某仪器电控系统SB3控制箱热测试分析

打开文本图片集

摘  要：在产品研发过程中，对产品进行环境试验，使其充分暴露潜在的设计、制造、装配等缺陷十分重要。本文通过对某仪器电控系统SB3控制箱进行热测试，获得SB3控制箱在常温条件下的热场分布，以及在特定环境温度下的各关键点温度;测试发现该SB3控制箱的多项潜在缺陷，并对其设计缺陷提出了相应的改进建议。通过改进有利于提升产品的固有可靠性与成熟度水平，从而提高用户满意度，减轻售后维修保障负担。

关键词：SB3控制箱;热测试;潜在缺陷

中图分类号：TP303+.3        文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）20-0040-04

Abstract：In the product development process，it is very important to conduct environmental tests on the product to fully expose potential defects in design，manufacturing，and assembly. In this paper，the thermal test of the SB3 control box of an instrument electronic control system is carried out to obtain the thermal field distribution of the SB3 control box under normal temperature conditions and the temperature of each key point at a specific ambient temperature. The test found that the SB3 control box has multiple thermal potentials defects，and suggestions for improvement of its design flaws，through improvement will help improve the product"s inherent reliability and maturity level，thereby improving user satisfaction and reducing the burden of after-sales maintenance support.

Keywords：SB3 control box;thermal test;potential defects

0  引  言

随着集成电路不断向微型化、多功能化和高性能化方向发展，导致集成电路上的电子元器件的热流密度与功耗不断增加，因此在研发设计过程中如果不能进行有效的热设计，将直接影响系统的可靠性与工作寿命[1，2]。过高的温度会使集成电路中的电子元器件加速老化、寿命缩短，甚至导致瞬间或永久失效[3-5]。因此对样机进行热测试，获得样机的实际温度分布值，验证样机的热性能是否满足规定的条件;如果不满足规定的要求则提出整改措施，对提高产品的可靠性具有重要的现实意义[6]。

1  热测试方法

在工程实际运用中，热测试方法目前主要有两种：接触式和非接触式测试。红外热像仪常被用作非接触式测量方法，该方法不需要与被测对象接触，因此不会干扰被测温度场的状态，但该方法易受环境因素影响，只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度，因此不易测出被测件的实际温度[7-11]。接触式测试有热电偶传感器法、热敏电阻传感器法等。在工程實际中广泛采用数据采集仪进行测量，能够精确地测量出物体和液体内部温度。同时该方法被广泛用于密封空间内的各种组件、器件的温度测量，但是该方法在实际运用中比较耗时，效率较低[12-15]。

本文将红外热像仪和高低温湿热试验箱配对使用，首先利用红外热像仪获得某仪器电控系统SB3控制箱内各元器件表面温度分布云图，确定热源位置后再进行传感器的布局;其次采用高低温湿热试验箱对被测仪器电控系统SB3控制箱进行温度步进环境试验，温度梯度从+40℃、+50℃、+60℃逐步递增，使其充分、快速地暴露其热设计缺陷，有助于提高热测试准确性和改善仪器整体热环境，以及消除产品内部过热点，从而提升SB3控制箱的可靠性水平和使用寿命。

2  SB3控制箱热测试

本文以某仪器电控系统SB3控制箱热测试为例，该SB3控制箱是仪器的核心部件，然而在实际工作过程中SB3控制箱整体功耗偏高，因此在改型过程中对其热设计的评估是衡量其质量及可靠性的重要依据。

2.1  测试仪器

本文采用的测试仪器由高低温湿热试验箱（SDJ61FA）、热像仪（Tis65）、数据采集器（34972A）三部分组成，测试设备及检测仪表均满足测试要求且在校准有效期内，其测试仪器分别如图1—3所示。

2.2  热测试流程

通过工程实践，对某仪器SB3控制箱进行温度步进热测试的试验顺序及各步骤间的相互关系如图4所示。

温度步进热测试的试验步骤如下：

（1）在实验室常温条件下，采用热像仪进行非接触式热测试，初步获取各个电路板的温度云图，根据云图初步分析高温点，对于高温点对应位置元器件耐温范围，初步确定SB3控制箱的潜在高温风险点;

（2）将SB3控制箱放置在试验箱中，针对潜在的高温风险点进一步部署热电偶，将试验温度先后分别升至+40℃、+50℃、+60℃，各保持1个小时，采用数据采集器进行接触式温度测量，精确获得各个温度监测点的温度;从而获得各个监测点在不同高温环境下的温度变化趋势，为确定SB3控制箱耐温薄弱环节提供详细数据。

3  常温下红外热成像非接触式检测

常温条件下，利用红外成像仪对SB3控制箱上的发热区域进行温度检测。电控系统SB3控制箱电路板如图5所示，在常温下利用红外成像仪测试电控系统SB3控制箱电路板，温度云图分别如图6—8所示。当SB3控制箱按照指定工况进行工作时，测试共发现5个高温元器件，如图中圈出部分所示，各元器件型号及测试温度如表1所示。后续将采用温度数据采集器在不同环境温度下对以上5个元器件以及客户要求测试的发热区域进行精确检测，并针对检测结果给予相应的整改意见。

4  不同温度下热电偶接触式检测

采用接触式热电偶和温度数据采集器，测试电控系统SB3控制箱上电路板发热器件分别在环境温度+40℃、+50℃、+60℃下的温度，验证是否满足器件自身工作环境温度要求。

4.1  测试点布置

根据红外成像仪测试结果，对SB3控制箱RN3、U6、PS1、P2、P3粘贴温度传感器，在温度梯度分别为+18.5℃、+40℃、+50℃、+60℃时进行测试。检查是否满足器件自身工作环境温度要求。SB3控制箱测试点布置如图9所示，其温度试验应力图如图10所示。

4.2  测试结果

通过温度步进法对SB3控制箱电路板热电偶接触式检测，结果如表2所示。

5  结  论

本文将红外热像仪和高低温湿热试验箱配对使用，针对某仪器电控系统SB3控制箱进行热测试，根据热像仪测试结果，对SB3控制箱中的5个元器件粘贴热电偶温度传感器，并在40℃、50℃、60℃的环境温度下进行监测。通过测试结果可知，RN3元器件在40℃、50℃、60℃环境条件下温升较明显，分别为18.526℃、20.368℃、20.537℃，在元器件额定工作温度范围内且有充足余量，满足使用要求;P2、P3元器件在60℃环境温度下所测得的工作温度分别为：63.715℃、63.253℃，较最高额定工作温度低6.285℃、6.747℃，满足元器件的工作环境温度要求，但是温度余量较小，建议更换更大工作温度范围的元器件。通过上述热测试的方法介绍，以期为同行提供一定的借鉴。

参考文献：

[1] 陈捷恺.6kWDC/DC变换器热分析及散热结构优化 [D].武汉：武汉理工大学，2014.

[2] 冯文建.航空电子设备新型结构功能模块的热设计优化与实现 [D].成都：电子科技大学，2010.

[3] 王虎军，付娟.某弹载电子设备热设计研究 [J].机电信息，2018（18）：98-100.

[4] 王帅，王月，苏小红，等.能量效率和工作温度对锂离子电池剩余寿命的影响 [J].智能计算机与应用，2018，8（1）：162-168+171.

[5] 吴世梁.环境温度对设备的影响 [J].中国船检，2018（2）：61-62.

[6] 邢辉，赵慧洁，张颖，等.热控涂层性能在轨测试用辐射计原理样机的设计与仿真 [J].仪器仪表学报，2011，32（2）：241-246.

[7] 乐启清.红外热成像检测技术在沥青混合料制备过程中应用研究 [D].西安：长安大学，2014.

[8] 朱雁程，黄俊，乔斌，等.红外热像仪中温度测试研究 [J].电子质量，2010（2）：14-16.

[9] 乐逢宁，蔡静，马兰，等.使用红外热像仪应注意的问题 [J].计测技术，2010，30（S1）：100-101.

[10] JIAO L，DONG D，ZHAO X，et al.Compensation method for the influence of angle of view on animal temperature measurement using thermal imaging camera combined with depth image [J].Journal of Thermal Biology，2016，62（12）：15-19.

[11] GRANT P S，CANTOR B. Infrared thermal imaging measurement of deposit surface temperatures during spray deposition [J]. Powder Metallurgy，1990，33（2）：144-146.

[12] 李巖峰.接触式温度传感器动态校准技术研究 [D].太原：中北大学，2018.

[13] 王代华，宋林丽，张志杰.基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法 [J].探测与控制学报，2012，34（3）：23-28.

[14] 刘清.减小噪声干扰的热敏电阻传感器动态测量误差补偿 [J].计量学报，2005（2）：111-114.

[15] 刘宗瑞，咸婉婷，张枫.接触式温度传感器动态响应时间的检测 [C].//黑龙江省自动化学会/黑龙江省人工智能学会.黑龙江省第三届信息与智能自动化学术会议暨黑龙江省自动化学会第八届会员代表大会论文集，2011：84-86.

作者简介：刘意（1973-），男，汉族，四川大竹人，项目经理，本科，主要研究方向：电子产品质量与可靠性研究工作;通讯作者：高军（1978-），男，汉族，湖南长沙人，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向：仪器设备产品质量与可靠性工作;王红涛（1990-），男，汉族，山东金乡人，技术工程师，硕士研究生，主要研究方向：仪器设备产品质量与可靠性工作;刘洋（1991-），男，汉族，四川成都人，硕士研究生在读，主要研究方向：仪器设备产品质量与可靠性工作;刘建南（1989-），女，汉族，河南南阳人，质量与可靠性体系工程师，主要研究方向：产品质量与可靠性工作。