照明灯具温度场分布测量与研究

李思雪，李江荣，张 慢，杨 苗，李梦苏，马权红

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

【倍蕾园地】

照明灯具温度场分布测量与研究

李思雪，李江荣，张 慢，杨 苗，李梦苏，马权红

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

照明灯散热是衡量其质量与安全性的一个重要性能指标。文章利用自主设计的多点智能温度测量装置对某型号40 W白炽灯周围温度分布进行了测试与研究。结果表明：在灯泡周围20 cm的范围内灯泡温度变化梯度比较大，超过20 cm，温度趋于恒定值。此外，利用数学拟合的方法研究了温度分布与距离的关系，发现温度分布与距离成反比。研究结果可对日常生活中灯具的安全使用提供参考与指导。

多点智能测温装置；温度分布；数值拟合；灯泡

日常生活中，人们对电的使用涉及各个方面，照明便是其中最普遍的一种。相应地，照明灯具的设计和使用成为人们关注的问题。特别地，对于一些大功率的照明灯具如果设计不合理或者使用不当，其散热能力就会变差，一方面造成电能的浪费，另一方面会发生不安全事故。因此，准确测量照明灯具周围温度场的分布，对节约电能和生活安全有非常重要的意义。本文利用自主设计的多点测温装置，对某型号照明灯具周围温度场的分布进行了测试与研究，并用数值拟合的方法给出了照明灯具周围温度分布与距离的关系。研究结果对照明灯具的设计与使用有一定的现实指导意义。

1 照明灯具的分类及工作原理

(1)白炽灯。白炽灯的工作原理是：电流通过灯丝产热，随着时间的延长，灯丝温度就会升高，当灯泡达到白炽状态时，灯泡就会发出光来。灯光愈亮，说明灯丝的温度愈高，故称为白炽灯。它发光时，电能大部分转化为热能，而极少部分才转化为光能。白炽灯的寿命由灯丝温度决定，温度越高，灯丝就越易升华。升华会使灯丝变细，一定程度后，通电就很容易使之烧断，灯泡就会被烧坏。

(2)荧光灯。荧光灯又叫日光灯，主要组成部分包括镇流器、灯管、启辉器。它的工作原理是：通电后，有电流产生，电流产热，启动器中的两触片热涨突变，电流自感，瞬间，镇流器就产生高压，灯管内气体就会被导通，气体被导通就会发光。这种灯将大部分的能量转化为紫外光，另一少部分能量则转化为热能，相对于电灯泡的能量转化率，日光灯的转换率为电灯泡的2倍。

(3)节能灯。节能灯又称紧凑型荧光灯，它的效率一般是白炽灯的5倍，其优点是体积小巧，方便使用，热辐射耗能少，仅有20%以热能的形式被散发。它的工作原理与日光灯相同。

(4)LED照明灯。LED也称之为发光二极管，它具有节约能量、减少污染的作用，因此，被人们称作绿色照明灯。它的工作原理为：电流通过晶片时，量子阱中会进来电子和空穴，当在量子阱内电子和空穴结合时，就会有能量产生，这种能量以光子的形式表现出来，从而达到照明的效果。

2 温度传感器

2.1 温度传感器的发展

传感器就是可以感受到外部的信号并把这些信号按照一定的规律转化成可以直接使用的信号的仪器。[1-2]通俗地说，传感器就是可以把外部的信号转化为电信号的装置。所以传感器一般分为两部分：一是信号感知部分，二是信号转换部分。

现在，以半导体作为敏感元件的温度传感器技术已经应用到各个领域。[2-4]生活中常用的温度传感测量仪器有两种：单点温度测量仪和多点温度测量仪。单点温度测量仪是用传统的模拟集成温度传感器[1]制作而成。比如，热电阻、热电偶等传感器，它们精度高，测量范围广，分辨率高，其本身配带LED显示模块，有的还有存储功能。多点温度测量仪可以同时多点进行温度测量。测温装置在工业和农业中的需求量比较大，但是相对而言，多点测温装置的成本高，对环境的要求也比较高。

最早把温度模拟信号转换为数字信号的是热电偶传感器。[5]其次，是把铂电阻作为传感器的温度计。从21世纪初开始，随着半导体技术的发展，世界上相继出现了PN结集成温度传感器[6]和半导体热电偶温度传感器。[6]而且，利用物质与波相互作用理论，人们还制造出了红外传感器、声学传感器、波传感器等。21世纪末，出现了数字温度传感器，它是计算机、自动测量和微电子三大技术相结合的产物。[7]利用相关软件技术，数字温度传感器可以将数字量和相对应的控制量以极高的准确度输出。

2.2 温度传感器的分类

温度传感器按照工作物质可以分为四类[8]，分别是：热敏电阻、电阻温度检测器、热电偶和IC温度传感器。而IC温度传感器又可分为两种，分别是模拟输出传感器和数字输出传感器。

电阻温度检测器：精度高，性能稳定，装置类型比较多。但它们的最高工作温度大约为400℃，其价格是热电偶的4～10倍，且还需要一个外置参考源。

热电偶：应用范围广，原因是它的性能稳定，价格便宜，种类繁多，而且所测量的温度范围大，从200℃到2 000℃。它们的不足之处是：灵敏性不好、稳定性较差、精度一般、反应速度慢、高温下易老化，同时变化没有规律。另外，热电偶还需要外部参考源。

模拟输出IC温度传感器：线性度高、体积小、高精度、使用方便、分辨率高。不足之处是测量温度范围比较窄(均在-55℃～125℃)，而且需要外置参考源。

图1 DS18B20的外形及引脚DQ是数字信号输入/输出端；GND是电源地；VDD是外接供电电源输入端

数字输出IC温度传感器：带有内部参考源、响应速度快，它们会自身发热，通过自动操作让其在需要使用之前把IC设置为低耗能状态，从而将自身发热降到最低。数字式传感器与模拟式温度传感器相比，有可靠性、抗干扰能力强的优势。但是受半导体性能的影响，它又有一些不足之处。它们的不足之处在于：(1)数值是传感器敏感元件的温度值，这就需要使用时使温度传感器处于良好的空间中，以确保准确性，但由于敏感元件的限制，还是会存在一定的误差。一般来说，测量结果要比真实值稍微小一些；(2)测量温度范围比较窄(均在-55℃～125℃)；(3)数字式传感器输出的数据有一定的非线性[9]的函数关系，通过一定的程序可以进行矫正[10]，宜在常温环境下使用，不适合用于温度比较敏感或者环境很差的工作状况；(4)数字式温度传感器价格昂贵，一定程度上限制了其应用范围。

2.3 温度传感器(DS18B20)模块

DS18B20是一种数字温度传感器芯片[11]，如图1所示。它有两种类型：一种是3脚TO-92封装的；另一种是8脚SOIC封装的。温度传感器DS18B20有许多优点，比如，体积较小，方便使用，精确度高，工作更加稳定，而且可以与大多数单片机连接。特别是它可以直接将温度信号以数字量输出并能够供处理器处理 ，可编程的温度分辨率最小为0.062 5℃。温度传感器DS18B20的电源既可以从远处引入，也可把电源寄存。我们使用的温度传感器是3脚TO-92封装的DS18B20传感器。

3 测温方案

我们利用DS18B20温度传感器与C51单片机连接，自制多点温度测量装置。

3.1 测温目标

以PHILIPS某型号照明灯具为研究对象，对其周围约30 cm范围内温度场的分布进行研究。测量温度时为了提高实验精度，尽可能达到同时多点测得灯泡周围温度值，减少环境对实验值的影响，可以通过对变量的控制来达到该效果。

3.2 多点温度测量功能要求

(1)能同时测量多点温度值；(2)精度0.001℃；(3)能够通过显示器显示测量点编号和温度值；(4)可同时显示各测量点温度值。

3.3 多点温度测量设计

多点温度测量系统的结构如图2所示。根据实验要求，整个结构图包含以下四个部分：按键、51单片机、多个DS18B20测温模块、显示模块。其中，显示模块主要采用显示信息量大、效果好、使用方便的LED液晶显示器。

图2 多点温度测量系统的总体结构图

图3 DS18B20 的TO-92封装

图4 实验电路图

系统处理时，由51单片机控制从各个测温模块测量出温度数字量，根据数字量与温度的关系计算出温度值，送至LED显示器显示。

4 温度采集模块

4.1 多点测温装置

这一部分主要是对温度采集工作进行说明。DS18B20在这个多点测温装置中的作用是采集温度，它可以由自身的转换功能使目标测量值由采集到的温度信号直接转换。通过单片机接口与单片机相连，最后与显示电路相连，显示电路显示DS18B20采集到的温度值。考虑到DS18B20的结构，它组成的温度采集装置具有体积小、方便使用、集成高、抗干扰能力强、采集电路简单、远距离测温时误差小的特点。本次设计用TO-92封装, 如图3所示。

4.2 多点温度测量电路及温度测试流程

图5 温度测试子程序流程图

多点温度测量装置设计电路图[3,12]如图4所示。DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但实际应用中，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。在图4中使用了一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件(主程序)，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件(子程序)，它是用来完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。

下面主要对温度测试子程序的流程图做一介绍，如图5所示。温度测试程序：单片机P1.4端口接收温度芯片送过来的数据，通过对接收的温度数据的处理，进行判断和显示。

根据图4电路图，考虑到采集数据方便，同时结合实验条件，研究组制作的多点测温实验装置如图6所示。

5 灯具周围温度分布测量及结果分析

5.1 实验步骤

选取大纸板，在纸板中央确立一圆心，做出半径不同的同心圆，如图6所示。待测灯具放置在圆心处；根据实验需求把温度传感器探头分别放置在半径不同的圆环上；记录不同时间间隔、不同半径圆环上的温度值；进行数据处理和分析，得出结论。

图6 电路实物图

5.2 实验数据

按照5.1实验步骤，得到的实验数据见表1至表4，其中：表1至表3为原始数据，表4 为它们的平均值。

表1 原始实验数据

表2 原始实验数据

续表2

时间/min距离5cm处的温度/℃距离10cm处的温度/℃距离15cm处的温度/℃距离20cm处的温度/℃距离25cm处的温度/℃距离30cm处的温度/℃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 原始实验数据

对以上3个表格数据求平均值，得到表4。

表4 取平均值后的实验数据

5.3 根据数据制作出函数图

根据表4中的数据，我们给出了灯具周围温度随时间变化的曲线，见图7。从图中可以看出，我们所设计的测温装置能明确分辨出半径为20 cm的空间区域内温度梯度的变化规律，即半径越小其温度变化越明显。测温距离大于30 cm时，测得的温度变化不明显，反映在图7中为温度随时间的变化曲线趋于直线。特别地，从图7中可以看出，当测量时间大于8 min后，不同半径所测得的灯泡温度趋于一系列的恒定值，这说明此时灯具周围的温度场分布已经趋于稳定。

图7 不同半径处温度随测量时间的变化

图8 t=10 min时，温度分布随半径的变化

为了研究灯具周围温度场的分布，我们在温度场分布趋于稳定时测量了灯泡周围温度，它随半径的变化曲线如图8所示。图中给出的是测量温度时刻为t=10 min时，温度随半径的变化曲线。从图8中可以看出，在t=10 min时，灯泡周围温度随着半径的增加逐渐减小。当距离大于20 cm后，变化非常缓慢，最终趋于稳定值(该稳定值和实验时环境的温度相同)。该实验结果和我们的日常经验相吻合，即离灯泡越远，温度梯度越小，测量越趋于环境温度。我们对图8中的数据进行了拟合，得到温度与距离的函数关系为：

y=52.860x-0.311 4。

(1)

其中：x对应于测温距离，y为温度。

由(1)式我们知道，灯泡热辐射与距离成反比，如图9所示。这说明，灯具热辐射以测量原点为中心，以球面波的形式向外辐射。

图9 数据拟合曲线图

6 结论

利用自主设计的多点测温装置，我们对某品牌功率为40 W的照明灯具周围温度场进行了测量与研究。结果表明，在灯泡周围20 cm的范围内温度变化梯度比较大。超过20 cm的范围，所测量的温度变化不大，基本趋于环境温度，这可以被认为是该型号灯具的安全使用距离。利用数值拟合的方法，我们得到温度分布与距离的关系为y=52.860x-0.311 4。研究结果对日常生活中安全使用灯具和提高能源利用提供了参考。

(指导教师 张修兴，雷能芳，肖令禄)

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[2] 郝芸,梅晓莉.传感器原理与应用[M].第2版.北京：电子工业出版社,2013.

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[4] 谢维成,杨家国,董秀成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].第3版.北京：清华大学出版社,2014：208-361.

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【责任编辑 牛怀岗】

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

全国大学生创新创业训练计划项目：不同形状LED灯温度场的测定与模拟(201510723656)

李思雪(1992—)，女，陕西渭南人，渭南师范学院数理学院2013级本科生。