温度场

近年来，各大品牌的折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷，成为行业热点。作为柔性电子设备的重要组成部分，柔性传感器用以测量温度，反映人体的各项指标。现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、敏感材料等限制，难以实现高温物理场的温度测量。因此，如何继承柔性薄膜传感器优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的应用是一个值得关注的问题。近日，来自微纳制造领域的一项最新研究成果，为柔性传感器突破高温应用瓶颈提供了新思路。西安交通大学机械工程学院精密工程研究所的刘兆钧博士、田边教授、蒋庄德院士及其合作团队首次制备出了具有良好温度敏感性的高温柔性温度传感器。相关成果发表于工程制造领域期刊《极端制造》。传统柔性温度传感器难以实现高温无损监测柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可自由弯曲、折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂表面进行检测。在可穿戴方面，柔性的电子产品适合“人体不是平面”的生理特性，因此更易于测试皮肤的相关参数，其可将外界的受力或受热情况转换为电信号，传递给机器人的电脑进行信号处理，从而实时精准地监测出人体各项指标。“柔性薄膜温度传感器能变形、易附着、轻薄等优点受到了研究人员的广泛关注。”田边说，“热电偶式传感器以结构简单、动态响应快、便于集中控制等优点脱颖而出。”结合二者优势，热电偶式柔性薄膜温度传感器应运而生。“温度传感器主要由两部分组成，由两种不同材料制成的温度敏感层和柔性基板。温度敏感层常由金属以及金属化合物组成，柔性基材则选择已经商业化的聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等高分子聚合物材料。”田边表示。实际上，柔性传感器的优势使其能运用到多个领域当中，除了可穿戴设备，柔性传感器还在医疗电子、环境监测等领域显示出很好的应用前景。然而，现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、温度敏感材料等限制，难以在高温环境场中工作，更无法实现功能化应用。“因为柔性基板的熔点通常低于400℃，在高温环境中发生碳化后会变脆、变硬，因此，很难在高温环境下使用现有的柔性温度传感器。这一点也限制了它们在航空航天、钢铁冶金和爆炸损伤检测等极端环境中的应用。”田边解释道。“现有的高温温度测量手段受限于设备尺寸大、需要破坏结构、破坏气流场、受环境干扰等，难以实现对温度场的无损实时温度监测。”博士生刘兆钧补充道。因此，如何继承柔性薄膜传感器的优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的安装与应用是亟须解决的关键问题。突破多项柔性温度传感器测量瓶颈为了突破柔性温度传感器的温度测量瓶颈，田边教授团队创新性地选择了具有宽温域的铝硅氧气凝胶毡作为温度传感器的柔性基板。由于柔性基板表面不均匀、粗糙度较大，难以通过传统的微纳制造工艺实现薄膜沉积与功能化，因此团队选用了丝网印刷技术制备厚膜以克服上述困难。在制备传感器的实际操作中，田边、刘兆钧等人使用有机黏合剂混合功能粉末完成浆料配置，利用高温热处理的方法去除薄膜中的多余有机物，如环氧树脂、松油醇等。同时，团队还针对不同应用表面，基于柔性材料可变形、可共形的优势，实现了功能薄膜的特定曲面化制备。“就像球鞋设计者根据球星脚底的尺寸大小来制定码数一样，这种‘独家订制’能有效解决一些问题。”田边表示，这样制备好的柔性温度传感器能够贴附于不同曲率曲面，例如叶片等。同时，其也具有超薄、超轻等优点。这项研究首次实现柔性传感器在零下190℃至零上1200℃这一极广的温度范围内工作，测试灵敏度也达到了可观的226.7微伏每摄氏度（μV/℃）。这是现有所有柔性温度传感器难以实现的。扩大柔性传感器的工作温域，为柔性传感开拓了更广阔的应用领域，它在探险排难、航空航天、钢铁冶金等领域将呈现出巨大的应用潜力。在被问及新型柔性传感器何时能够实现实际应用时，蒋庄德表示：“我们团队的研究人员对制备的柔性温度传感器已经进行了多种实验室级测试与实际测试。其中，包括对航模发动机的尾喷温度进行实时监控，小型物理爆炸场爆炸瞬时温度测量以及对坩埚中金属熔化过程进行温度监测等。传感器在整个测试过程都表现出了优异的测温能力。”在蒋庄德看来，科技发展的目标始终围绕造福人类。他指出：“我们根据柔性温度传感器极轻、极薄的特点，创新性地将其应用于智能穿戴设备，如传感器与环保透明面罩相结合设计出的智能口罩，实现对人体呼吸状态的实时监测，有望惠及长期独居旅行者和慢性病患者。我们的科研成果可以给人们的生活带来便捷，这也让科研有了‘温度’。”目前，柔性传感器许多技术仍停留在研究阶段，柔性传感器产业链整体能力亟待增强。就技术本身而言，传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说，柔性电路、柔性存储，以及软硬连接等环节也需要跟进步伐。在未来，团队也期望将制备的柔性传感器进一步优化，实现飞机表面、涡轮叶片等国之重器上的温度测量，为我国科技进步添砖加瓦。

仪器信息网讯 8月23日，为期三天的2022世界传感器大会在郑州国际会展中心完美落幕，此次传感器大会由中华人民共和国工业和信息化部、中国科学技术协会与河南省人民政府主办，郑州市人民政府、河南省工业和信息化厅、河南省科学技术协会、中国仪器仪表学会承办。福禄克（FLUKE）展位本次世界传感器大会，众多知名传感器公司携新品和主推产品参展，同时也吸引了多家仪器企业参加，福禄克（FLUKE）公司也携一系列计量校准产品亮相。据了解，福禄克早在2000年就收购了Wavetek Wandell Goltermann的精密测量部门，从而稳固了其在电气校准市场内已经获得的地位。近几年，福禄克公司又先后收购了以温度计量和校准著称的 HART公司，以及以压力计量和校准而著称的DHI公司，从而使福禄克公司的计量和校准技术和产品覆盖了电学、温度以及压力，成为全面提供计量和校准产品的仪器仪表公司。1586A高精度多路测温仪（下）和外置接线模块（上）1586A高精度多路测温仪可以扫描测量并记录直至40通道的直流电压和电流，电阻，扫描速度可达每秒10个通道。1586A可以配置为多通道的记录仪在现场使用，也可以配置为参考温度计连接方式用于实验室的温度传感器校准。1586A高精度多路测温仪可满足制药，生物，食品，航空航天以及汽车行业的大量的温度分布，传感器校准，温度测量的应用。2271A工业压力校准器这款仪器兼容两个不同精度级别的模块。PM200模块为大部分量程提供 0.02% FS。PM500模块提供0.01%的读数不确定度，确保2271A可用于测试或校准更高精度的变送器和数字仪表。2271A的压力量程达到-100 kPa至20MPa(-15 psi至3000psi)，满足较宽范围的压力计和传感器需求。仪器内置支持HART功能的电学测量模块(EMM)，因此能够对4-20 mA设备（例如，智能变送器、压力计和开关）进行闭环、全自动校准。此外，该仪器顶部的双测试端口可安装两台被测设备（DUT），提升工作效率。9173高精度干式计量炉干井炉是早期最传统的现场热源。而福禄克最早开发的干式计量炉，其不确定度要远远小于干井炉的不确定度。不确定度越低，客户就越有能力校准准确度更高的传感器。干式计量炉提供了接近恒温槽的性能，但是却不需要昂贵的恒温槽液体。干式计量炉达到预定温度点并且稳定的时间比恒温槽快5到10倍，这样即可节省技术人员的工作时间，提高检定速度。干式计量炉的便携性使其能够到现场进行校准的工作，从而解决了恒温槽在运输上的困难。而此次参展的福禄克9173高精度干式计量炉采用了双段控温技术。传统的炉子在轴向(垂直方向)的温度场很难做到均匀，越接近炉口温度变化就越大。所谓双段控温就是在垂直方向上使用上下两层双路控温的方式，这种新型的模拟和数字控制技术提供了高达±0.005 C的稳定性。而且利用两段控温技术，轴向(垂直方向)的均匀性在60 mm区域内可达到±0.02 ℃。7109A便携式恒温槽在制药、生物科技和食品生产等行业，过程制造工厂大量使用卫生型温度传感器，这些传感器需要定期校准，在校准时必须停止生产。因此，校准效率越高意味着工厂停工时间越短。此外，在有些生产过程中，0.1摄氏度的误差就会造成严重成本损失，温度准确度对于保证质量至关重要。而本次展出的这款7109A便携式校准恒温槽与市面上许多恒温槽相比，系统准确度提高了两倍，能在更短的时间内校准更多的卫生型传感器，工作效率提高四倍。用户可以将4支卡箍式卫生型传感器同时置于恒温槽中进行校准，温度显示准确度达±0.1°C。对于小法兰或没有法兰的卫生型热电阻，校准效率甚至更高。7109A恒温槽覆盖温度范围可达-25°C至140°C，内置测温仪直接用于连接外部参考探头以及被校温度探头。8588A八位半数字多用表8588A是一款八位半数字化标准多用表，专门为校准实验室量身打造，拥有直观的用户界面和彩色屏幕和超过12项的测量功能，包括新增的数字化电压、数字化电流、电容、射频(RF)功率，以及用于交/直流电流的外部分流器，帮助用户将实验室级别的系统测试成本统一整合到单台测量仪器中。8588A拥有1年期直流电压准确度(2.7μV/V@95%置信区间，或3.5μV/V@99%置信区间)和最佳的24小时稳定度(0.5 μV/V@95%置信区间，或0.65 μV/V @99%置信区间)，使其能够傲视市场上其他标准数字多用表。8588A还能够在短短1秒内产生稳定的八位半读数，进一步提高速度覆盖范围。

电 路 研 发电路研发工程师利用热像仪根据电路中元器件发热、电路板热分布情况，可以 分析出电路原设计存在的不足或隐患，能够避免许多潜在的风险。这将能够大 大提高产品研发成功率和产品稳定性。 电路研发温度分析1. 电路元器件温度分析 当前，电子设备主要失效形式就是热失效。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%。2. 负载分析 在电路研发过程中，可以除了常规的测试（如示波器、万用表等）手段外，还可以用热像仪对电路板进行检测， 通过显示出的不同温度点，对元器件所承受的电流，电压等情况进行了解，工程师根据所检测的温度点，完善电路， 提高转换效率、减少功耗、减少电路内部温升，提高电路的可靠性。 3. 整个电路温度场分布分析 采用合理的器件排列方式，可以有效的降低印制电路的温升，从而使器件及设备的故障率明显下降。 4. 快速分析问题 在某些研发维修场合，如对短路板的快速检修时，通过热像仪无须使用线路图即可快速定位板内短路点在何处， 以便进一步处理。红外热像仪为什么能进行温度分析？电路元器件在工作时，由于通过元器件的电流的不同，各个器件之间的差异等原因，而产生的热量也会随之 不同，体现在元器件表面特征就是温度差异。红外热像仪就是利用各个元器件温度之间差异，分析出电路的不同 性能特点。热像仪检测独特优势1. 现有的温度分析工具 许多工程师都会抱怨现有的手段难以支持他们进行一个细致而全面的温度场描绘，同时操作不方便、而且可能 改变原温度场分布，如： a）数据采集器 使用接触式数据采集器可能会遇到如下问题：电路板断电，贴片热电偶不够多，操作不方便，反应时间较慢（ 30秒至1分钟），同时使用接触式数据采集器还将改变所测器件的散热状况等。 b）红外点温仪 外点温仪只能测量一个区域的平均温度，无法检测较小的目标，无法得到电路整体温度分布。 2. 热像仪温度分析优点 红外热像仪和数据采集器、红外点温仪相比较，有自身的优点： a）通过红外线热像仪检测目标电路时，不需要断电，操作方便，同时非接触测量使原有的温度场不受干扰；b）反应速度较快，小于1秒； c）选用合适的红外镜头，能够检测出较小目标； d）利用红外分析软件对所获得的电路温度数据进行全面分析。拍摄时可能会遇到哪些问题？1. 电路板上有部分器件（如电解电容顶面、电源模块背面及其它芯片光洁面），其发射率比较低，所以检测出的温 度差异较大。在拍摄此类器件时，要将其表面用黑笔或黑漆涂黑，然后进行测温等操作。 2. 当用标准镜头无法分辨小目标时，可以更换10.5mm广角镜。如何才能拍摄优质电路红外热像？现代电路微型化，组件高密度集中化的趋势正在迅速普及，所以在使用红外热像进行拍摄时，若要得到一幅清 晰的红外热图，我们建议：1. 尽量选择热灵敏度较高的热像仪； 2. 拍摄焦距应尽量对准，使热像仪红外镜头面轴线与所要拍摄的电路板垂直； 3. 先使用自动模式测量的温度范围；然后手动设置水平及跨度，将温度范围设置在最小，并包含有先前测量的温度 范围。