實驗儀器

第三章研究方法

3.1 實驗儀器

本研究所使用到之儀器包括紅外線熱影像儀、紅外線熱影像軟體、勾表、三用電錶等：

1. 紅外線熱影像儀：為本研究主要使用儀器，其原理、功能及規格於 3.1.1 及 3.1.2 章節將做較詳細之介紹。

2. 勾表：具電流量測功能，主要用來確認電氣設備之負載。

3. 三用電錶：可用作電流、電壓和電阻之測量，可輔助電氣設備異常原因之確認。

4. 紅外線熱影像軟體：MIKROSPEC 軟體，可用來分析及處理紅外線熱影像檔案，例如擷取單點、選取區域之溫度資料，轉換熱影像檔案格式及製作檢測報告等功能。

3.1.1 紅外線熱影像儀原理及分類

自然界任何物體在絕對溫度(0 K 或-273℃)以上，即存在內部能量(Internal Energy)，並輻射出電磁波，紅外線是一種電磁波，波長介於 0.75m~1000m 之間，紅外線熱影像儀可利用被檢設備輻射的紅外線，直接「看見」設備熱分布情形，因此能在無接觸的情況下檢測出正在形成的異常，進行設備過熱故障的診斷。

紅外線熱影像儀大致可依照紅外線來源、冷卻系統、感測器形式之不同進行分類。

紅外線熱影像儀的分類方式包括：

1. 依照紅外輻射信號來源分類：可分為主動式和被動式兩大類。

主動式紅外熱成像是以紅外輻射源去照射目標，再利用被反射的紅外輻射生成目標的熱圖像，如圖 3.1 所示。

圖3.1主動式紅外成像原理資料來源：王伯雄等，2006

攝像機監視器

紅外光源

被測物

而輻射出電磁波。隨著溫度的不同，其所輻射電磁波之強度與波長分布特性亦隨

PRE AMP Signal Processing

External I/F

View Finder Memory Card

IEEE1394 IR Lens：此鏡頭僅容許紅外線通過，材質：Germanium(鍺)

CCD：用來顯示可見光影像 UFPA：紅外線訊號偵測器

PRE AMP：將偵測器所擷取的電氣訊號放大

Signal Processing：將紅外線訊號轉換成為溫度訊號 CPU：執行控制及調整所有控制單元

External I/F：外部輸入/輸出介面 View Finder：顯示熱影像

測元件並配合機械掃描方式讀取熱像訊號。單獨感測元件之偵檢器必須利用二維雙軸之光學掃描器產生熱像畫面，而線列偵檢器則必須使用一維單軸之光學掃描器產生熱像畫面。這類偵檢器畫面顯示速度較慢，而且有體積大、耗電、可靠度較低等缺點，掃描方式如圖 3.3。

非掃描成像系統，例如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀。焦平面熱像儀所使用之探測器如圖 3.4，於焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠處發射的紅外線經過光學系統成像在系統焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉換為電信號並進行積分放大、採樣保持，通過輸出緩衝和多路傳輸系統，最終送達監視系統形成圖像。此種型式之熱像儀的解析度及靈敏度較高，體積輕薄短小、可靠度高。

1.單掃 2.並掃

3.多元串並掃 4.SPRITE串並掃

圖3.3 光機掃瞄系統的掃描方式資料來源：葉玉堂等，2005

資料來源：JAMES W. BELETIC，2007

3. 依冷卻方式分類：冷卻型、非冷卻型

冷卻型的熱像儀一般使用光子型感測器(photon detection)，利用窄能隙感材料吸收紅外線輻射，經光電轉換產生電洞對，引起材料電性改變，藉以感測紅外線，這種感測器對溫度的變化非常敏銳，但必須在極低溫環境下操作，才能維持感測器的高靈敏度，因此使用這型感測器的紅外線熱像儀，需使用史特林致冷器(Stirling cooler)、液態氮、高壓氬氣..等進行冷卻。在 3~5μm 波段中常見的有 PrSi(矽化鉑)、InSb(銻化銦)、MCT(汞鎘碲)，8~12μm 波段中常見的有 MCT(汞鎘碲)、QWIP(量子井紅外線光感測器)。

非冷卻式熱影像儀則是使用熱感測器(thermal detection)，係藉由吸收紅外線的熱量改變感測元件的溫度，從而改變元件的電氣特性，來達到偵檢紅外線的目的，其響應與表面材料輻射吸收率有關。熱感測器不像光子感測器那麼靈敏，

但在室溫下仍然能夠將性能維持在一定的水平，因此儀器可以不需進行冷卻，所以又稱為室溫型紅外線熱影像感測器。但元件的結構設計必須在元件與環境間提供良好的熱隔絕，且選用的感測材料必須具有高的溫度-電氣特性變化係數，使微小的溫度變化即能產生相當高的電氣特性變化。目前微機電技術已發展成熟，因此成本低，性能不錯的熱型感測器，已漸漸獲得重視。

通常熱型的紅外線感測器依照感測機制來區分，可分為熱電式

（thermoelectric）、熱阻式(resistive bolometer)、熱氣動式（Golay-cell）、

焦電式（pyroelectric sensor）紅外線感測器。熱型感測器依其感測原理與性質

資料來源：www.itcnewsletter.com/Newitc/ir_primer.htm

3.1.2 紅外線熱影像儀介紹

本研究所使用之紅外線熱影像儀係由 NEC 製造，為一非接觸式及高靈敏度之紅外線放射溫度計。被量測物體所放射的紅外線射線被接收，並且以二維非冷卻式平面陣列感測器轉換成為電氣訊號，此類比訊號被放大後再轉換成為數位訊號，最後此數位訊號以彩色或黑白的方式被顯示在螢幕上，紅外線熱影像儀及其規格請參閱圖 3.6、表 3.2。

圖3.6 紅外線熱影像儀外觀 CCD 可見

光鏡頭紅外線鏡頭

LCD顯示 觀景器

設備本體操作按鈕

表 3.2 紅外線熱影像儀規格

量測範圍範圍一：-20 到 100°C；範圍二：0 到 250°C 量測解析度 0.06°C at 30°C, 60Hz

精確度 ±2°C 或 ± 2% 讀值 (取較高者) 頻譜範圍 8 到 14μm

IFOV(瞬時視野) 1.2 mrad 對焦距離 30cm 到無限遠

FOV(視野) 21.7° ± 5%(H) x 16.4° ± 5% (V) 螢幕更新時間 60 畫面 / sec

熱影像畫素 320 (H) x 240 (V) 畫素 A/D 解析度 14 bits

環境溫度補償功能提供 (包括 interval NUC) REF 校正及外部校正提供

Lens 補償提供(Auto)

環境補償功能提供(使用者輸入距離、環境溫度、環境溼度)

背景補償提供

操作溫度/溼度 -15 到 50°C, 90%RH 或以下(非結露狀態) 儲存溫度 /溼度 -40 到 70°C, 90%RH 或以下(非結露狀態) 電源供應 AC 變壓器 : 100V 到 240V, DC 7.2V (額定) 衝擊及震動防護等級 294m/sec2 (IEC60068-2-27)，

29.4m/sec2 (IEC60068-2-6) 環境防護 IP54 (IEC60529)

度分布狀況。將所測得之溫度值與該設備或元件之最高容許溫度、溫度上升限度及設備之相對溫差值進行比較，以找出設備故障之部位及決定電氣設備維修保養時程。並利用設備溫度分布狀況、溫度值及設備負載狀況，初步判定電氣設備異常原因。

最後利用魚骨圖分析、風險值估算等風險評估方式，提出製程機台電氣設備異常原因、預防對策及進行預知保養之建議。

3.2.1 檢測流程

進行電氣設備預知保養前，應先擬定保養計畫，以避免漫無目的進行，徒然造成人力、物力的浪費，及造成檢測時機的延誤。

為了使電氣設備預知保養的工作能獲得最佳的效益，預知保養工作的進行應依照 P、D、C、A 的循環管理方式，依據檢測所回饋之訊息，修改檢測目標及頻率，逐步調整至最適化。使用紅外線熱影像儀進行電氣設備預知保養之流程如圖 3.7 所示，以下將分別說明個各流程之作業內容及注意事項。

調查統計所需檢測設備數量

(2). 選擇優先檢測對象及訂定檢測頻率

意事項，以利後續資料比對及資料庫之建立。表單格式可參閱表 3.3、3.4。

(2). 受檢設備外部之遮蔽物會增加檢測及診斷工作之困難度，在不影響安全的前提下，應儘量卸除。如圖 3.8，紅色方框圈選處為被壓克力板遮蔽之部位，

設備溫度會因被遮蔽而失準，甚至無法清楚看出物件形狀。

圖3.8 遮蔽物影響量測結果說明

(3). 紅外線熱影像儀需於機台稼動運轉之狀況下，方可進行檢測。若機台於停機、待機或於維修保養..等狀態，則熱影像儀所測溫度數據無法作為設備狀況判斷之依據。

(4). 對焦清晰與否，會影響紅外線熱影像儀所測得之溫度值，因此量測時請務必調整焦距至「清晰」狀態，以免造成溫度誤差。

(5). 檢測作業為現場設備活線檢查作業，進行檢測時，應注意安全，使用紅外線熱影像儀於距離電盤三十公分至一公尺之範圍內進行攝影即可，切勿以肢體及螺絲起子等手工具接觸金屬等未具備絕緣披覆之元件，以免感電。

(6). 檢測人員於進行檢測作業前，應先確認設備與其電盤是否設有連鎖。若設有連鎖應於檢測前請設備擔當暫時將連鎖 by pass，以免貿然開起電盤，造成機台 shut down。完成檢測作業後，應確實將 by pass 之各項連鎖機制復歸回原有狀態，以維持設備及人員安全。

(7). 若機台之連鎖無法 by pass，則無法以紅外線熱影像儀進行檢測，為確保設備電氣安全，設備擔當應請設備商或合格之檢測人員定期進行電氣設備之檢測。

紅外線熱影像檢測結果彙整表

檢測廠別/單位：檢測人員：

檢測日期機台編號盤名部位

^照片編號

檢測

結果

備註

備註：檢測結果正常以『O』表示，異常以『X』表示

表單編號：版本：

表 3.4 高低壓設備熱顯影檢測紀錄表

高低壓設備熱顯影檢測紀錄用電戶：地點：日期：檢測員：頁次：

序盤面名稱設備名稱區域時間 ^檢測

溫度

異常

溫度異常位置熱像圖檢測分析說明 ^評

判備註

１２３４５

１２３４

５６７８

備註

各項檢測應列明儀器、廠牌、型式、規格、序號及判別標準，必要時另附Ａ４紙填寫。

專任電氣技術人員或檢驗維護業簽章

註解：Ｇ：良好。Ｂ：異常附件︵六︶Ｆ

所於提供的熱影像及溫度值，立即對設備狀態進行初步判定。但紅外線熱影像檢測結果的診斷需考量設備負載、電氣設備容許工作溫度、溫升上限、元件材質…等資料綜合判定，無法以高溫即是異常，低溫歸屬正常的方式判斷，一般檢測結果診斷方式如圖 3.9 所示，以下將分別進行說明。

圖3.9 紅外線熱影像檢測結果診斷方式 (1). 法規標準比較

判斷紅外線熱影線檢測結果是否正常，首先可與法令或標準所訂定之最高容許溫度及溫升上限加以比對。目前許多法規及標準中均有對電氣元件之溫度予以規範，例如國內的法規：屋內線路裝置規則，標準則包括：ISO、IEC、CNS、EN 等，其中法令屬於強制遵守，標準則屬於自願遵守。有時不同的標準中，對溫度的要求會略有不同，使用時可依據使用環境、設備實際運轉狀況及可容忍的風險，

在文檔中應用紅外線熱影像儀於製程機台電氣設備之預知保養研究-以某TFT-LCD廠為例 (頁 28-0)

第三章 研究方法