王福權(quán) 陳偉民 劉顯明 雷小華 杜曉晴 賴偉 周沖

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400030)

1 介紹

中國(guó)已經(jīng)成為了世界上公路隧道最多的國(guó)家，截止2007年底，全國(guó)公路隧道總長(zhǎng)超過(guò)255.55萬(wàn)千米，并保持較高的增長(zhǎng)速度［1］，隧道照明節(jié)能得到社會(huì)各界的重視。LED作為高效、節(jié)能和環(huán)保的新一代光源引領(lǐng)了隧道照明的發(fā)展方向，已經(jīng)開始慢慢取代傳統(tǒng)的高壓鈉燈。

在傳統(tǒng)的檢測(cè)流程中，LED隧道燈在投入使用之前需要抽樣進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)、電學(xué)檢測(cè)、機(jī)械檢測(cè)和環(huán)境檢測(cè)［2］。這些方法難以發(fā)現(xiàn)燈具潛在的故障，比如焊點(diǎn)、導(dǎo)熱層的失效，無(wú)法對(duì)LED燈具的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。LED是一種對(duì)溫度十分敏感的半導(dǎo)體器件，隨著溫度升高，器件的發(fā)光效率降低、顏色發(fā)生偏移、壽命也會(huì)縮減。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，45%的電子產(chǎn)品都是因?yàn)闇囟冗^(guò)高造成損壞，所以散熱性能衡量LED隧道燈產(chǎn)品是否合格的重要指標(biāo)，需要重點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)LED發(fā)熱量大，導(dǎo)熱通道中存在的異常一般能夠在燈具表面觀察到對(duì)應(yīng)的變化，所以對(duì)散熱特性進(jìn)行檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，從而預(yù)測(cè)燈具可靠性。

常見的熱學(xué)測(cè)試方法有熱電偶測(cè)試法和紅外熱像測(cè)試法。熱電偶測(cè)試法操作復(fù)雜，采樣點(diǎn)數(shù)目有限，不適合做隧道燈散熱監(jiān)測(cè)。紅外熱像法，操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)空間平面多點(diǎn) (約76800個(gè))同步采集，方便數(shù)據(jù)處理。紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)需耦合、快速實(shí)時(shí)、檢測(cè)面積大和檢測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)［3］，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電力設(shè)備實(shí)時(shí)在線狀態(tài)檢測(cè)和熱故障診斷。LED隧道燈發(fā)熱量大，利用紅外熱像技術(shù)能較好捕捉散熱信息，從而進(jìn)行散熱性能評(píng)價(jià)。

利用紅外熱成像技術(shù)，在可控的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)四盞LED隧道燈進(jìn)行測(cè)試，分別從溫升和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題燈具，通過(guò)圖像初步判斷可能的故障原因并用有限元分析進(jìn)行確認(rèn)，最后用拆燈的方式驗(yàn)證了故障原因。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)及分析，證明了紅外熱像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)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(zhuǎn)化效率僅在20%左右，大量的熱會(huì)聚集在芯片處，并通過(guò)芯片襯底、內(nèi)部熱沉、MCPCB、焊接層、導(dǎo)熱膠層和外部熱沉這一通道進(jìn)行傳導(dǎo)。熱沉表面的溫度變化情況由燈具光源工作狀態(tài)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(tài)，而在燈具光源工作狀態(tài)一致時(shí)，燈具表面溫度則描述了傳熱通道的暢通程度?；谝陨显恚瑢?duì)于同型號(hào)的LED隧道燈，可以假定光源工作狀態(tài)一致，通過(guò)檢測(cè)LED隧道燈表面溫度分布來(lái)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(cè)器和光學(xué)成像系統(tǒng)組成，接收被檢測(cè)目標(biāo)表面的紅外輻射，經(jīng)光譜濾波、空間濾波，將紅外輻射能量分布聚焦到探測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系可以用斯蒂芬－波爾茲曼定律來(lái)描述

式中 P——物體的紅外熱輻射功率;

T——物體的絕對(duì)溫度;

ε——物體表面的紅外發(fā)射率;

σ——斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù);

目前紅外檢測(cè)的一種主要方法是比較差動(dòng)紅外熱敏成像法，該方法通過(guò)將被測(cè)對(duì)象的溫度記錄圖與標(biāo)準(zhǔn)熱分布圖作比較來(lái)判斷故障的發(fā)生位置［4］。如果被測(cè)對(duì)象發(fā)熱量大，發(fā)生故障時(shí)其表面溫度會(huì)發(fā)生明顯的變化，所以可以采用這種差分方法進(jìn)行故障檢測(cè)。此外，一般電子設(shè)備在工作一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到或接近熱平衡，從開始工作到接近穩(wěn)定熱平衡這段時(shí)間燈具表面溫度的變化會(huì)遵循一定的規(guī)律，據(jù)此可以繪制溫度變化的曲線，作為故障診斷的依據(jù)。當(dāng)電子設(shè)備的熱源或者散熱通道發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備表面溫度變化曲線通常會(huì)有異常表現(xiàn)。

比較差動(dòng)紅外熱敏成像法的前提是獲得標(biāo)準(zhǔn)燈具正常工作時(shí)的圖像，如果獲取的標(biāo)準(zhǔn)圖像模糊或者并非標(biāo)準(zhǔn)圖像，將會(huì)影響對(duì)故障判斷的準(zhǔn)確性。針對(duì)這種情況，可以利用有限元仿真的方法模擬LED隧道燈標(biāo)準(zhǔn)熱圖像，既可以核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖像，也可以近似看作標(biāo)準(zhǔn)圖像作為故障診斷的判斷依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(nèi)分辨出0.08℃的溫差，生成無(wú)噪聲的紅外熱圖像(320×240像素)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是目前市場(chǎng)上常見的四款LED隧道燈。由于不同的檢測(cè)距離、方向、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對(duì)紅外熱圖像的影響很大，所以實(shí)驗(yàn)選在環(huán)境條件可控的暗室內(nèi)進(jìn)行，保持固定的距離和方向，盡可能減小環(huán)境和測(cè)試條件差異造成的測(cè)量誤差。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)中首先固定好待測(cè)燈具，讓燈具熱沉正對(duì)紅外儀鏡頭，調(diào)節(jié)紅外儀的位置使整個(gè)燈具的熱圖像在鏡頭中心區(qū)域，在環(huán)境條件穩(wěn)定之后打開燈具電源并同步記錄熱沉的溫度變化情況，當(dāng)熱沉溫度沒有明顯上升 (小于0.1℃/min)時(shí)結(jié)束測(cè)試。對(duì)一盞燈做一次測(cè)試所需時(shí)間約2小時(shí)，可以觀測(cè)到燈具熱沉溫度上升到穩(wěn)定的整個(gè)過(guò)程。紅外儀記錄了測(cè)試時(shí)間內(nèi)燈具的表面溫度場(chǎng)，可以提取任意時(shí)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(shí)間的變化規(guī)律，四盞隧道燈表面的最高溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，溫度初始上升速率最大并隨時(shí)間減小，最后趨于穩(wěn)定。四盞隧道燈在實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shè)計(jì)不合理，燈具表面溫升過(guò)大。

圖2 熱沉最高溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

4.2 溫度場(chǎng)分析

利用紅外圖像進(jìn)行LED隧道燈故障診斷的前提是標(biāo)準(zhǔn)熱圖像，在無(wú)法獲得正常燈具的情況下，可以利用有限元分析的方法對(duì)這個(gè)分布進(jìn)行仿真。在獲得四盞燈具的幾何參數(shù)和材料參數(shù)之后，能夠?qū)λ谋KLED隧道燈的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬［5～8］。仿真結(jié)果如圖4所示，實(shí)際結(jié)果如圖3所示，兩者進(jìn)行比較之后可以發(fā)現(xiàn)A燈和D燈存在異常。

從紅外診斷技術(shù)的角度來(lái)講，故障可以分為外部故障和內(nèi)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(nèi)部故障一般指密封在固體絕緣、油絕緣及設(shè)備殼體內(nèi)的電氣回路故障和介質(zhì)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(shè)備發(fā)生故障的概率極低。LED隧道燈的內(nèi)部組件主要包含燈珠、焊接層、導(dǎo)熱膠和散熱器等，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，這些部件相互協(xié)調(diào)較難，發(fā)生故障的概率較高。實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)LED隧道燈溫度場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)溫度場(chǎng)存在明顯差異，可能是由LED芯片功率差異大、焊點(diǎn)不均、導(dǎo)熱膠厚薄不均等因素造成。

圖3 經(jīng)過(guò)等溫線劃分之后的紅外熱圖像

圖4 通過(guò)有限元仿真獲得的標(biāo)準(zhǔn)熱圖像

為了進(jìn)一步判斷導(dǎo)致A燈溫度場(chǎng)異常的原因，在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，改變LED光源功率分布、焊接層分布和導(dǎo)熱膠分布，通過(guò)有限元方法進(jìn)行了模擬。

LED光源雖然功率規(guī)格是一樣的，但是不同燈珠之間可能會(huì)存在功率上的細(xì)微差異。A燈所用的燈珠的標(biāo)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(shè)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(shù)值100表示實(shí)際功率與標(biāo)稱功率一致)。根據(jù)該分布利用有限元方法得到的模擬溫度場(chǎng)分布如圖4所示，可見燈珠功率的不均勻性對(duì)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(chǎng)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(chǎn)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(jiǎn)化仿真過(guò)程，用導(dǎo)熱系數(shù)的變化來(lái)等效代替焊接點(diǎn)厚薄變化。

假定焊接層相對(duì)平均厚度的變化率為±20%，根據(jù)傳熱的熱阻公式:

為了使熱阻變化趨勢(shì)一致，導(dǎo)熱系數(shù)與焊接層厚度變化率應(yīng)該相反，即:

導(dǎo)熱系數(shù)的百分比分布如6*6的矩陣B示，模擬結(jié)果如圖5所示，可見焊接層厚薄不均對(duì)導(dǎo)熱影響十分有限。

圖6 矩陣B和改變導(dǎo)熱層厚度的溫度場(chǎng)分布

LED光源與鋁基板之間通過(guò)焊接連接，鋁基板與外部散熱器之間通過(guò)導(dǎo)熱硅脂來(lái)增強(qiáng)結(jié)合度，消除空氣間隙，使導(dǎo)熱通道更加順暢。A燈的導(dǎo)熱硅脂采用人工涂抹方式，由于涂抹面大，該導(dǎo)熱層的均勻性很難保證。從理論上講導(dǎo)熱層的厚度越薄越好，可是即使熟練工人也難以把握這個(gè)尺度，為了避免產(chǎn)生空氣隙，涂抹層的厚度較大。由于導(dǎo)熱硅脂層涂抹不均勻大，假定相對(duì)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(jié)果如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱硅脂分布的不均勻性對(duì)熱沉溫度分布影響也很小。

圖7 矩陣C和改變導(dǎo)熱硅脂厚度的溫度場(chǎng)分布

為了驗(yàn)證仿真結(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該燈的芯片外觀、焊點(diǎn)尺寸、導(dǎo)熱硅脂層厚度都趨于一致?？紤]到焊接層、導(dǎo)熱硅脂層的不均勻性對(duì)外部熱沉溫度分布影響比較小，所以推測(cè)實(shí)驗(yàn)中觀察到的溫度場(chǎng)異常現(xiàn)象應(yīng)該是由燈珠功率不均勻?qū)е隆?/p>

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(dá)60W，芯片與熱沉之間用導(dǎo)熱硅脂直接相連。這樣的散熱結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熱量堆積在熱沉上緊鄰的區(qū)域，需較長(zhǎng)時(shí)間才能擴(kuò)散，導(dǎo)致局部過(guò)熱。從仿真結(jié)果來(lái)看，熱沉上溫度最高點(diǎn)應(yīng)該在兩芯片的正后方，呈現(xiàn)雙峰分布。但實(shí)測(cè)結(jié)果表明溫度最高點(diǎn)集中在其中一塊芯片，呈現(xiàn)單峰分布，而且兩芯片正后方熱沉的溫差很明顯。據(jù)此判定溫度場(chǎng)不均的原因是兩塊芯片的功率相差較大，由于芯片的型號(hào)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(dú)立的，所以可以通過(guò)交換電源模塊進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)交換電源模塊后溫度單峰的位置轉(zhuǎn)移到另一塊芯片，所以導(dǎo)致D燈溫度場(chǎng)異常的主要原因是其中一個(gè)電源模塊存在質(zhì)量問(wèn)題。

5 結(jié)論

通過(guò)紅外熱像儀，將LED隧道燈工作過(guò)程的熱圖像記錄下來(lái)，發(fā)現(xiàn)了不同燈具的溫升差異較大，實(shí)驗(yàn)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(guò)高，也不符合標(biāo)準(zhǔn)XX中規(guī)定的30℃溫升的要求。根據(jù)燈具的結(jié)構(gòu)，模擬了標(biāo)準(zhǔn)燈具的熱穩(wěn)態(tài)分布圖，將燈具實(shí)測(cè)溫度分布圖與之進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)A燈與D燈存在異常。其中D燈的結(jié)果較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也較明顯，通過(guò)分析燈具結(jié)構(gòu)可以判斷出燈具故障的原因很可能是燈具電源所致，通過(guò)拆解燈具并進(jìn)行發(fā)現(xiàn)其中一組電源存在質(zhì)量問(wèn)題。A燈的實(shí)測(cè)結(jié)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(diǎn)不均和導(dǎo)熱膠不均導(dǎo)致，通過(guò)有限元分析進(jìn)行模擬，發(fā)燈珠功率分布不均勻?qū)岢翜囟葓?chǎng)分布影響最大，判斷燈珠功率分布不均是導(dǎo)致燈具異常的主要原因，拆解燈具后進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)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(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了紅外熱像技術(shù)用于LED隧道燈故障診斷的可行性，紅外診斷技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

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