繆海杰，李軍

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

0 引言

環(huán)境應(yīng)力篩選[1]是為發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品中的不良零件、元器件和工藝缺陷，以及防止出現(xiàn)早期失效，在環(huán)境應(yīng)力下所做的一系列試驗(yàn)。它是可靠性試驗(yàn)中的一種類(lèi)型，也是產(chǎn)品制造過(guò)程中非常重要的一道工序。對(duì)電子產(chǎn)品，環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)力主要選擇溫度 （高、低溫）循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)，這兩種應(yīng)力的組合篩選效果較好，能暴露產(chǎn)品各組裝等級(jí)的大部分故障。研究表明，高低溫循環(huán)的篩選效果取決于4個(gè)方面：高、低溫的設(shè)定值，高、低溫保持的時(shí)間，溫度變化速率和循環(huán)的次數(shù)。由此可見(jiàn)，對(duì)產(chǎn)品施加精確的溫度應(yīng)力是正確開(kāi)展環(huán)境應(yīng)力篩選的基礎(chǔ)。而要施加精確的溫度應(yīng)力，準(zhǔn)確的溫度測(cè)量是必不可少的。本文對(duì)環(huán)境應(yīng)力篩選中的溫度測(cè)量加以研究。

1 溫度測(cè)量方法簡(jiǎn)介

溫度測(cè)量有很多分類(lèi)方法，例如：從測(cè)量是否與被測(cè)對(duì)象接觸，可分為接觸式和非接觸式；從測(cè)量時(shí)傳感器中有無(wú)電信號(hào)，可分為非電測(cè)量和電測(cè)量等。而溫度測(cè)量有很多具體的檢測(cè)手段，例如：膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)、光學(xué)溫度計(jì)和紅外溫度計(jì)等。

1.1 接觸式溫度測(cè)量方法

接觸式測(cè)溫法[2]測(cè)量時(shí)需要與被測(cè)物體接觸，它可分為膨脹式測(cè)溫、電量式測(cè)溫和接觸式光電、熱色測(cè)溫等。

a）膨脹式測(cè)溫

膨脹式測(cè)溫主要利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理進(jìn)行溫度測(cè)量。膨脹式溫度計(jì)包括玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬膨脹式溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)等。膨脹式溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可直接讀數(shù)，使用方便，但準(zhǔn)確度較差，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且容易損壞。它屬于非電測(cè)量方式，因此，可以用于防爆等有特殊要求的場(chǎng)合。

b）電量式測(cè)溫方法

電量式測(cè)溫主要利用材料的電勢(shì)、電阻或其他電性能與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，包括熱電偶溫度測(cè)量、熱電阻溫度測(cè)量等。

熱電偶是將兩種不同材料的金屬焊接在一起，當(dāng)參考端和測(cè)量端有溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)就可以測(cè)量溫度。

熱電阻是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。熱電阻測(cè)量的準(zhǔn)確度較高，輸出信號(hào)大，穩(wěn)定性好，但元件結(jié)構(gòu)一般比較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，不適宜測(cè)量體積狹小和溫度瞬變的區(qū)域。

c）接觸式光電、熱色測(cè)溫方法

接觸式光電測(cè)溫主要通過(guò)接觸被測(cè)對(duì)象，將溫度變化引起的熱輻射或光信號(hào)引出，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件來(lái)測(cè)量溫度。常見(jiàn)的接觸式光電測(cè)溫儀器如光導(dǎo)管式光電高溫計(jì)，它適用于高溫液體或氣體介質(zhì)的溫度測(cè)量，高溫輻射通過(guò)高溫計(jì)后端的光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)與感受的溫度單調(diào)對(duì)應(yīng)，從而測(cè)量出介質(zhì)的溫度。

熱色測(cè)溫主要通過(guò)示溫敏感材料的顏色在不同的溫度下發(fā)生變化來(lái)指示溫度。示溫敏感材料可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體或其他復(fù)雜情況表面的溫度分布，使用簡(jiǎn)單、方便，缺點(diǎn)是影響判別溫度結(jié)果的因素比較多，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1.2 非接觸式溫度測(cè)量方法

非接觸式測(cè)溫?zé)o需與被測(cè)對(duì)象接觸，主要包括輻射式測(cè)溫、光譜法測(cè)溫和激光干涉測(cè)溫，以及聲波測(cè)溫等。

a）輻射式測(cè)溫方法

輻射式測(cè)溫[3]建立在熱輻射定律的基礎(chǔ)上，輻射式溫度計(jì)可分為全輻射高溫計(jì)、亮度式高溫計(jì)和比色式高溫計(jì)。全輻射高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但受被測(cè)對(duì)象發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響比較大，測(cè)溫偏差較大，不適用于測(cè)量低發(fā)射率目標(biāo)。亮度溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，靈敏度比較高，受被測(cè)對(duì)象發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響相對(duì)較小，測(cè)量的亮度溫度與真實(shí)溫度的偏差較小，但也不適用于測(cè)量低發(fā)射率物體的溫度，并且測(cè)量時(shí)要避開(kāi)中間介質(zhì)的吸收帶。比色測(cè)溫法的測(cè)量結(jié)果最接近真實(shí)的溫度，并且適用于低發(fā)射率物體的溫度測(cè)量，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較貴。

b）光譜方法測(cè)溫方法

光譜測(cè)溫主要通過(guò)檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的激發(fā)光譜信號(hào)進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)單色光線照射透明物體時(shí)，會(huì)發(fā)生光的散射現(xiàn)象。散射光包括彈性散射和非彈性散射，彈性散射中的瑞利散射和非彈性散射的拉曼散射的光強(qiáng)都與介質(zhì)的溫度有關(guān)。相比而言，拉曼散射光譜測(cè)溫技術(shù)的實(shí)用性更好，其主要應(yīng)用之一就是測(cè)量高溫氣體的溫度。

c）激光干涉測(cè)溫方法

激光干涉測(cè)溫[4]基于光的干涉原理，適用于高溫火焰和氣流溫度的測(cè)量。該方法首先測(cè)量被測(cè)對(duì)象的折射率分布，將流場(chǎng)中各處折射率的變化（即密度變化）轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N光參量的變化，以此為基礎(chǔ)再得到相應(yīng)的溫度分布。

d）聲波、微波法測(cè)溫方法

聲學(xué)測(cè)溫基于聲速與傳播介質(zhì)溫度相關(guān)的原理。因此可以通過(guò)測(cè)得聲速來(lái)推算出溫度。

微波法可以用來(lái)測(cè)量火焰溫度，當(dāng)入射微波通過(guò)火焰時(shí)，與火焰中的等離子體相互作用，使其射出的微波強(qiáng)度減弱，通過(guò)測(cè)量入射微波的衰減程度可以確定火焰氣體的溫度。

2 基于熱電偶的溫度測(cè)量

環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)通常采用恒定高溫應(yīng)力篩選和溫度循環(huán)應(yīng)力篩選，在這兩類(lèi)篩選中，所施加的環(huán)境溫度通常不超過(guò)200℃，溫度變化率不超過(guò)20℃/min。目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化的8種熱電偶，測(cè)量溫度范圍為-200～1800℃，響應(yīng)時(shí)間快，具有遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的特點(diǎn)，因此，將熱電偶應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)力篩選的溫度測(cè)量非常合適。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)[5]，即兩種不同的導(dǎo)體 （或半導(dǎo)體）兩端接合并組成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)必須具備的條件是：1）熱電偶必須用兩種不同的熱電極構(gòu)成；2）熱電偶的兩接點(diǎn)必須具有不同的溫度。熱電偶回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)為：

式 （1）中：N——材料的電子密度；

σ——導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)；

K——玻爾茲曼常數(shù)。

目前國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)分度的熱電偶包括S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型和T型等8種，它們分別是：鉑銠10-鉑熱電偶、鉑銠13-鉑熱電偶、鉑銠30-鉑銠6熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻硅-鎳硅熱電偶、鎳鉻-銅鎳 （康銅）熱電偶、鐵-銅鎳 （康銅）熱電偶和銅-銅鎳 （康銅）熱電偶。這些熱電偶各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，鎳鉻-鎳硅熱電偶 （K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其使用溫度范圍為-200～1300℃。它具有線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性與均勻性較好、抗氧化性能強(qiáng)和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性、惰性氣氛中。根據(jù)K型熱電偶的特點(diǎn)分析，它可以被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的溫度測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)精確地檢測(cè)溫度，需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，可采用MAXIM的DS 600高精度模擬溫度傳感器，它在-20～100℃內(nèi)精度為±0.5℃，輸出增益為6.45 mV/℃，0℃時(shí)偏移為509 mV。

K型熱電偶用于電子產(chǎn)品溫度測(cè)量的電路包含以下幾個(gè)主要模塊：熱電偶、放大模塊、偏置模塊、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器和冷端補(bǔ)償。放大模塊用于將熱電偶產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)偏置模塊處理為一定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，再將其送入低通濾波器進(jìn)行濾波。濾波后的信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換即可成為數(shù)字信號(hào)。同樣，冷端補(bǔ)償輸出的電壓信號(hào)也通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換即可成為數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)即可提供給計(jì)算機(jī)以便計(jì)算出電子產(chǎn)品的溫度。溫度測(cè)量系統(tǒng)r設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

溫度測(cè)量關(guān)系到環(huán)境應(yīng)力篩選的效能是否得以正確發(fā)揮。本文簡(jiǎn)單地分析了溫度測(cè)量技術(shù)，探討了將熱電偶應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)力篩選的溫度測(cè)量方法，簡(jiǎn)要地探討了基于熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

[1]劉明治.可靠性試驗(yàn) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]王文革.輻射測(cè)溫技術(shù)綜述 [J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2005， 25 （4）： 20-24.

[4]楊聯(lián)弟.利用激光干涉法實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量 [J].呂梁學(xué)院學(xué)報(bào)， 2013， 3 （2）： 58-60.

[5]楊帆.傳感器技術(shù) [M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.