一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置及方法

摘要

一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置及方法，涉及物体表面温度测试方法。装置设有电流源、红外LED光源、透镜、斩波器、光谱仪、光电倍增管、锁相放大器、电压表、计算机、控温器、光纤；待测物体分别与控温器和第二电流源连接，红外源与第一电流源连接，第一透镜设于红外光源与斩波器之间，第二透镜设于斩波器上方，第一透镜将红外光源发散的光线汇集并通过斩波器将直流光线变为交流光线，斩波器的参考信号输出端接锁相放大器，第二透镜的收集光照射到待测物体表面，另将反射光收集并经第三透镜汇聚，光谱仪收集第三透镜的汇聚光，光谱仪接光电倍增管，光电倍增管接锁相放大器，锁相放大器接电压表，电压表接计算机输入端口。

说明书

技术领域

本发明涉及物体表面温度测试方法，尤其是涉及一种通过反射光相对强度测量物体表面 温度的装置及方法。

背景技术

温度的测量方法很多，根据测量方式可以分为接触式和非接触式。受测温原理和技术的 影响，接触式测温仪的测温范围较窄，并且精度较差。根据非接触式测温法的原理进行测温的方 法有红外热成像技术等。红外成像技术是检测器件由于黑体辐射发射的信号。但采用红外热 成像技术时，由于硅材料对红外是透明的，因此无法观测；由于金属的辐射系数很低，因此 会导致测试的信噪比很低。

发光二极管(LED)的结温测试是目前LED测试技术的难点，由于LED表面覆盖着封装透镜， 无法用直接接触的方法测试，目前针对LED结温的测量方法主要有正向压降法、光谱法、蓝 白比法、红外热成像法等。其中使用最普遍的方法是正向压降法，利用LED两端电压与温度 呈线性变化的关系进行结温测试，但其测试精度受到由加热大电流到测试小电流切换速度的 限制。对于封装后的灯具成品而言，由于其灯具外壳材料等的诸多限制，一般很难实现各个 LED引脚上的压降测量。光谱法是通过峰值波长随结温的漂移关系来测量LED结温([1]Y.Xi, J.Q.Xi,T.Gessmann,J.M.Shah,J.K.Kim,E.F.Schubert,A.J.Fischer,M.H. Crawford,K.H.A.Bogart,andA.A.Allerman,"Junctionandcarriertemperature measurementsindeep-ultravioletlight-emittingdiodesusingthreedifferent methods,"Appl.Phys.Lett.,vol.86,no.3,pp.031907,Jan.2005.)。该方法的缺 点是光谱峰值波长改变小，导致实际测量误差较大。刘立明等也通过LED峰值波长随注入电 流大小变化的关系测量结温([2]刘立明，郑晓东.LED结温与光谱特性关系的测量[J].光子学 报，2009(38)：1069-1073.)。蓝白比法同属于非接触式方法，主要原理是随着结温的升高， 芯片的发光及荧光粉的光致发光同时下降，但荧光粉的下降更迅速，从而使白光光谱中蓝白 光的比例发生变化。该方法的缺点是难以实现单色LED结温的测量([3]Y.M.GuandN. Narendran,"Anon-contactmethodfordeterminingjunctiontemperatureof phosphor-convertedwhiteLEDs,"inProc.3rdInt.Conf.SolidStateLighting,San Diego.,CA,2003,vol.5187,pp.107-114.)。Lin等研究了基于其定义的质心波长及半 高宽来测量LED结温的方法([4]Y.Lin,Y.L.Gao,Y.J.Lu,L.H.Zhu,Y.Zhangand Z.Chen,“Studyoftemperaturesensitiveopticalparametersandjunctiontemperature determinationoflight-emittingdiodes,”Appl.Phys.Lett.,vol.100,pp.202108, May.2012.)。这些非接触式测量方法避免了对设备正常工作的影响，但其同样存在对仪器 精度要求高，存在较大误差的缺点。红外热成像法是半导体器件常用的结温分布测量方法， 对已封装好的LED难以实现结温的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置。

本发明的另一目的在于提供一种通过反射光相对强度测量物体表面温度的方法。

本发明所述通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置设有第一电流源、红外LED光 源、第一透镜、斩波器、第二透镜、第三透镜、光谱仪、光电倍增管、锁相放大器、电压表、 计算机、控温器、第二电流源、光纤；

待测物体分别与控温器和第二电流源连接，第二电流源为待测物体提供电流；红外LED 光源与第一电流源连接，第一透镜设于红外LED光源与斩波器之间，第二透镜设于斩波器上 方，第一透镜将红外LED光源发散的光线汇集并通过斩波器将直流光线变为交流光线，斩波 器的参考信号输出端接锁相放大器，第二透镜的收集光通过光纤一路照射到待测物体表面， 另一路将反射光收集并经过设于光谱仪上方的第三透镜汇聚，光谱仪收集第三透镜的汇聚光， 光谱仪的输出端接光电倍增管的输入端，光电倍增管的输出端接锁相放大器的输入端，锁相 放大器的输出端接电压表，电压表的输出端接计算机的输入端口。

所述通过反射光相对强度测量物体表面温度的方法，采用所述通过反射光相对强度测量 物体表面温度的装置，所述方法包括以下步骤：

1)选择一组低于待测物体的失效温度，记为T₀、T₁…T_N，再选择合适的电流为光源供电；

2)将待测物体固定，控温器将待测物体的温度维持在T₀，将光源点亮，收集到待测物体 的反射光强度并保存数据；

3)调节控温器，依次改变控温器的温度为T₁…T_N，重复操作步骤2)，得到各个温度点下 的反射光强度；

4)拟合得到待测物体表面温度与反射光强度的函数关系式；

5)测量待测物体反射光强度，代入步骤4)中的函数关系式，即可求得当下待测物体的 表面温度。

本发明利用材料的反射率随着温度变化而变化的原理来测试表面温度分布。与红外热成 像技术采用红外波段相比，本发明的优势在于可以采用可见光进行测试，更短的波长可以提 高一个数量级的空间分辨率，更高的空间分辨率可以更加准确地测试待测器件的峰值温度。 而且对诸如透明封装的LED器件可以测试其内部芯片温度。本发明中利用锁相放大器还可以 避免由于待测物体自发光对反射光的干扰并大大提高信噪比。

本发明提供了一种非接触式的方法测量物体表面温度。利用反射光强度随物体表面温度 变化的原理，通过光源照射待测物体，收集在表面温度不同时物体的反射光，得到温度与反 射光强度的关系。进而利用该关系测试实际工作条件下物体表面反射光强度，即可得到物体 表面温度。利用锁相测量还可避免由于待测物体自发光对反射光的干扰。本发明也适用于测 量透明封装内部芯片的表面温度。选择特定波长的光源，即可实现对塑料、树脂等封装物体 不脱帽测试。

本发明优点如下：

1.非接触式测量。对于表面积小且脆弱的物体，例如LED裸芯片，避免了直接接触测 量损坏芯片的危险节约了实验成本。

2.只要待测物体可以反射光线，易加热，即可采用本发明测量物体表面温度，用途广 泛。本发明也适用于测量透明封装内部芯片的表面温度，并可避免由于待测物体自发光对反 射光的干扰。

附图说明

图1为本发明所述通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置实施例结构组成图。

图2为本发明实施例蓝光LED控温-反射光相对强度关系曲线。

图3为本发明实施例蓝光LED所加电流-反射光相对强度关系曲线。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明进行详细说明：以蓝光LED裸芯片为待测物体，红光LED 为激发光源。

参见图1，本发明所述通过反射光相对强度测量物体表面温度的装置实施例设有第一电 流源1、红外LED光源2、第一透镜3、斩波器4、第二透镜5、第三透镜6、光谱仪7、光电 倍增管8、锁相放大器9、电压表10、计算机11、控温器12、第二电流源13、光纤15。

待测物体14分别与控温器12和第二电流源13连接，第二电流源13为待测物体14提 供电流；红外LED光源2与第一电流源1连接，第一透镜3设于红外LED光源2与斩波器4 之间，第二透镜5设于斩波器4上方，第一透镜3将红外LED光源2发散的光线汇集并通过 斩波器4将直流光线变为交流光线，斩波器4的参考信号输出端接锁相放大器9，第二透镜5 的收集光通过光纤15一路照射到待测物体14表面，另一路将反射光收集并经过设于光谱仪 7上方的第三透镜6汇聚，光谱仪7收集第三透镜6的汇聚光，光谱仪7的输出端接光电倍 增管8的输入端，光电倍增管8的输出端接锁相放大器9的输入端，锁相放大器9的输出端 接电压表10，电压表10的输出端接计算机11的输入端口。

所述通过反射光相对强度测量物体表面温度的方法，采用所述通过反射光相对强度测量 物体表面温度的装置，所述方法包括以下步骤：

(1)将蓝光LED裸芯片样品固定，控温器维持在30℃，不点亮。将两处红光LED光源 点亮。此时光谱仪收集到反射光谱并通过计算机保存。

(2)调节控温器，依次改变控温温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，重复步骤(1)， 得到30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃6个温度点下的反射光谱数据。

(3)拟合数据得到蓝光LED裸芯片样品表面温度与反射光谱功率的关系，并得到线性函 数关系式。

(4)维持控温器为30℃，改变第二电流源电流大小，依次测得在蓝光LED电流分别为 0A、0.3A、0.6A、0.9A、1.2A、1.5A下的反射光数据。

(5)将步骤(4)中得到的反射光强度值分别代入步骤(3)中得到的函数中，求出在各 个电流下，蓝光LED的表面温度。

(6)用热电偶测得蓝光LED在电流为0A、0.3A、0.6A、0.9A、1.2A、1.5A时的温度， 与步骤(5)中计算得出的温度作比较，结果如表1所示，由表1可见，两者十分接近，误差 较小，证实本发明的可靠性。

蓝光LED控温-反射光相对强度关系曲线参见图2，蓝光LED所加电流-反射光相对强度 关系曲线参见图3。

表1

电流(A) 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 本发明测量的温度(℃) 30.9 49.3 72.3 82.4 96.1 110.2 热电偶测量的温度(℃) 32.5 46.5 60.0 82.1 97.1 105.0

表1为本发明实施例蓝光LED在不同电流下通过计算得到的表面温度与热电偶测量得到 的表面温度的对比。