热流传感器的发展研究现状

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1914年，德国的Henky教授用10cm厚的软木板覆盖地板作为热阻，测出热阻上下温度差，利用温度梯度和热阻的导热系数计算出热流密度，这是最早出现的实时测量热流密度的热流传感器，也是现代热阻式热流传感器的雏形。68293

第一种实用的热流传感器是在1924年出现的，当时Schmidt Boelter通过设计了一个带状热流传感器测头来测量隔热层管道的热流密度。这个传感器测头由缠绕于橡胶带上的热电堆组成，热电堆以复杂工艺焊接而成。为克服多点热电堆的制作困难，J.T.Gier和L.M.K.Boelter于1939 年，在康铜丝上电镀银，制成了辐射热流传感器用的热电堆。Jong和Marquenia推导了这种辐射热流传感器热电堆元件两端间电动势公式，并分析了各个结构参数对测头灵敏度的影响[5]。

生产力的改革与科学理论的发展使能源问题引起了全世界的重视，也加快了热流测量仪表的研究及热流测量方法的进展。热流传感器逐渐由实验研究阶段发展为到可在测试现场应用的便携式仪表阶段。国内外的众多研究工作者和科研机构在热流传感器的研究领域中付出了巨大努力并取得了突出的成绩。论文网

由于金属薄膜制备的热流传感器具有迅速的响应时间，自二十世纪中期，薄膜型热流传感器引起了众多科研工作者和科研机构的高度重视。二十世纪 80 年代初，Van Dorth 等人根据薄膜技术在15×30m大小的热流传感器表面安装了500个热电偶，提高了热流传感器在小于 500℃、200Kw/m2范围内的测量精度[21]。二十世纪 80 年代中期，Hayashi等人根据真空蒸发技术研制了一种新型薄膜型热流传感器。这种新型薄膜型热流传感器的结构与普通薄膜型热流传感器类似，但其电阻层采用氧化硅，热阻为两表层上镀有长 0.3mm、宽0.2mm镍膜的氧化硅[22]，以镍层作为电阻温度探测器测量通过氧化硅上下表面的温度差，并以电桥连接方式读取热电偶输出的电势，从而得出测量的热流密度值。

二十世纪80年代末，美国的研究人员 K. S. Udell 等又进行了微型传感器在热流测量过程中作用的研究。1989年，J. M. Hager等人利用薄膜溅射技术在氧化硅镀上微型热流传感器。将这种热流传感器直接镀于测量表面，可以使沿热流传感器方向上的温降和热干扰即使在高温下也很小。由于该热流传感器无需粘贴剂，因此可以放大微小温差所对应的电势差。该热流传感器的测头小于2um，可将传感器的热响应时间缩短为20us。该研究成果大大促进了热流传感器向微型化方向的发展[23]。

二十世纪90年代，弗吉尼亚工学院的T. E. Diller教授根据热电堆制成了反应速度可达50kHz的无源热流传感器[24]。2000年4月，牛津大学的S.M.Guo，T.V.Jones和E.Piccini研制成了一种响应速度可由直流达到100kH新型热流传感器[25]。

科研工作者在热流传感器的标定方面也取得了很大的进展。美国的国家标准与技术研究院NIST（National Institute of Standard and Technology）以及其下属建筑及火情研究室BFRL（Building and Fire Research Laboratory）在热流传感器的标定技术上投入了大量精力，并深入分析了热流标定理论及装置设置[26]。

我国在热流传感器研制方面起步较晚，通过科研工作者的共同努力，也取得的巨大的进展。1985年，北京航天航空大学的曹玉璋教授与麻省理工学院的 A. H.Epstein教授共同研制了双膜热流传感器，并将其应用于涡轮的热流测量。该传感器的频响范围广，可进行稳态的热流测量，但测量过程中需要稳定的电压供给，且热流需要计算两端面温度随时间的变化情况得出，过程繁琐，这使得该传感器在工程应用中受到了限制[27]。