智能交通摄像机工作热稳定性改善技术方案

王 扬1，高 博1，李跟宝1

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

作者简介：王 扬（1991－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，动力工程专业。

高 博（1990－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，动力工程专业。

李跟宝（1972－），男，长安大学汽车学院副教授。

摘 要：实践表明，较高的工作温度会影响相机的成像质量，甚至会导致相机发生重启的故障。为了提高其工作的热稳定性，基于热阻在散热性能方面的重要性，采用实验的手段模拟实际相机的工作情况，用两块不同底厚的散热器进行对比实验，以此探索接触间距对接触热阻的影响规律。结果表明，接触热阻随着接触间距增大而增大。这为找到降低相机DSP芯片温度的方法，降低智能交通相机的工作热负荷、提高相机的工作可靠性以及工作稳定性提供理论基础。

关键词：散热器；接触热阻；接触间距

Abstract：High working temperature will affect the imaging quality of the camera，even lead to cameras reset in Practice．In order to improve the stability of the work，we need to do the following work．Based on the importance of thermal resistance in heat dissipation，we should adopt the means of experiment simulation of the actual camera working situation，comparing with two different bottom think piece of radiator experiment，to explore the influence of contact distance between the contact thermal resistance．The results show that the contact thermal resistance will increases as contact spacing increases．This will provide the theoretical basis to find a way to lower the DSP chip temperature in the camera，reduce working heat load of the intelligent traffic camera and improve the working reliability and stability of the camera．

Key words：The radiator；The contact thermal resistance；contact spacing

1 引言

随着现代化设备的智能化日趋完善，例如相机的设备的工作热负荷也逐渐超过了电子芯片的承受能力。因此，如何降低芯片热负荷，改善设备的工作环境，从而使智能化设备高效稳定的工作已经成为电子散热工程师的首要课题。

目前市场上的热管理模式多种多样，除了常规的自然对流冷却和强迫对流冷却外，微电子芯片冷却技术还包括固体制冷冷却、液体制冷冷却和气体制冷冷却等三大类。液体制冷冷却技术主要有直接液冷冷却、雾化喷射液冷冷却、热管冷却、微槽道冷却、射流冷却等技术，固体制冷冷却主要为半导体制冷冷却技术和热电离子冷却等技术，气体制冷冷却主要有合成微喷冷却、热声冷却和气体节流制冷等技术。以上这些微电子芯片热管理系统有些已经广泛应用在各种设备中，而有些发展还不太成熟，依然停留在实验阶段甚至理论研究阶段。

目前智能交通系统迅速发展，高清智能相机的智能化程度越来越高，随之而来的主要问题之一就是相机智能化核心部件数字信号处理器（DSP）的发热功率过高，导致图像质量下降甚至系统出现死机和重启等不良现象。实践表明，较高的工作温度会影响相机的成像质量，甚至会导致相机发生重启的故障。如何将设备产生的大量热量散发出去，这是交通相机在复杂多变的外部条件下能够可靠、稳定工作的保证。

研究发现相机的热量主要是来自微小处理器，而热量的产生主要是由于热阻的存在，本实验主要是用DSP芯片和散热器来模拟实际相机的产热、散热情况，接触面的几何形貌、载荷情况、温度条件、材料特性以及界面接触情况都是影响接触热阻的因素。许多研究者在研究影响接触热阻的时候都将接触间距这一因素忽略不计，这主要是因为在许多的接触表面中，接触间隙的高度相对于接触表面的尺寸非常小，与此同时，由于接触间隙处充满了空气，而空气的导热率非常低，所以在这种情况下，研究者认为忽略间隙处的流体热传导、辐射传热和对流换热是合理的。在大量的实验观察过程中，我们发现：当两个物体相互接触时，改变它们之间的接触间距，实验得到的接触热阻也随之发生了变化。既然有影响，那么我们就需要进一步研究接触间距是如何影响接触热阻，接触间距和接触热阻之间存在这怎样的函数关系，二者之间的影响规律如何，最后得到什么结论。

为了解决这些问题，我们通过自制的接触热阻实验装置来进行模拟仿真智能交通高清数字摄像机的散热过程，通过实验得出相关数据，再分析该数据得出相关结论。

2 结合面接触热阻

在本实验中，铜片和散热器相互接触，虽然从宏观的角度来看，他们之间是完全接触的，但是实际的应用中大多需要从微观的角度看待问题，实际上，从微观角度来看结合面都是凹凸不平的，其接触面只是一些略微高于基准面的一些点相互接触并且形状发生改变，这就会导致凹凸点其他处产生间隙，这些间隙会因此充满空气或其他介质。因为空气的导热系数比金属材料小，所以在铜片和散热器的接触面之间就会产生对热流的阻力，从而造成温差。像这样在两物体的接触面处产生对热流的阻力叫做接触阻力，而接触热阻的阻力相对于零件本体内对热流的阻力更大，对温度的影响更加显著。

在热分析当中，接触系数hc反应了接触热阻对热流的影响规律。在忽略缝隙间的辐射传热的情况下则：

在上式中，Lg表示间隙的高度，A表示理论接触面积，Ac表示实际的接触面积，Av表示间隙的面积，k1、k2、kr分别表示两个接触物体和间隙中介质的导热系数。Ac／A、Av／A分别表示接触面上无量纲接触面积与无量纲间隙面积。物体接触面的接触系数越小，则空隙处对热流的阻力就越大，那么接触面两边的温差就越大；相反，温差就会越大。

在上面的式子中，Ac／A、Av／A、Lg这些数值是在微观的角度上表示两物体接触面的接触情况。由于传统的方式都是以粗糙表面外形尺寸为基础来定量化统计结果，这样的方式没有尺度独立性，此结果与仪器的精密程度，试样的大小等因素有关，为了消除这一影响，试验中采用具有尺度独立性的分形接触模型。

3 实验设备与实验过程

3．1 实验装置

实验装置如下面图1所示。在我们所设计的实验装置中，我们主要是通过加热片的方式来模拟相机中微处理器中电子芯片的散热，我们把一个均匀地安装数个热电偶的铜片放置在加热片的正上方，把散热器固定在绝热的电木块上面，同时，加热片铜块的上表面和散热器的下表面相互接触，在铜块的中间用导热硅胶固定电加热器，通电之后，加热器所产生的热量就会通过热传导传递到铜块的上表面，以此模拟实际情况下的芯片产热散热情况，为了保证在实验的过程中，铜块产生的热量主要是通过散热器散出，我们把铜块埋在电木的中间坑中。利用虚拟实验台模拟实际相机的工作情况，其基本原理如下：

两只不同功率的加热电阻用于加热铜块，以模仿相机芯片实际工作时的发热情况；电木用于保持加热电阻发出的热量，以保证热量均从辅助散热器一端散出；利用稳压源准确测出流入加热电阻的电压及电流，以便推算电阻的实际发热功率。

图1 实验装置图

图2 加热电阻

实验装置说明：

亚克力木箱：用于稳定工况，便于观测流场的变换情况；加热电阻：用于模拟实际芯片工作的热负荷，如图2所示；电木：用于保温，保证芯片的稳定从散热板散出。

此实验是在理想的环境下忽略较小因素的影响，而实际相机的工作环境十分复杂，所以具有一定局限性，但仍能反应接触间距这一较大因素对接触热阻的影响规律。

3．2 实验过程

在这个试验中我们主要是通过电压来控制加热片的功率，使用2块底面厚度不同的铝制散热器，第一块散热器底面厚度为0．6mm，第二块散热器底面厚度为0．3mm。本实验主要的两个测试方法：第一，当给一额定功率时，测试这两个不同的散热器的实际散热效果；第二，当功率改变时，测试这两个散热器达到稳态所需要的时间。主要测量的物理量是铜块中心的温度T。

3．3 实验测量原理

利用PT100型热电阻和8路多通道温度巡检仪测量，巡检仪如下图图3所示。其优点是：方便测量，经过校对准确性高，是一种常用的温度测量手段。缺点是：不能实现实时记录，无法自动绘制温度变化曲线，不能直观反应温度变化趋势。

图3 8路多通道温度巡检仪测量

图4 基于Labview平台的虚拟仪器温度采集系统

基于Labview平台的虚拟仪器温度采集系统，如图4所示。其优点是可以对被测参数进行实时采集，可以自动将数据保存成表格输出，也可以灵活转变成各类仪表，有效降低实验成本。但也有缺点，它需要有一定的labview的基础，对使用者提出更高的学科交叉应用能力，并且前期投资较高。

3．4 实验目的

通过实验仪器所测得的数据，对比分析不同底板厚度的散热器（也就是散热器与芯片之间的间距不同）在一给定的功率条件下所达到的稳态温度研究这两个散热器的实际散热效果，以及在变功率的条件下达到稳态的时间，来研究接触间距对接触热阻的影响，获得二者之间的影响规律。以达到降低智能交通相机的工作热负荷、提高相机的工作可靠性以及工作稳定性的目的。

4 实验结果与分析

本文对种不同底厚散热器（0．6mm散热器与0．3mm散热器），分别在加热片功率即热负荷为不同功率时（大铜块与小铜块中加热片分别为4W与5W、6W与7W、8W与9W），对散热器的散热效果进行研究，比较不同底厚散热器铜块温度的变化以及温度达到稳态的温度，从而获得不同接触间距对接触热阻的影响规律。

图5 定功率时散热器的温度变化

4．1 折线图分析

图5的a和b是在定功率的条件下（大铜块小铜块8W、9W与6W、7W）观测这两个不同散热器的散热情况，从图中我们可以看出，在曲线的刚开始阶段，曲线先是直线上升，然后趋于平缓，最终稳定，这主要是由于刚开始加热时（相机刚工作），温度迅速上升，当生热（芯片产热）与散热（散热器散热）慢慢达到平衡时，温度也就会稳定在一数值附近，即稳态状态。还可以看出，在相同的功率加热的情况下，底厚散热器的相机不同热负荷区域的温度都比底薄散热器的温度高，即前者散热性能差，也就是说前者热阻更大，即接触间距变大引起接触热阻增大。从图a与b中看出，在相同的功率加热的情况下，比较同一个散热器上的两个不同铜块温度曲线（相机中在不同的热负荷情况下的热状态），其变化的程度基本相同。

图6与图7分别表示了两种不同散热器中大小铜块在变功率的条件下达到稳态时的温度，可以从中看出这两个不同的散热器随着功率的增加，稳态温度也随之而增加，大小铜块温度模仿的是相机不同的热负荷区域，比较同一个散热器不同铜块（不同热负荷区）发现温度变化的速率大致相同，说明热负荷大小不同同一散热器散热性相同，而不同底厚的散热器模仿接触间距，那么可以得知，底厚的散热器稳态温度比底薄的散热器高，也就是说前者散热性能比后者差，那么前者的热阻比后者大，而两者只有接触热阻不同，而接触热阻可以有前面所提到的结合面接触热阻的理论，也就是说接触间距变大，接触热阻随之增大，这主要是由于散热器底厚，即接触间距增大，而空气的导热率较低，从而增大了传热过程中的热阻，使散热器性能变差。

图6 变功率小铜块稳定温度

图7 变功率大铜块稳定温度

4．2 柱状图分析

图8 薄底散热器比厚底散热器下降程度

整理实验数据后做出上图，从图中我们可以看出两块不同的散热器在不同功率时，大小铜块散热效果的比较，在大铜块里的加热片为4W、小铜块里的加热片为5W时，其在薄底散热器比厚底散热器的稳态温度分别低10．32％、8．15％，以此类推，在6W，7W时分别为9．12％、2．38％，在8W，9W时分别为2．41％、8．07％，这说明前者散热器的效果好。大铜块随着加热片功率的增大温度下降的程度由10．32％下降至2．41％，而小铜块随着加热片功率的增大，从8．15％下降至2． 38％然后又增大到8．07％，这说明散热器的散热效果与功率的大小有关系，并且存在一个功率，在这个功率时，散热器的效果将达到最佳状态。

5 实验结论

（1）实验中散热器的散热性能随着接触间距的增大而变差，即接触热阻随着接触间距增大而增大。

（2）实验中加热片的功率（热负荷）对热阻的影响很小，在同一条件下，热负荷增大会使热阻略微增大，从而使换热性能略微降低。

（3）热负荷的大小对散热器的散热效果有影响，并且存在一功率，此时散热器的散热效果达到最佳状态。

参考文献

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