LED灯具红外热成像温度测量技术应用研究

张灵改（集美大学诚毅学院，福建厦门361010）



LED灯具红外热成像温度测量技术应用研究

张灵改
（集美大学诚毅学院，福建厦门361010）

摘要：温度是LED灯具高品质、长寿命、高可靠性等优点显现的关键影响因素，温度测量在LED灯具开发过程中至关重要。分析当前几种主要温度测量方法的优缺点，重点展现红外热像仪的优势；研究影响红外热成像温度测量的环境温度、表面辐射率和测量距离等因素，提高测量精度度。研究结果表明，在红外热像仪使用方法准确的情况下，测量结果极为准确，可缩短灯具开发过程中温度测量时间和提高测量结果准确性，对灯具开发设计具有重要帮助。

关键词：LED灯具；红外热成像；温度测量

随着LED灯具功率的提升，虽然LED发光效率提升使发热量有所降低［1］，但发光-产生的热量仍然是影响LED灯具品质、寿命和可靠性的关键因素。LED等电子元器件的工作可靠性对温度极为敏感，造成电子设备50%以上失效的原因是由温度引起的，器件温度在70～80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5%［2］。目前的LED仅有20%～30%的光电转换效率，其余的能量转化为热量。若灯具LED芯片中的热量不能有效散发，就会使LED芯片PN结温度过高，导致发光效率降低、芯片发射光谱发生红移、色温质量下降、荧光粉的转换效率降低［3］，工作寿命下降甚至可使LED永久失效等问题［4］。因此，必须在产品设计过程中严格监控LED灯具的工作温度。本文对此进行研究。

本文对LED灯具红外热成像温度测量技术应用进行探讨。

1　LED灯具温度主要测量方法

LED灯具工作温度测量不仅可以用于灯具工作温度测量，而且可以用于灯具研发的散热建模仿真过程，帮助修正材料参数、光电特性参数、环境边界条件等。通常温度测试仪分为接触式和非接触式两大类，接触式感温元件（传感器）与被测介质直接接触，如热电偶等；非接触式感温元件不与被测介质接触，如热像仪等。

利用热电效应测量温度的传感器叫做热电偶，使用热电偶要注意选择合适的类型，不同类型热电偶正负极的材料不同，热电势特性不同，使用范围也不同。由于LED照明产品内最高温度一般在100℃左右，可以选用低温型的热电偶，如T型或K型热电偶。热电偶的测量精度比较高，与此同时还可以介入测量到灯具或电子设备内部问题，是接触测量的主要方法，可用于监控某些元器件或测温点的温度值。由于热电偶测量属于单点测量，所获得的数据为离散结果，不易获得全局温度场分布和高低温度点位置判断［5］。

热像仪（Thermal Imaging Infrared Cameras），也叫红外成像仪或红外探测器。所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。2 000 K以下的物体热辐射的波长位于0.38～100 μm之间，且大部分位于红外区段的0.76～20 μm范围内，利用这部分热辐射测量温度的方式称为红外测温。热像仪就是根据红外测温的原理，利用光学器件首先将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后将来自于每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，在标准的视频监视器上显示出来，或记录在录像带上的仪器［6］。

随着红外技术的发展，红外测温技术越来越成熟，主要厂家有FLIR、NEC、Fluke、Testo等几家进口产品。它是一种非接触式精确测温方式，与传统测温方式相比有如下优点。

（1）它的测量不干扰被测温度场，不影响温度场分布，具有较高的准确度。

（2）测温范围宽，在理论上无测量上下限。

（3）与普通接触式测温不同，它不需要与被测对象达到热平衡就能读出被测物体的温度，所以测温的响应速度非常快，可实时观测，适于快速与动态测量［7］。

（4）在红外测温的测量过程中，测温仪可以不接触被测物体，所以可以对高电压和大电流的导线、远距离难于接近的物体等测温对象进行温度测量。

2　背景温度对红外热成像测量精度的影响

2.1表面辐射系数的影响

表面辐射率表征的是散热材料通过热辐射进行热交换的能力，不同材料的热辐射系数是不相同的，辐射系数的差异最终会影响到整个LED灯具温度场分布情况，因此会造成最终红外测量的温度场有着明显的差别。

图1所示的是5 W旋压铝球泡灯在不同辐射系数的红外温度测量情况。

图1　不同热辐射系数对实验的影响

分别设置散热器旋压铝在辐射系数为0.5、0.65、0.75、0.85时的温度测量结果如表1所示。最终的上下限误差在13°C以上，因此在红外测量过程中要特别注意辐射系数的准确性。

表1　5 W A60球泡灯红外热像仪温度测量值

2.2背景温度的影响

红外热像仪测温是靠接收被测物体表面发射的辐射来确定其温度的。实际测量时，热像仪接收到的有效辐射包括3部分：目标自身辐射、环境反射辐射和大气辐射［8］。因此，背景温度是红外热成像温度测量中必须考虑的参考系数之一。以20 W LED筒灯温度测量作为研究对象进行分析，确定环境背景温度对测量结果的影响，图2a为仿真计算结果，图2b～2d为红外测温结果。

图2　不同的背景温度对实验的影响

20 W 8寸LED筒灯红外线热像仪温度与背景温度测量值如表2所示。表2结果表明，背景温度会影响到红外测温结果的准确性，平均每瓦功率误差在0.1°C左右，对大功率LED灯具的影响比较明显。因此在条件便利的情况下，尽量设置准确的背景温度。

表2　20 W 8寸LED筒灯红外热像仪温度与背景温度测量值比较（°C）

2.3测量距离的影响

考虑到红外热成像仪非接触测量的特点，测量距离成为其温度测量应用过程中不可避免的问题之一，当前设备大部分已具备调焦功能，但是否对测量精度有影响需要通过试验来验证。本研究选择5 W MR16射灯作为研究对象对测量距离进行红外测温技术的影响研究。实验结果表明，以0.3、0.6及1 m的测量距离结果基本接近，如图3所示。测量距离的影响在可接受范围之内，但要注意红外热像仪的调焦范围。

图3　测量距离影响实验

3　应用研究

通过对红外热成像温度测量的关键问题进行研究可知，设备准确的辐射系数、考虑环境背景温度及测量距离的影响程度不同。下面以7 W A60铝塑球泡灯进行测量应用试验，如图4所示。热电偶测量与红外热像仪测量分别如图5、6所示。

图4　7 W A60铝塑LED球泡灯温度测量（室温：15.8°C）

图5　热电偶测量（室温：15.8°C）

图6　红外热像仪测量（室温：15.8°C）

多种方法温度测量结果如表3所示。实验结果表示，经过准确设置的红外热成像测量，实验误差在可允许范围内，后续的产品开发设计和散热仿真研究可基于本研究展开。

表3　7 W A60铝塑LED球泡灯温度测量值比较（室温为15.8°C）（°C）

4　小结

研究了影响红外测温结果准确性的被测对象的表面辐射率、背景环境温度、测量距离等因素，并保证测量结果的准确性。随着红外监测技术的发展，相关红外成像温度监测的应用会越来越广泛，虽然当前的红外测温技术已能满足目前LED灯具开发需要，但红外监测技术应当进一步深入研究实时监测系统，这样就能够测量离线产品温度，还应当发展支持对在线产品的温度监测方法，同时必须向智能化无人值守方向进行研发。

参考文献：

［1］LIN MT, YING S P, LIN MY, et al. High power LED package with vertical structure［J］. Microelectronics Reliability, 2012 （52）: 878- 883.

［2］BILLINGSK.开关电源手册［M］.张占松,汪仁煌,谢丽萍,译.北京:人民邮电出版社, 2006.

［3］ARIKM, BECKERB C, WEAVERB S, et al. Thermal management of LEDs: Package tosystem［J］. Proc SPIE, 2004, 5（187）: 64- 75.

［4］毛兴武,张艳雯,周建军,等.新一代绿色光源LED及其应用技术［J］.北京:人民邮电出版社, 2008.

［5］黄元昊,杨连乔,张建华. LED热学性能测试方法的研究综述［J］.半导体技术, 2012, 37（5）: 329- 334.

［6］熊晓青.红外热像仪图像分析系统组件的开发与应用［D］.武汉:华中科技大学工学, 2006: 4.

［7］MIKA M, AULIS T. Thermal analysis of LED spot lighting device operating in external natural or forced heat convection［J］. Microelectronics Reliability, 2013（53）: 428- 434.

［8］李操.测温红外热像仪测温精度与外界环境影响的关系研究［D］.长春:长春理工大学, 2008: 4.

【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Research on application of infrared thermal imager temperature measurement technology of LED lamp

ZHANGLing- gai
（Chengyi College, Jimei University, Xiamen 361010, China）

Abstract:The temperature is the keyfactors affectingthe LED Lamps longevityoflife, high qualityand reliability etc. LED lamps. Temperature measurement in LED lighting development process is rather vital. The analysis of the advantages and disadvantages of the current several kinds of main methods of temperature measurement, especially shows the advantages of infrared thermal imager; study on the influence factors of the infrared thermal imaging temperature measurement of environmental temperature, surface emissivity and measurement distance, aiming at increasing the measurement accuracy. The results of the practical study show that, when the infrared thermal camera usingin an accurate way, the measurement result is veryaccurate, it can shorten the temperature measuringtime oflamp development process and improve the accuracyofmeasurement results, it is of great help tothe development and design oflamps and lanterns.

Keywords:LEDlamp; infrared thermal camera; temperatures measurement

作者简介：张灵改（1983-），女，河北石家庄人，集美大学讲师，工程师。

收稿日期：2015-01-13

文章编号：1008- 0171（2016）02- 0060- 05

中图分类号：TN215

文献标志码：A