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红外热像检测:严格把关汽车可靠性

2014-09-01 10:48:49

[导读] 随着汽车智能化的不断发展,汽车电子的重要性越加突出,巨量增加的硬件和软件使得汽车电子的发热成为问题的集中点,如果不能妥善地处理电子系统的发热和散热问题,会造成系统运行效率下降、死机甚至于发生着火的后果。


随着汽车智能化的不断发展,汽车电子的重要性越加突出,巨量增加的硬件和软件使得汽车电子的发热成为问题的集中点,如果不能妥善地处理电子系统的发热和散热问题,会造成系统运行效率下降、死机甚至于发生着火的后果。

汽车电子的传统温度检测方式是热电偶,为接触式测温,但在反应速度、小目标检测、工作效率等方面还存在诸多不足,而红外热像仪可以从电子系统表面的温度分布状态非接触地快速发现问题,并在专业软件的帮助下进行分析,高效完成汽车电子的发热和散热检测任务。

红外热像的发展和在国内的使用现状

1、红外热像仪的发展历史

自从1800年赫谢尔利用水银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来,人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测。

红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射,并能通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。因其具有非接触测温、反应速度快、温度数据可分析等优点,在研发、品质管理、设备维护、建筑检测等领域获得了广泛的应用。

2、红外热像技术在国内应用状况

随着科技的进步,目前红外热像技术在建筑和工业领域也得到了长足的发展。红外热像仪探测波段为8~14μm长波的非制冷焦平面凝视型红外热成像仪,其体积、重量、操作性均比第一代制冷型红外热像仪有了很大的改进。

目前红外热像仪在国内现主要应用于如下行业:

- 研发与品质管理:主要对产品的发热状态进行检测,提高产品的质量。

- 设备预测性维护:主要对设备的工作状态进行巡检,提前发现设备存在的问题。

- 建筑检测:检测房屋的节能、渗漏和空鼓等状况。

- 消防:搜救和日常防火安全检测。

- 其他:如科研、教育、医疗等。

红外热像技术在国内汽车电子企业的应用状况

1、热像仪在汽车电子的应用状况

目前,红外热像仪在国内众多汽车电子企业已经开始使用,主要应用有:

研发温度分析:

器件发热分析

散热效能分析

外壳或周边部位温度分析

温度随时间变化的趋势分析

产品质量检测:

外协件的质量检测

产线质量控制

老化测试

2、热像仪与接触式温度计/温度数据采集器的区别

数据采集器以接触式温度计作为传感单元,系统集成几个至数十个传感器,传感器通常粘贴或固定在被测目标上,系统根据每个传感器的温度数据分析被测目标的温度分布状态。有的数据采集器的通道数可扩展至数百甚至数千个,但受到被测目标尺寸的限制,这些通道数往往是理论上的,极少用在实际检测中。

A 红外热像仪的优势

数据采集器因为使用接触式温度计作为传感单元,故有下列缺点:

· 检测点少,目标温度分布状态不清晰

数据采集器的接触式温度传感单元数目较少,特别是对于面积同样较小的电子器件来说,能固定在器件上的传感单元一般只能以个数计,故使用数据采集器检测的部位是较为模糊的。

红外热像仪的检测点数以万计,故可以清晰地显示出被测目标的温度分布状态,有利于观测细小的温度异常点。

· 反应速度慢

数据采集器的接触式温度传感单元反应速度通常在十几秒至数分种,若被测目标有较快的温度变化,数据采集器就不能更上目标的温度变化,造成温度显示滞后,影响使用者的判断。

红外热像仪的反应时间通常在1秒内,可以实时地显示出目标的温度变化情况。

· 会破坏目标的原有温度场

数据采集器的传感器必须要接触在被测目标表面,这样会影响到表面的散热效果(特别对于面积较小或发热较少的物体),使被测目标的温度改变。

红外热像仪使用非接触测温手段,可远离目标进行检测,故不会破坏目标的原有温度场,保证测温的准确。

B 温度数据采集器的优势

· 由于热电偶布线灵活,可以在热像仪无法拍摄的部位进行检测,如多层电路板的下层、产品外壳内部的元器件等。

· 热电偶可进行长时间的温度数据记录,并进行开关量或4-20mA信号控制。

C 红外热像仪和温度数据采集器的协作

红外热像仪主要检测目标表面的温度分布状态,对于内部的检测和需要进行温度控制的部分,由温度数据采集器进行协作补充。

 

红外热像在汽车电子检测方面的应用案例

1、电路板及元器件检测

A 电路板测试

当前,电子设备主要失效形式就是热失效。而汽车作为热能转为动能的系统对电子设备的要求则更高。据统计,电子设备失效有55%是温度超过规定值引起,随着温度增加,电子设备失效率呈指数增长。一般而言电子元器件的工作可靠性对温度极为敏感,器件温度在70-80℃水平上每增加1℃,可靠性就会下降5%。

热像仪能够全面检测电路板上每个元器件的温度,这是其他测温工具所做不到的;把空调器控制板上每个元器件的温度控制在限度范围内,将可以大大提高运行稳定性和产品寿命。

 

 

图1:PCB板因功率器件发热传递至背面,局部温度偏高。

 

 

图2:功率二极管发热状态,长时间开启最高温度不得超过100℃。

B 汽车电子系统的发热测试

汽车电子的电路研发过程中,进行负载分析是必须的;热像仪提供了通过温度检测进行负载分析的手段,通过热像图可以很直观的辨识出高功耗部位,为工程师完善电路,提高转换效率、减少功耗、减少电路内部温升提供强有力依据。

 

 

图3:电源模块发热测试 图4:电源板变压器,红外热图轻松发现左右两变压器的发热不一致,这是不同变压器所带负载不一致造成的。

 

 

图5:散热片散热效果测试(左为红外热图,右为可见光图)

C 汽车电子系统的散热测试

散热片起到为芯片或元器件降温的作用,没有散热片、散热片设计不良或散热片所选材料不当都会严重影响散热效果,导致器件寿命缩短。

 

 

研发部门项目组为芯片设计散热片方案,需要兼顾散热效果和尺寸,为此设计6种散热片供研究;见图示,左下、中下、右下、左上、中上、右上,依次散热片面积增大,使用相同芯片、相同输入电压电流、相同时间,观测不同散热片的发热状况,为散热片的设计提供温度依据。

在图中,“中上”的温度为48.1 ℃,与散热片大小的温度趋势不符,正常推算应该在43-44℃间,说明在该处的散热片设计或材料选择中存在问题。该图也可以针对面积大小和温度进行单位面积散热的定量分析计算。

 

 

图6:正方形散热片,斜向对角温度的分布

2、汽车车灯检测

A. LED灯具温度检测

从人身安全和LED质量考虑,LED灯具表面的最高温度一般要求在65℃以下;温度过高容易造成灯珠死灯、光衰严重,甚至达不到亮度指标。

LED照明灯具由数十至数百个LED灯珠组成,各灯珠间的质量有可能不同、或因设计原因造成部分位置的灯珠散热不良,直接导致的后果是光照度不均匀,甚至会因少数灯珠的问题而影响到整个LED灯具的整体寿命;但因每个的灯珠的光辐射角度有叠加,直接从可见光检测是哪些灯珠发生问题很困难,而热像仪通过红外辐射检测灯具中温度分布的不同来确认问题灯珠的位置,或修正设计中的散热问题。

 

图7:(左图)国产LED白色照明阵列,中间偏右部分明显比左侧温度高近2℃,说明灯珠的一致性不佳,可见光图中(右图)可以隐约看出左侧的照明亮度有缺损(黑圈处),但可见光图不能说明是哪些灯珠发生了质量偏差。

B 汽车灯罩温度检测

随着车灯的功率不断提高,灯具的灯罩表面温度也逐步升高,而灯罩地材料通常是PC、PMMA、等,故灯罩表面不能承受太高的温度,否则会影响灯罩地结构强度;此外,灯罩表面的温度分布也反映出灯具内部的发热状态,以及可以对散热系统的设计的优劣程度进行评估。

 

 

图8:通过红外热图轻松查看汽车灯罩的表面温度分布,以分析灯具内部发热状态。

C 趋势分析软件的应用

汽车电子的研发和品质管理通常需要连续监测,通过福禄克定制分析软件,可将连续视频信号中的高低温自动捕捉点和中心点温度进行数字化保存,保存的内容为温度值和时间,并建立趋势分析曲线图:横坐标为时间、纵坐标为温度的曲线图,见下图。

 

 

趋势分析软件结合各型配件可对检测目标进行连续拍摄、温度分析,并通过各种附件和软件实现小目标检测、实时温度记录和曲线图等功能,方便现场拍摄、记录和分析,为完成研究和开发工作提供关键依据。

综上所述,红外热像仪因其采用探测器接收红外辐射的非接触测温方式,故具有不受现场光线干扰、反应快速、图像可分析等优点,广泛应用于各项研究和新技术、新产品的开发中,为研发人员提供重要的温度数据,提高汽车电子可靠性。

[整理编辑:CK365测控网]
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