一種環境考核試驗用試驗件熱表征模擬方法

王 勇，魯 亮

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621999）

0 引言

環境試驗是考核電子學設備，航天及武器等裝備產品質量可靠性、為產品設計提供判據的有效手段之一[1]。以電子學產品為例，試驗件在非工作狀態與工作狀態溫度差異極大，而不同溫度下產品的熱膨脹系數、剛性、彈性模量等參數指標均不相同，所需的封裝技術、熱分布設計等也不相同，需要引起產品設計方的重視。在我國現行系列標準中，均將產品區分為工作狀態及非工作狀態，在產品考核試驗程序中進行了明確規定。因此，在環境試驗中，對試驗件熱狀態的準確模擬是十分重要的。

1 熱表征方法設計及分析

在設計時，為了準確模擬產品的熱表征特性，需針對產品特性進行熱設計，考慮的參數包括工作及非工作狀態下的發熱功率、體積、重量等。

1.1 功率表征方法

功率表征方法設計如圖1 所示，采用發熱元件進行發熱，配電源。在這里，當試驗件產品為電子學器件時，由于一般為電子產品，對于電磁干擾等信息較為敏感，因此，建議采用直流電源供電；當發熱元件模擬的是大功率發熱器件時，可采用交流供電。為了說明設計思路，本文以電子器件為例進行說明，選用直流電源進行供電。另外，不同的發熱材料發熱特性不盡相同。表1 為常用材料的電阻率列表。

圖1 功率表征設計原理

表1 常見金屬材料電阻率

為了減小電流，設計48 Ω電阻作為發熱元件阻值，這時當直流電壓為48 V 時，電流不超過1 A。以直徑為0.5 mm 的金屬絲為例，將表1 中各材料電阻率帶入公式S=πd2/4 和L=SR/ρ。當材料選用鎳鉻合金時，長度L 為8.7 m，其他材料長度超過100 m。因此，當設計電阻為48 Ω 或該范圍內時，建議可采用鎳鉻合金材料電阻絲進行加熱。

1.2 體積、重量一體化表征方法

由于不同產品的體積、重量均不相同，這里給出一體化設計的準則。為提高溫度場均勻性，建議可以將加熱絲進行封裝設計，采用導熱率良好的封裝材料，如銅、鋁等，工藝上，可以將金屬絲貼合在封裝材料壁面，便于散熱。設計時，可根據需求的體積進行設計，同時，為了滿足重量需求，可以采用熱容較低的材料，以增加承重塊的方式，完成重量設計。

1.3 設計方法分析

雖然給出了試驗件熱表征參數，如發熱功率、體積、重量的一體化設計方法，但是，在實際工作工程中，仍然存在一些問題。在試驗過程中，出現了實際的溫度結果較設計溫度不同的現象。根據試驗現象，對系統及工藝層面進行分析，總結原因如下。

（1）根據圖1 所示，在電加熱元件與電源接線過程中，不可避免的會出現接觸電阻。

（2）引線電阻，當電源與加熱元件存在一定距離時，會有一定的電壓分壓在引線上，造成有效加熱功率降低的情況。

（3）由于溫度變化導致電阻率變化，如表1，列出了20 ℃條件下常見金屬材料的電阻率值，然而，電阻率與溫度是呈現相關性變化的。在環境試驗，如溫度試驗過程中，不同的溫度條件，以及產品工作狀態等多方面原因帶來的溫度環境條件變化，造成電阻絲阻值失準。

2 熱表征方法改進設計

2.1 四線型供電技術設計應用

針對分析中關于接觸電阻以及引線電阻帶來的誤差，進行技術調研，為了解決圖1 中的接觸電阻及引線電阻，參考開爾文四線檢測法技術特點，設計四線制的電源供電設計方案。

開爾文四線檢測[2]（kelvin Four-terminal sensing，四端子檢測法）是一種電阻抗檢測技術，其優點在于分離的電流和電壓的電極，可以消除布線和接觸電阻的阻抗。具體做法是使用單獨的對載電流和電壓檢測電極，相較于傳統的兩端子檢測，能夠進行更準確的測量。根據更改設計方案，將原圖1 的設計方案改進設計，如圖2 所示。

圖2 改進后的功率表征設計原理

根據基爾霍夫定律[3]：對于電路中的任一節點，在任一時刻，流入節點的電流等于流出該節點的電流。因此，電源端子I+及I-串電流表，從發熱元件流出的電流與端子I+及I-接收到的電流信號一致。未有因分壓衰減。而電壓端子V+及V-，串電壓表，由于電壓表阻值極大，因此相當于斷路，電壓段子一路未有電流流過，沒有分壓，所以，端子處的電壓值與發熱元件分路出的電壓值相同。

由于改進設計后，接觸電阻所在位置大大提前，處于封裝盒內，因此電阻同時發熱。

2.2 自適應電源選型設計

圖2 中，改進了接觸電阻以及引線電阻所帶來的誤差，然而，由于溫度變化導致的加熱元件電阻變化仍未消除。為了解決上述問題，需對電源進行升級。

筆者最后采用了具有可編程功能的恒功率直流電源。恒功率電源一般是恒流電源，其特點是輸出電流在一定范圍可編程設置，對應電壓自動適應，輸出功率基本維持不變，這樣一個特性稱為恒功率。利用恒流特性，將電流限定在一個較低的范圍內，提高電子器件工作的穩定性，而利用自適應調節的供電電壓，抵消由于溫度變化帶來的加熱元件組織變化的影響。

3 總結

根據我國現行環境試驗標準，以電子學器件設備為典型研究對象，給出了一種環境考核試驗用試驗件熱表征模擬方法，利用該方法，可以完成試驗件熱表征用的電子元件材料選型，重量、體積等參數的匹配設計。同時，針對實際環境試驗中發現的引線電阻、接觸電阻問題以及溫度—電阻率等現象，針對性地提出了改進設計方案。本文設計方法已應用于某真實產品環境試驗中，涉及到的設計方法技術等可為相關試驗件熱表征模擬研究提供技術支持。