李思雪，李江榮，張 慢，楊 苗，李夢(mèng)蘇，馬權(quán)紅

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

【倍蕾園地】

照明燈具溫度場(chǎng)分布測(cè)量與研究

李思雪，李江榮，張 慢，楊 苗，李夢(mèng)蘇，馬權(quán)紅

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

照明燈散熱是衡量其質(zhì)量與安全性的一個(gè)重要性能指標(biāo)。文章利用自主設(shè)計(jì)的多點(diǎn)智能溫度測(cè)量裝置對(duì)某型號(hào)40 W白熾燈周圍溫度分布進(jìn)行了測(cè)試與研究。結(jié)果表明：在燈泡周圍20 cm的范圍內(nèi)燈泡溫度變化梯度比較大，超過20 cm，溫度趨于恒定值。此外，利用數(shù)學(xué)擬合的方法研究了溫度分布與距離的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度分布與距離成反比。研究結(jié)果可對(duì)日常生活中燈具的安全使用提供參考與指導(dǎo)。

多點(diǎn)智能測(cè)溫裝置；溫度分布；數(shù)值擬合；燈泡

日常生活中，人們對(duì)電的使用涉及各個(gè)方面，照明便是其中最普遍的一種。相應(yīng)地，照明燈具的設(shè)計(jì)和使用成為人們關(guān)注的問題。特別地，對(duì)于一些大功率的照明燈具如果設(shè)計(jì)不合理或者使用不當(dāng)，其散熱能力就會(huì)變差，一方面造成電能的浪費(fèi)，另一方面會(huì)發(fā)生不安全事故。因此，準(zhǔn)確測(cè)量照明燈具周圍溫度場(chǎng)的分布，對(duì)節(jié)約電能和生活安全有非常重要的意義。本文利用自主設(shè)計(jì)的多點(diǎn)測(cè)溫裝置，對(duì)某型號(hào)照明燈具周圍溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了測(cè)試與研究，并用數(shù)值擬合的方法給出了照明燈具周圍溫度分布與距離的關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)照明燈具的設(shè)計(jì)與使用有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 照明燈具的分類及工作原理

(1)白熾燈。白熾燈的工作原理是：電流通過燈絲產(chǎn)熱，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，燈絲溫度就會(huì)升高，當(dāng)燈泡達(dá)到白熾狀態(tài)時(shí)，燈泡就會(huì)發(fā)出光來。燈光愈亮，說明燈絲的溫度愈高，故稱為白熾燈。它發(fā)光時(shí)，電能大部分轉(zhuǎn)化為熱能，而極少部分才轉(zhuǎn)化為光能。白熾燈的壽命由燈絲溫度決定，溫度越高，燈絲就越易升華。升華會(huì)使燈絲變細(xì)，一定程度后，通電就很容易使之燒斷，燈泡就會(huì)被燒壞。

(2)熒光燈。熒光燈又叫日光燈，主要組成部分包括鎮(zhèn)流器、燈管、啟輝器。它的工作原理是：通電后，有電流產(chǎn)生，電流產(chǎn)熱，啟動(dòng)器中的兩觸片熱漲突變，電流自感，瞬間，鎮(zhèn)流器就產(chǎn)生高壓，燈管內(nèi)氣體就會(huì)被導(dǎo)通，氣體被導(dǎo)通就會(huì)發(fā)光。這種燈將大部分的能量轉(zhuǎn)化為紫外光，另一少部分能量則轉(zhuǎn)化為熱能，相對(duì)于電燈泡的能量轉(zhuǎn)化率，日光燈的轉(zhuǎn)換率為電燈泡的2倍。

(3)節(jié)能燈。節(jié)能燈又稱緊湊型熒光燈，它的效率一般是白熾燈的5倍，其優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，方便使用，熱輻射耗能少，僅有20%以熱能的形式被散發(fā)。它的工作原理與日光燈相同。

(4)LED照明燈。LED也稱之為發(fā)光二極管，它具有節(jié)約能量、減少污染的作用，因此，被人們稱作綠色照明燈。它的工作原理為：電流通過晶片時(shí)，量子阱中會(huì)進(jìn)來電子和空穴，當(dāng)在量子阱內(nèi)電子和空穴結(jié)合時(shí)，就會(huì)有能量產(chǎn)生，這種能量以光子的形式表現(xiàn)出來，從而達(dá)到照明的效果。

2 溫度傳感器

2.1 溫度傳感器的發(fā)展

傳感器就是可以感受到外部的信號(hào)并把這些信號(hào)按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成可以直接使用的信號(hào)的儀器。[1-2]通俗地說，傳感器就是可以把外部的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置。所以傳感器一般分為兩部分：一是信號(hào)感知部分，二是信號(hào)轉(zhuǎn)換部分。

現(xiàn)在，以半導(dǎo)體作為敏感元件的溫度傳感器技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。[2-4]生活中常用的溫度傳感測(cè)量?jī)x器有兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)溫度測(cè)量?jī)x和多點(diǎn)溫度測(cè)量?jī)x。單點(diǎn)溫度測(cè)量?jī)x是用傳統(tǒng)的模擬集成溫度傳感器[1]制作而成。比如，熱電阻、熱電偶等傳感器，它們精度高，測(cè)量范圍廣，分辨率高，其本身配帶LED顯示模塊，有的還有存儲(chǔ)功能。多點(diǎn)溫度測(cè)量?jī)x可以同時(shí)多點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)溫裝置在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中的需求量比較大，但是相對(duì)而言，多點(diǎn)測(cè)溫裝置的成本高，對(duì)環(huán)境的要求也比較高。

最早把溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的是熱電偶傳感器。[5]其次，是把鉑電阻作為傳感器的溫度計(jì)。從21世紀(jì)初開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，世界上相繼出現(xiàn)了PN結(jié)集成溫度傳感器[6]和半導(dǎo)體熱電偶溫度傳感器。[6]而且，利用物質(zhì)與波相互作用理論，人們還制造出了紅外傳感器、聲學(xué)傳感器、波傳感器等。21世紀(jì)末，出現(xiàn)了數(shù)字溫度傳感器，它是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)測(cè)量和微電子三大技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。[7]利用相關(guān)軟件技術(shù)，數(shù)字溫度傳感器可以將數(shù)字量和相對(duì)應(yīng)的控制量以極高的準(zhǔn)確度輸出。

2.2 溫度傳感器的分類

溫度傳感器按照工作物質(zhì)可以分為四類[8]，分別是：熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器、熱電偶和IC溫度傳感器。而IC溫度傳感器又可分為兩種，分別是模擬輸出傳感器和數(shù)字輸出傳感器。

電阻溫度檢測(cè)器：精度高，性能穩(wěn)定，裝置類型比較多。但它們的最高工作溫度大約為400℃，其價(jià)格是熱電偶的4～10倍，且還需要一個(gè)外置參考源。

熱電偶：應(yīng)用范圍廣，原因是它的性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，種類繁多，而且所測(cè)量的溫度范圍大，從200℃到2 000℃。它們的不足之處是：靈敏性不好、穩(wěn)定性較差、精度一般、反應(yīng)速度慢、高溫下易老化，同時(shí)變化沒有規(guī)律。另外，熱電偶還需要外部參考源。

模擬輸出IC溫度傳感器：線性度高、體積小、高精度、使用方便、分辨率高。不足之處是測(cè)量溫度范圍比較窄(均在-55℃～125℃)，而且需要外置參考源。

圖1 DS18B20的外形及引腳DQ是數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND是電源地；VDD是外接供電電源輸入端

數(shù)字輸出IC溫度傳感器：帶有內(nèi)部參考源、響應(yīng)速度快，它們會(huì)自身發(fā)熱，通過自動(dòng)操作讓其在需要使用之前把IC設(shè)置為低耗能狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。數(shù)字式傳感器與模擬式溫度傳感器相比，有可靠性、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但是受半導(dǎo)體性能的影響，它又有一些不足之處。它們的不足之處在于：(1)數(shù)值是傳感器敏感元件的溫度值，這就需要使用時(shí)使溫度傳感器處于良好的空間中，以確保準(zhǔn)確性，但由于敏感元件的限制，還是會(huì)存在一定的誤差。一般來說，測(cè)量結(jié)果要比真實(shí)值稍微小一些；(2)測(cè)量溫度范圍比較窄(均在-55℃～125℃)；(3)數(shù)字式傳感器輸出的數(shù)據(jù)有一定的非線性[9]的函數(shù)關(guān)系，通過一定的程序可以進(jìn)行矯正[10]，宜在常溫環(huán)境下使用，不適合用于溫度比較敏感或者環(huán)境很差的工作狀況；(4)數(shù)字式溫度傳感器價(jià)格昂貴，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。

2.3 溫度傳感器(DS18B20)模塊

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器芯片[11]，如圖1所示。它有兩種類型：一種是3腳TO-92封裝的；另一種是8腳SOIC封裝的。溫度傳感器DS18B20有許多優(yōu)點(diǎn)，比如，體積較小，方便使用，精確度高，工作更加穩(wěn)定，而且可以與大多數(shù)單片機(jī)連接。特別是它可以直接將溫度信號(hào)以數(shù)字量輸出并能夠供處理器處理 ，可編程的溫度分辨率最小為0.062 5℃。溫度傳感器DS18B20的電源既可以從遠(yuǎn)處引入，也可把電源寄存。我們使用的溫度傳感器是3腳TO-92封裝的DS18B20傳感器。

3 測(cè)溫方案

我們利用DS18B20溫度傳感器與C51單片機(jī)連接，自制多點(diǎn)溫度測(cè)量裝置。

3.1 測(cè)溫目標(biāo)

以PHILIPS某型號(hào)照明燈具為研究對(duì)象，對(duì)其周圍約30 cm范圍內(nèi)溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行研究。測(cè)量溫度時(shí)為了提高實(shí)驗(yàn)精度，盡可能達(dá)到同時(shí)多點(diǎn)測(cè)得燈泡周圍溫度值，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)值的影響，可以通過對(duì)變量的控制來達(dá)到該效果。

3.2 多點(diǎn)溫度測(cè)量功能要求

(1)能同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度值；(2)精度0.001℃；(3)能夠通過顯示器顯示測(cè)量點(diǎn)編號(hào)和溫度值；(4)可同時(shí)顯示各測(cè)量點(diǎn)溫度值。

3.3 多點(diǎn)溫度測(cè)量設(shè)計(jì)

多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)圖包含以下四個(gè)部分：按鍵、51單片機(jī)、多個(gè)DS18B20測(cè)溫模塊、顯示模塊。其中，顯示模塊主要采用顯示信息量大、效果好、使用方便的LED液晶顯示器。

圖2 多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 DS18B20 的TO-92封裝

圖4 實(shí)驗(yàn)電路圖

系統(tǒng)處理時(shí)，由51單片機(jī)控制從各個(gè)測(cè)溫模塊測(cè)量出溫度數(shù)字量，根據(jù)數(shù)字量與溫度的關(guān)系計(jì)算出溫度值，送至LED顯示器顯示。

4 溫度采集模塊

4.1 多點(diǎn)測(cè)溫裝置

這一部分主要是對(duì)溫度采集工作進(jìn)行說明。DS18B20在這個(gè)多點(diǎn)測(cè)溫裝置中的作用是采集溫度，它可以由自身的轉(zhuǎn)換功能使目標(biāo)測(cè)量值由采集到的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換。通過單片機(jī)接口與單片機(jī)相連，最后與顯示電路相連，顯示電路顯示DS18B20采集到的溫度值?？紤]到DS18B20的結(jié)構(gòu)，它組成的溫度采集裝置具有體積小、方便使用、集成高、抗干擾能力強(qiáng)、采集電路簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)誤差小的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)用TO-92封裝, 如圖3所示。

4.2 多點(diǎn)溫度測(cè)量電路及溫度測(cè)試流程

圖5 溫度測(cè)試子程序流程圖

多點(diǎn)溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)電路圖[3,12]如圖4所示。DS18B20采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)據(jù)總線上掛256個(gè)DS18B20，但實(shí)際應(yīng)用中，如果掛接25個(gè)以上的DS18B20仍舊有可能產(chǎn)生功耗問題。在圖4中使用了一個(gè)MOSFET將I/O口線直接和電源相連，起到上拉的作用。

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件(主程序)，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件(子程序)，它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。

下面主要對(duì)溫度測(cè)試子程序的流程圖做一介紹，如圖5所示。溫度測(cè)試程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)P1.4端口接收溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)，通過對(duì)接收的溫度數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行判斷和顯示。

根據(jù)圖4電路圖，考慮到采集數(shù)據(jù)方便，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，研究組制作的多點(diǎn)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

5 燈具周圍溫度分布測(cè)量及結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟

選取大紙板，在紙板中央確立一圓心，做出半徑不同的同心圓，如圖6所示。待測(cè)燈具放置在圓心處；根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求把溫度傳感器探頭分別放置在半徑不同的圓環(huán)上；記錄不同時(shí)間間隔、不同半徑圓環(huán)上的溫度值；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得出結(jié)論。

圖6 電路實(shí)物圖

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照5.1實(shí)驗(yàn)步驟，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1至表4，其中：表1至表3為原始數(shù)據(jù)，表4 為它們的平均值。

表1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表2

時(shí)間/min距離5cm處的溫度/℃距離10cm處的溫度/℃距離15cm處的溫度/℃距離20cm處的溫度/℃距離25cm處的溫度/℃距離30cm處的溫度/℃633.25724.16221.58220.12519.62019.392733.38224.37521.64620.13519.58319.425834.06324.43721.68820.12519.68819.478933.85024.32621.83620.18719.72319.5271034.07324.39821.79820.18519.69219.498

表3 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)以上3個(gè)表格數(shù)據(jù)求平均值，得到表4。

表4 取平均值后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.3 根據(jù)數(shù)據(jù)制作出函數(shù)圖

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，我們給出了燈具周圍溫度隨時(shí)間變化的曲線，見圖7。從圖中可以看出，我們所設(shè)計(jì)的測(cè)溫裝置能明確分辨出半徑為20 cm的空間區(qū)域內(nèi)溫度梯度的變化規(guī)律，即半徑越小其溫度變化越明顯。測(cè)溫距離大于30 cm時(shí)，測(cè)得的溫度變化不明顯，反映在圖7中為溫度隨時(shí)間的變化曲線趨于直線。特別地，從圖7中可以看出，當(dāng)測(cè)量時(shí)間大于8 min后，不同半徑所測(cè)得的燈泡溫度趨于一系列的恒定值，這說明此時(shí)燈具周圍的溫度場(chǎng)分布已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖7 不同半徑處溫度隨測(cè)量時(shí)間的變化

圖8 t=10 min時(shí)，溫度分布隨半徑的變化

為了研究燈具周圍溫度場(chǎng)的分布，我們?cè)跍囟葓?chǎng)分布趨于穩(wěn)定時(shí)測(cè)量了燈泡周圍溫度，它隨半徑的變化曲線如圖8所示。圖中給出的是測(cè)量溫度時(shí)刻為t=10 min時(shí)，溫度隨半徑的變化曲線。從圖8中可以看出，在t=10 min時(shí)，燈泡周圍溫度隨著半徑的增加逐漸減小。當(dāng)距離大于20 cm后，變化非常緩慢，最終趨于穩(wěn)定值(該穩(wěn)定值和實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境的溫度相同)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們的日常經(jīng)驗(yàn)相吻合，即離燈泡越遠(yuǎn)，溫度梯度越小，測(cè)量越趨于環(huán)境溫度。我們對(duì)圖8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到溫度與距離的函數(shù)關(guān)系為：

y=52.860x-0.311 4。

(1)

其中：x對(duì)應(yīng)于測(cè)溫距離，y為溫度。

由(1)式我們知道，燈泡熱輻射與距離成反比，如圖9所示。這說明，燈具熱輻射以測(cè)量原點(diǎn)為中心，以球面波的形式向外輻射。

圖9 數(shù)據(jù)擬合曲線圖

6 結(jié)論

利用自主設(shè)計(jì)的多點(diǎn)測(cè)溫裝置，我們對(duì)某品牌功率為40 W的照明燈具周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量與研究。結(jié)果表明，在燈泡周圍20 cm的范圍內(nèi)溫度變化梯度比較大。超過20 cm的范圍，所測(cè)量的溫度變化不大，基本趨于環(huán)境溫度，這可以被認(rèn)為是該型號(hào)燈具的安全使用距離。利用數(shù)值擬合的方法，我們得到溫度分布與距離的關(guān)系為y=52.860x-0.311 4。研究結(jié)果對(duì)日常生活中安全使用燈具和提高能源利用提供了參考。

(指導(dǎo)教師 張修興，雷能芳，肖令祿)

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【責(zé)任編輯 牛懷崗】

The Investigation of Temperature Distribution around a Bulb

LI Si-xue, LI Jiang-rong, ZHANG Man, YANG Miao, LI Meng-su, MA Quan-hong

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

Heat dissipation is a vital indicator to qualify the quality and security of a bulb. Using the designed temperature measuring device, we detect the temperature distribution of a bulb of 40W. The results show that the temperature gradient changes quick within the scope of 20cm around the bulb. However, the temperature approaches a certain value when the scope goes beyond 20cm. In addition, we also mathematical fit our data and obtain the relation between temperature distribution and the distance. Our investigation may provide a guidance to the use of lamps and lanterns in daily life.

temperature measuring device; temperature distribution; numerical simulation; bulb

O551.2

A

1009-5128(2017)04-0085-08

2016-10-10

全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：不同形狀LED燈溫度場(chǎng)的測(cè)定與模擬(201510723656)

李思雪(1992—)，女，陜西渭南人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院2013級(jí)本科生。