CN102062674A - 半导体照明产品散热性能的非接触检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，通过改变环境温度，测量半导体照明产品的总光通量，将具有对应关系的总光通量值和环境温度值进行线性拟合，计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，通过该线性相关系数量化产品的散热性能。本发明的有益技术效果是：1）更能反映灯具实际的工作状况，也更能反映半导体照明产品的散热性能。2）本发明提出的检测方法和检测装置不受照明产品结构、参数差异的影响，在不改变或破坏照明产品结构的情况下，实现半导体照明产品散热性能的检测。

Description

半导体照明产品散热性能的非接触检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种半导体照明产品质量检测技术，尤其涉及一种半导体照明产品散热性能的非接触检测方法及装置。

背景技术

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体发光元件，可以直接将电能转变为光能。由于LED具有高光效、单色性好、响应快、固态、安全、环保、长寿命等诸多显著优点，已成为继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后的第四代光源，近年来作为照明领域的研究热点，受到各国政府、研究机构和企业的重视。

与白炽灯、荧光灯等传统照明光源的发光机理不同，LED属于电致发光(EL)器件，其热量不能辐射散热，从而导致器件温度过高，严重影响LED的总光通量、寿命以及可靠性，并会导致LED发光红移，尤其目前白光实现的方式是荧光粉加蓝光芯片的方案，其中荧光粉对温度特别敏感，最终会引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。

半导体照明是基于LED的光色照明，LED光源特殊的发光机理直接导致半导体照明产品的散热问题，据有关资料统计，半导体照明产品大约70%的故障都是由于散热问题引起。根据电子系统的可靠性分析经验，工作温度每升高10°，可靠性就会降为原来的一半，由此可以看出，散热问题严重的制约半导体照明产品质量。因此，对半导体照明产品散热性能的检测成为半导体照明产品质量分析、改进设计的重要环节。

针对上面的问题，当前没有系统、公认、规范的检测方法。目前国内外鲜有系统的半导体照明产品散热性能的检测方法和检测装置，该方面的专利也是少之又少。例如，美国应用材料股份有限公司的欧勒格.V.塞雷布里安诺夫等人发明的“灯故障检测装置”，提出了用于半导体检测衬底热处理的灯组中的灯故障的方法；朱德忠等人发明了“新型的LED车灯配光板的热测试方法”，提出根据LED结温与正向电压的关系测定配光板散热性能；王刚等人发明了“半导体照明产品散热性能检测装置及其检测方法”，提出以光源模组为测量基点针对灯具散热器的多个环节进行热参数的测量，再将测试参数进行标准灯具模型归一化等效变换，进行热特性的分析。

以上是目前半导体照明产品散热性能检测的现状，“半导体照明产品散热性能检测装置及其检测方法”专利中提出的检测方法能有效的得到半导体照明产品的散热性能，但是该专利需要在半导体照明产品内、外部贴装专用温度探测器，对于某些集成化很高的产品，不适合贴装温度探测器，另外对于散热分布不均匀的产品，采用贴装温度探测器的方式可能不能完全客观的反映灯具整体的散热性能，因此该专利的检测装置和检测方法有一定的局限性。

由于半导体照明产品的最终目的是实现高质量的照明，因此从光参数出发，考核光学输出参数与热学参数的相互关系，可以从本质上分析半导体照明产品工作时的热参数和光参数相互影响的机制，并对半导体照明产品的实际工作状态中的热性能进行客观的评估。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，在不改变或破坏半导体照明产品结构的情况下，通过改变环境温度，测量半导体照明产品在每个恒定温度下达到热平衡并且稳定后的总光通量，将具有对应关系的总光通量值和环境温度值进行线性拟合，根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，通过该线性相关系数量化产品的散热性能，线性相关系数越大，则半导体照明产品的散热性能越好。

所述的半导体照明产品是指利用半导体发光二极管作为光源，包括光源、驱动电源、固定和保护光源和电源的结构组件、以及必要的控制电路和连接部件组成的一整套以照明为目的的灯具产品。

其中，测量半导体照明产品的总光通量的步骤为：

1）调整环境温度至初始温度，并使环境温度稳定。

2）使半导体照明产品处于热平衡和稳定工作状态，即在15min内，总光通量或光强变化小于0.5%。

3）测量半导体照明产品的总光通量并记录环境温度；

4）改变环境温度，并使环境温度稳定。

5）重复步骤2）、3），得到互相对应的环境温度值和总光通量值。

进行线性拟合的步骤为：

1）以25℃时半导体照明产品的总光通量为基准，计算所有温度下半导体照明产品总光通量的归一化值；

2）以温度为自变量，总光通量归一化值为因变量，对总光通量归一化值和温度进行线性拟合。 

根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，包括：

以温度为变量

，总光通量归一化值为变量

，按照线性相关系数的公式计算出线性相关系数：

；

式中，

为测量次数，

；

为第

次测量时所得的温度值；

为

次测量得到的温度值的平均值；

为第

次测量时所得的光通量值的归一化值；

为次测量得到的光通量值的归一化值的平均值。

测量总光通量的过程较为复杂耗时，可将总光通量由某一轴线上、半导体照明产品等效成点光源的测试距离处的照度等效替代，测量时，只测量半导体照明产品在某一轴线上等效成点光源的测试距离处的照度值。

本发明还提出了一种半导体照明产品散热性能的非接触检测装置，包括置于暗室内的灯具座和总光通量测试系统、以及与总光通量测试系统相连的计算机，其特征在于：在灯具座外设置恒温控制箱，恒温控制箱内设置有温度探测器，待测灯具设置在灯具座上；恒温控制箱上设置有通孔。

本发明的有益技术效果为：

1）该方法没有孤立的看待半导体照明灯具的热性能、光输出性能，而是将光热统一起来，用光参数随温度的变化规律来表征半导体照明产品的热性能，更能反映灯具实际的工作状况，也更能反映半导体照明产品的散热性能。

2）本发明提出的检测方法和检测装置不受照明产品结构、参数差异的影响，在不改变或破坏照明产品结构的情况下，实现半导体照明产品散热性能的检测。

附图说明

图1、本发明的半导体照明产品散热性能非接触检测方法流程示意图；

图2、不同LED路灯散热器的实物照片；

图3、本发明的检测装置结构示意图；

图4、归一化总光通量与环境温度的关系曲线图。

具体实施方式

本发明的方案为：在不改变或破坏照明产品结构的情况下（也即非接触），通过改变环境温度，测量半导体照明产品在每个恒定温度下达到热平衡并且稳定后的总光通量，将具有对应关系的总光通量值和环境温度值进行线性拟合，根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，通过该线性相关系数量化产品的散热性能，线性相关系数越大，则半导体照明产品的散热性能越好。

所述的半导体照明产品是指利用半导体发光二极管作为光源，包括光源、驱动电源、固定和保护光源和电源的结构组件、以及必要的控制电路和连接部件组成的一整套以照明为目的的灯具产品。本发明的方法，在非接触的情况下，对半导体照明产品的整体散热性能进行检测，既考虑到了半导体照明产品中半导体发光芯片和器件部分的散热，又考虑到了灯具的电源发热、散热结构以及连接、封装等诸多变量对半导体照明产品散热性能的综合影响。

测量半导体照明产品的总光通量的步骤为：

1）调整环境温度至初始温度，并使环境温度稳定。

2）使半导体照明产品处于热平衡和稳定工作状态，即在15min内，总光通量或光强变化小于0.5%。

3）测量半导体照明产品的总光通量并记录环境温度；

4）改变环境温度，并使环境温度稳定。

5）重复步骤2）、3），得到互相对应的环境温度值和总光通量值。

进行线性拟合的步骤为：

1）以25℃时半导体照明产品的总光通量为基准，计算所有温度下半导体照明产品总光通量的归一化值；

2）以温度为自变量，总光通量归一化值为因变量，对总光通量归一化值和温度进行线性拟合。 

根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，包括：

以温度为变量

，总光通量归一化值为变量

，按照线性相关系数的公式计算出线性相关系数

：

；

式中，

为测量次数，

；

为第

次测量时所得的温度值；

为

次测量得到的温度值的平均值；为第

次测量时所得的光通量值的归一化值；

为

次测量得到的光通量值的归一化值的平均值。

测量总光通量通常需要对照明产品进行二维旋转，测量若干角度上的照度，然后求取总光通量，此测量过程较为复杂耗时，所以发明人考虑，将总光通量由某一轴线上、半导体照明产品等效成点光源的测试距离处的照度等效替代，测量时，只测量半导体照明产品在某一轴线上等效成点光源的测试距离处的照度值。

本发明用于半导体照明产品散热性能的非接触检测装置为：它包括置于暗室内的灯具座和总光通量测试系统、以及与总光通量测试系统相连的计算机，由计算机对总光通量测试系统进行操作，其改进在于：在灯具座外设置恒温控制箱，在恒温控制箱内设置温度探测器，温度探测器与计算机相连，温度探测器将恒温控制箱内的温度值实时输出到计算机，待测灯具设置在灯具座上；在恒温控制箱上设置通孔，待测灯具发射的光通过通孔照射到总光通量测试系统的感应区（即光度探头），由总光通量测试系统进行测量并输出到计算机。总光通量测试系统包括光度探头和照度计，光度探头、照度计和计算机顺次相连。

实施例：

为了比较半导体照明产品的散热性能，本实施例中选取如图2所示的5种不同散热结构的LED路灯灯具样本A、B、C、D、E进行对比实验。

将待测LED路灯灯具安装于图3所示的灯具座上，利用恒温控制箱调整环境温度至初始温度T0，并使环境温度稳定。

使LED路灯灯具处于热平衡和稳定工作状态，若在15min内，总光通量或光强变化小于0.5%，就可以开始检测了。

完成一次检测后，改变环境温度，并使环境温度稳定，并等待LED路灯灯具处于热平衡和稳定工作状态，进行第2次测量，如此反复，获得多个照度的测量值和环境温度值以及它们的对应关系。

具体测量时，还可以采用基于光强积分法来测量灯具的初始总光通量，只需将灯具座设计成可进行二维转动的结构，即可实现LED路灯灯具俯仰和水平两方向的空间二维旋转，在足够多的测试平面上（10°）以足够小的角度步距（5°）测量LED路灯灯具在各个空间方向上的光强，然后利用数值积分的办法计算出LED路灯的总光通量。亦可以固定LED路灯灯具，用光度计记录中心光轴上的照度值，用照度值等效替代总光通量。

计算出的归一化总光通量与环境温度的线性相关系数，如表1所示：

表1  LED路灯灯具样本线性相关系数表

对比图2所示的不同结构的散热器、图4所示的归一化总光通量和环境温度的关系曲线以及表1所示的线性相关系数，线性相关系数高的灯A和灯B采用的散热方式和后面线性相关系数较低的C、D、E三盏灯散热方式显著不同，A、B均为独立模块化、透空型设计，散热性能优越；灯C和灯D两者的相关系数很相近，这两盏灯散热结构和外形几乎一致。灯E的相关系数最低，这盏灯虽然采用了翅片式散热结构，但是翅片较厚而且很浅，与灯C和灯D有明显差异。由此可见相关系数能够如实的反映LED路灯散热结构，并且线性相关系数越大，则半导体照明产品的散热性能越好。因此半导体照明产品总光通量与环境温度的线性相关程度可以量化半导体照明产品的散热性能，从而实现其散热性能的有效检测。

Claims (7)

1.一种半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：在不改变或破坏半导体照明产品结构的情况下，通过改变环境温度，测量半导体照明产品在每个恒定温度下达到热平衡并且稳定后的总光通量，将具有对应关系的总光通量值和环境温度值进行线性拟合，根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，通过该线性相关系数量化产品的散热性能，线性相关系数越大，则半导体照明产品的散热性能越好。

2.根据权利要求1所述的半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：所述的半导体照明产品是指利用半导体发光二极管作为光源，包括光源、驱动电源、固定和保护光源和电源的结构组件、以及必要的控制电路和连接部件组成的一整套以照明为目的的灯具产品。

3.根据权利要求1所述的半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：测量半导体照明产品的总光通量的步骤为：

1）调整环境温度至初始温度，并使环境温度稳定；

2）使半导体照明产品处于热平衡和稳定工作状态，即在15min内，总光通量或光强变化小于0.5%；

3）测量半导体照明产品的总光通量并记录环境温度；

4）改变环境温度，并使环境温度稳定；

5）重复步骤2）、3），得到互相对应的环境温度值和总光通量值。

4.根据权利要求1所述的半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：进行线性拟合的步骤为：

1）以25℃时半导体照明产品的总光通量为基准，计算所有温度下半导体照明产品总光通量的归一化值；

2）以温度为自变量，总光通量归一化值为因变量，对总光通量归一化值和温度进行线性拟合。

5. 根据权利要求1所述的半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：根据拟合结果计算出总光通量和环境温度的线性相关系数，包括：

以温度为变量，总光通量归一化值为变量

，按照线性相关系数的公式计算出线性相关系数

：

；

式中，

为测量次数，

；

为第

次测量时所得的温度值；

为

次测量得到的温度值的平均值；

为第次测量时所得的光通量值的归一化值；

为

次测量得到的光通量值的归一化值的平均值。

6.根据权利要求1、3所述的半导体照明产品散热性能的非接触检测方法，其特征在于：所述总光通量可由某一轴线上、半导体照明产品可等效成点光源的测试距离处的照度值进行替代，测量时，只测量半导体照明产品在某一轴线上可等效成点光源的测试距离处的照度值。

7.一种半导体照明产品散热性能的非接触检测装置，包括置于暗室内的灯具座和总光通量测试系统、以及与总光通量测试系统相连的计算机，其特征在于：灯具座外设置有恒温控制箱，恒温控制箱内设置有温度探测器，温度探测器与计算机相连，待测灯具设置在灯具座上；恒温控制箱上设置有通孔。 

Images