热流传感器

自德国的Henky教授在1914年制造出第一个热流传感器以来:

第1阶段:线绕式热流传感器

上世纪20年代开始，在康铜丝或其它材料的热电偶丝上利用电镀工艺制造热电堆。

典型结构:用金属丝(如康铜)先在众多的绝缘板条上绕线圈，然后将此金属丝线圈(如康铜)的一半镀上另一种金属(如铜)，在绝缘板条的两面形成众多串联的热电偶一一即串联的热电偶线圈--铜与康铜的交接点形成热电偶的冷、热节点(热电堆)。多个热电堆再焊接串联或并联后，平铺粘结在两平面绝缘保护硅胶板间形成热流传感器。

第2阶段:半导体式热流传感器

上世纪60年代末开始，利用半导体工艺制造热电堆。

典型结构:在硅片上用半导体工艺制造热电堆，一般使用环氧树脂封装保护。

第3阶段:超薄(薄膜式)热流传感器

上世纪90年代中开始，利用大规模集成电路制造工艺:溅射或激光熔刻技术制造热电堆。

典型结构:使用溅射和激光熔刻技术制造热电堆，一般使用聚酰亚胺薄膜封装保护。

热流传感器是测量热传递(热流密度或热通量)的基本工具，是构成热流计的最关键器件。

热流传感器的性能和用途决定了热流计的性能和用途。

热阻式(热电堆式热流传感器或称温度梯度型热流传感器)是应用最普遍的一类热流传感器。这类传感器的原理是:当有热流通过热流传感器时，在传感器的热阻层上产生了温度梯度，根据付立叶定律就可以得到通过传感器的热流密度，设热流矢量方向是与等温面垂直:

q = dQ / ds = -λ dT / dX

式中:q 为热流密度;dQ 为通过等温面上微小面积，dS 流过的热量;dT / dX 为垂直与等温面方向的温度梯度;λ 为材料的导热系数;如果温度为 T 和 T + ΔT 的两个等温面平行时:

q = - λΔT / ΔX

式中:ΔT为两等温面的温差;ΔX为两等温面之间的距离。

只要知道热阻层的厚度 ΔX，导热系数 λ，通过测到的温差 ΔT 就可以知道通过的热流密度。当用一对热电偶测量温差 ΔT 时，这个温差是与热流密度成正比的，温差的数值也与热电偶产生的电动势的大小成正比例，因此测出温差热电势就可以反映热流密度的大小:

q = Kr·E

式中:Kr为热流传感器的分辨率，W/(㎡·μv);E为测头温差热电势;

分辨率Kr 是热阻式热流计的重要性能参数，其数值的大小反映了热流传感器的灵敏度。Kr 数值越小则热流传感器越灵敏，其倒数被称为热流传感器的灵敏度Ks(Ks=1/Kr)。

为了提高热流传感器的灵敏度，需要加大传感器的输出信号，因此就需要将众多的热电偶串联起来形成热电堆，这样测量的热阻层两边的温度信号是串连的所有热电偶信号的逐个叠加，信号大能反映多个信号的平均特性。

热电堆是热阻式热流传感器的核心元件，也是其他辐射式热流传感器的核心元件。

也称热流传感器的标定或校准。

热流传感器计作为热流计的关键性一次敏感元件，其测量结果的准确性是热流计可否信赖的关键。

因此热流传感器在出厂前或使用一段时间后都要进行标定。

另外，热流传感器在使用时，常常是粘贴在被测物体和表面或者埋没在被测物体的内部，这都会影响被测物体原有的传热状况，为了对这个影响有一个准确的估计，就必须知道热流传感器自身的热阻等性能，这也要在标定过程中加以确定。

保护热板法是国际上最通用的测量绝热材料导热系数的标准方法之一。

美国、欧盟等都制订有保护热板法测量绝热材料导热系数的国家标准，国际标准化组织ISO/TC 163也已确认此法为国际标准方法之一。也是现在热流传感器校准最为准确的方法。

我国相应的标准号为GB/T 10294(等效国际标准化组织 ISO/DIS 8302)

用比较法标定热流传感器也与用比较法测定绝热材料的导热系数相类似。把待标定的热流传感器与经绝对法标定的作为标准的热流传感器以及绝热材料做成的缓冲块一起，放在表面温度保持稳定均匀的热板和冷板之间。

利用标准热流传感器的分辨率KR和输出电势E，就可以算出热流密度q，于是也就能确定热流传感器的分辨率。

这种方法标定的准确度主要取决于标准热流传感器分辨率的准确度，此外还要受到设备中热板和冷板的温度控制精度的影响以及边缘热损失的影响，标定误差可以达到5%左右。

我国相应的标准号为GB/T 10295(等效国际标准化组织 ISO/DIS 8301)

以日本昭和电株式会社为代表的一种标定装置。

这种装置采用了与单试样的保护热板类似的热板，但没有冷板。将测头的一面贴在板面上，另一面直接暴露在室内空气中，校准方法和上面提到过的保护热板法一样。

使用这种装置标定容易受到外界条件变化的影响，并且在标定时热板发出的热流由于传感器的存在而引起扭曲。

(说明:热流传感器的三种校准方法摘自原子能出版社《热学计量》的有关章节)

热流传感器与被测物粘贴紧密程度对热流测量精度的影响: 热流传感器与被测物粘贴的紧密程度，对热流的稳定时间有着非常大的影响。粘贴越紧密，稳定越快，测量偏差越小;反之，测量偏差越大。因此，在瞬态热流传感器的使用过程中，要尽量保证热流热流传感器能够紧密地粘贴被测物体，这样才能减少测量时间，提高测量精度。导热胶(导热硅脂)的应用，为解决这个问题提供了非常好的条件。

热流传感器厚度对热流测量精度的影响:

当热流传感器厚度为0.1mm时，被测物表面热流稳定非常快，从开始到稳定只用了约0.5s的时间，通过热流传感器的热流值与实际值相差2.92%。当热流传感器厚度增加到1mm时，稳定时间达到了8s，为原来的16倍，热流值的偏差达到了6.26%。这主要是由于热流传感器厚度的增加，加大了热流传感器引入的热阻，使通过热流传感器的热流值产生了较大偏移。

热流传感器边长对热流测量精度的影响:

热流传感器边长的改变并没有给热流的稳定时间造成太大影响，却给稳定值带来较大的偏差。边长从5mm变成10mm时，稳定热流值减小了8.4%，与实际值相差6.51%;边长从10mm变为20mm时，热流减小了4.3%，与实际值相差1.94%;边长从20mm变为30mm时，热流仅仅减小了0.4%，已经和真实值基本重合。这说明，热流传感器边长越长，稳定值越准确，且边长一定存在着一个最优值。这个最优值既能保证热流传感器尽可能小，又能保证所测热流的准确性。从本文的计算来看，这个最优值约为20mm。当被测物表面近似认为半无限大时，20mm可能是测量精度和热流传感器尺寸的最佳结合点。

(上述内容摘自《热流计测量精度影响因素的数值分析》，节能，2005年第2期)

灵敏度Ks:或分辨率Kr(Kr=1/Ks)。在适用的传感器尺寸下越高越好，可以确保测量精度和适应众多的测量需要。

热流量程和工作温度范围:越宽越好。

精度:指热流传感器的线性。一般线绕式在5%~10%，半导体式和薄膜式在2%~5%。

热阻抗:越小约好。

响应时间:越快越好。短的数据稳定时间和瞬态热流密度的测量。

厚度:越薄越好。可以有效抑制环境变化对测量精度的影响。

柔韧性:柔性的传感器可以有效抑制因接触不良引起的测量误差。

波长响应:仅辐射热流，决定了测量辐射热流密度的类型如红外、阳光辐射或总辐射(红外+可见光)。

尽管圆箔式热流传感器已经存在约60年，科学技术的发展使许多新型热流传感器出现，如:

1、美国International Thermal Instrument公司应用的半导体热电偶材料制成的热电堆型热流传感器，热流量程可以达到3MW/㎡，工作温度可以达到约900℃，且有较好的灵敏度系数;增加水冷可以测量高达1900℃、30MW/㎡的热流强度，用于空间测量总热流(辐射+对流);

2、 法国Captec公司开发的直接感知热流强度的传感器(它虽然仍是基于空间温度梯度的原理，但不是利用差分热电偶-热电堆-测量温差)，热流量程可达500kW/㎡，工作温度可以达到约300℃，且有更高的灵敏度系数;增加水冷可以测量高达1400℃、1.2MW/㎡的热流强度，用于空间测量总热流(辐射+对流)、总辐射、红外辐射和阳光辐射强度，辐射测量响应时间可以达到20ms。

但是，上述这些新型热流传感器在某些方面仍然不能取代圆箔式热流传感器，如在大热流强度和高达10ms的快速响应时间上。况且，新材料技术和新制造工艺的发展和使用，或许使圆箔式热流传感器能够有更大的改进。使其不仅保留超大量程和快速响应时间，且克服其缺点如不能测量对流分量和低的灵敏度系数，使其具有更加广阔的应用领域。

全部圆箔式热流传感器能被修理和再校准。

完整的修理和再校准，其价格约为一个新传感器的一半。修理和在校准是构成一个新传感器的基础，电缆也将重新铺设，然后校准整个元件。传感器的修理仅适用于当传感器的主体没有损坏时。

推荐每年一次的重新校准，以避免因灵敏度系数的不正确而带来的测量误差。

航天部102所可以提供圆箔式热流传感器的校准服务。