王 勇，魯 亮

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽(yáng) 621999）

0 引言

環(huán)境試驗(yàn)是考核電子學(xué)設(shè)備，航天及武器等裝備產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供判據(jù)的有效手段之一[1]。以電子學(xué)產(chǎn)品為例，試驗(yàn)件在非工作狀態(tài)與工作狀態(tài)溫度差異極大，而不同溫度下產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)、剛性、彈性模量等參數(shù)指標(biāo)均不相同，所需的封裝技術(shù)、熱分布設(shè)計(jì)等也不相同，需要引起產(chǎn)品設(shè)計(jì)方的重視。在我國(guó)現(xiàn)行系列標(biāo)準(zhǔn)中，均將產(chǎn)品區(qū)分為工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)，在產(chǎn)品考核試驗(yàn)程序中進(jìn)行了明確規(guī)定。因此，在環(huán)境試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)件熱狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬是十分重要的。

1 熱表征方法設(shè)計(jì)及分析

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬產(chǎn)品的熱表征特性，需針對(duì)產(chǎn)品特性進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，考慮的參數(shù)包括工作及非工作狀態(tài)下的發(fā)熱功率、體積、重量等。

1.1 功率表征方法

功率表征方法設(shè)計(jì)如圖1 所示，采用發(fā)熱元件進(jìn)行發(fā)熱，配電源。在這里，當(dāng)試驗(yàn)件產(chǎn)品為電子學(xué)器件時(shí)，由于一般為電子產(chǎn)品，對(duì)于電磁干擾等信息較為敏感，因此，建議采用直流電源供電；當(dāng)發(fā)熱元件模擬的是大功率發(fā)熱器件時(shí)，可采用交流供電。為了說(shuō)明設(shè)計(jì)思路，本文以電子器件為例進(jìn)行說(shuō)明，選用直流電源進(jìn)行供電。另外，不同的發(fā)熱材料發(fā)熱特性不盡相同。表1 為常用材料的電阻率列表。

圖1 功率表征設(shè)計(jì)原理

表1 常見(jiàn)金屬材料電阻率

為了減小電流，設(shè)計(jì)48 Ω電阻作為發(fā)熱元件阻值，這時(shí)當(dāng)直流電壓為48 V 時(shí)，電流不超過(guò)1 A。以直徑為0.5 mm 的金屬絲為例，將表1 中各材料電阻率帶入公式S=πd2/4 和L=SR/ρ。當(dāng)材料選用鎳鉻合金時(shí)，長(zhǎng)度L 為8.7 m，其他材料長(zhǎng)度超過(guò)100 m。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)電阻為48 Ω 或該范圍內(nèi)時(shí)，建議可采用鎳鉻合金材料電阻絲進(jìn)行加熱。

1.2 體積、重量一體化表征方法

由于不同產(chǎn)品的體積、重量均不相同，這里給出一體化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。為提高溫度場(chǎng)均勻性，建議可以將加熱絲進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，采用導(dǎo)熱率良好的封裝材料，如銅、鋁等，工藝上，可以將金屬絲貼合在封裝材料壁面，便于散熱。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需求的體積進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，為了滿足重量需求，可以采用熱容較低的材料，以增加承重塊的方式，完成重量設(shè)計(jì)。

1.3 設(shè)計(jì)方法分析

雖然給出了試驗(yàn)件熱表征參數(shù)，如發(fā)熱功率、體積、重量的一體化設(shè)計(jì)方法，但是，在實(shí)際工作工程中，仍然存在一些問(wèn)題。在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了實(shí)際的溫度結(jié)果較設(shè)計(jì)溫度不同的現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)及工藝層面進(jìn)行分析，總結(jié)原因如下。

（1）根據(jù)圖1 所示，在電加熱元件與電源接線過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)接觸電阻。

（2）引線電阻，當(dāng)電源與加熱元件存在一定距離時(shí)，會(huì)有一定的電壓分壓在引線上，造成有效加熱功率降低的情況。

（3）由于溫度變化導(dǎo)致電阻率變化，如表1，列出了20 ℃條件下常見(jiàn)金屬材料的電阻率值，然而，電阻率與溫度是呈現(xiàn)相關(guān)性變化的。在環(huán)境試驗(yàn)，如溫度試驗(yàn)過(guò)程中，不同的溫度條件，以及產(chǎn)品工作狀態(tài)等多方面原因帶來(lái)的溫度環(huán)境條件變化，造成電阻絲阻值失準(zhǔn)。

2 熱表征方法改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 四線型供電技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

針對(duì)分析中關(guān)于接觸電阻以及引線電阻帶來(lái)的誤差，進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，為了解決圖1 中的接觸電阻及引線電阻，參考開(kāi)爾文四線檢測(cè)法技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)四線制的電源供電設(shè)計(jì)方案。

開(kāi)爾文四線檢測(cè)[2]（kelvin Four-terminal sensing，四端子檢測(cè)法）是一種電阻抗檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于分離的電流和電壓的電極，可以消除布線和接觸電阻的阻抗。具體做法是使用單獨(dú)的對(duì)載電流和電壓檢測(cè)電極，相較于傳統(tǒng)的兩端子檢測(cè)，能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。根據(jù)更改設(shè)計(jì)方案，將原圖1 的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的功率表征設(shè)計(jì)原理

根據(jù)基爾霍夫定律[3]：對(duì)于電路中的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻，流入節(jié)點(diǎn)的電流等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流。因此，電源端子I+及I-串電流表，從發(fā)熱元件流出的電流與端子I+及I-接收到的電流信號(hào)一致。未有因分壓衰減。而電壓端子V+及V-，串電壓表，由于電壓表阻值極大，因此相當(dāng)于斷路，電壓段子一路未有電流流過(guò)，沒(méi)有分壓，所以，端子處的電壓值與發(fā)熱元件分路出的電壓值相同。

由于改進(jìn)設(shè)計(jì)后，接觸電阻所在位置大大提前，處于封裝盒內(nèi)，因此電阻同時(shí)發(fā)熱。

2.2 自適應(yīng)電源選型設(shè)計(jì)

圖2 中，改進(jìn)了接觸電阻以及引線電阻所帶來(lái)的誤差，然而，由于溫度變化導(dǎo)致的加熱元件電阻變化仍未消除。為了解決上述問(wèn)題，需對(duì)電源進(jìn)行升級(jí)。

筆者最后采用了具有可編程功能的恒功率直流電源。恒功率電源一般是恒流電源，其特點(diǎn)是輸出電流在一定范圍可編程設(shè)置，對(duì)應(yīng)電壓自動(dòng)適應(yīng)，輸出功率基本維持不變，這樣一個(gè)特性稱為恒功率。利用恒流特性，將電流限定在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，提高電子器件工作的穩(wěn)定性，而利用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的供電電壓，抵消由于溫度變化帶來(lái)的加熱元件組織變化的影響。

3 總結(jié)

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以電子學(xué)器件設(shè)備為典型研究對(duì)象，給出了一種環(huán)境考核試驗(yàn)用試驗(yàn)件熱表征模擬方法，利用該方法，可以完成試驗(yàn)件熱表征用的電子元件材料選型，重量、體積等參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)。同時(shí)，針對(duì)實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的引線電阻、接觸電阻問(wèn)題以及溫度—電阻率等現(xiàn)象，針對(duì)性地提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于某真實(shí)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中，涉及到的設(shè)計(jì)方法技術(shù)等可為相關(guān)試驗(yàn)件熱表征模擬研究提供技術(shù)支持。