姆植?2、汽車車燈檢測

A. LED燈具溫度檢測

從人身安全和LED質(zhì)量考慮，LED燈具表面的最高溫度一般要求在65℃以下;溫度過高容易造成燈珠死燈、光衰嚴(yán)重，甚至達(dá)不到亮度指標(biāo)。

LED照明燈具由數(shù)十至數(shù)百個LED燈珠組成，各燈珠間的質(zhì)量有可能不同、或因設(shè)計(jì)原因造成部分位置的燈珠散熱不良，直接導(dǎo)致的后果是光照度不均勻，甚至?xí)蛏贁?shù)燈珠的問題而影響到整個LED燈具的整體壽命;但因每個的燈珠的光輻射角度有疊加，直接從可見光檢測是哪些燈珠發(fā)生問題很困難，而熱像儀通過紅外輻射檢測燈具中溫度分布的不同來確認(rèn)問題燈珠的位置，或修正設(shè)計(jì)中的散熱問題。

圖7：(左圖)國產(chǎn)LED白色照明陣列，中間偏右部分明顯比左側(cè)溫度高近2℃，說明燈珠的一致性不佳，可見光圖中(右圖)可以隱約看出左側(cè)的照明亮度有缺損(黑圈處)，但可見光圖不能說明是哪些燈珠發(fā)生了質(zhì)量偏差。

B 汽車燈罩溫度檢測

隨著車燈的功率不斷提高，燈具的燈罩表面溫度也逐步升高，而燈罩地材料通常是PC、PMMA、等，故燈罩表面不能承受太高的溫度，否則會影響燈罩地結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;此外，燈罩表面的溫度分布也反映出燈具內(nèi)部的發(fā)熱狀態(tài)，以及可以對散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度進(jìn)行評估。

圖8：通過紅外熱圖輕松查看汽車燈罩的表面溫度分布，以分析燈具內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)。

C 趨勢分析軟件的應(yīng)用

汽車電子的研發(fā)和品質(zhì)管理通常需要連續(xù)監(jiān)測，通過福祿克定制分析軟件，可將連續(xù)視頻信號中的高低溫自動捕捉點(diǎn)和中心點(diǎn)溫度進(jìn)行數(shù)字化保存，保存的內(nèi)容為溫度值和時間，并建立趨勢分析曲線圖：橫坐標(biāo)為時間、縱坐標(biāo)為溫度的曲線圖，見下圖。

趨勢分析軟件結(jié)合各型配件可對檢測目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)拍攝、溫度分析，并通過各種附件和軟件實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)檢測、實(shí)時溫度記錄和曲線圖等功能，方便現(xiàn)場拍攝、記錄和分析，為完成研究和開發(fā)工作提供關(guān)鍵依據(jù)。

綜上所述，紅外熱像儀因其采用探測器接收紅外輻射的非接觸測溫方式，故具有不受現(xiàn)場光線干擾、反應(yīng)快速、圖像可分析等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)研究和新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)中，為研發(fā)人員提供重要的溫度數(shù)據(jù)，提高汽車電子可靠性。