热电堆式热流传感器设计(3)

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1.2 热流传感器的发展历史

1.3 热流传感器的分类

根据热传递方式及结构的不同，热流传感器具有多种分类方法。

热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射[10]。热传导是指物体各部分间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。对流是指流体各部分间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递，对流发生在流体中并伴随有导热现象。物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射，热辐射是指由热而发出的辐射能现象。热辐射区别于热传导与对流，可以在真空中传播，而热传导、对流两种热量传递方式在热介质存在时才能实现。热流传感器可以实现对热传导、对流以及热辐射的单独测量或以上两种或三种热传递过程的综合测量。根据热传递方式，热流传感器可分为热传导热流传感器、对流热流传感器、辐射热流传感器[11]，其中热传导热流传感器主要用于接触式测量，其他两种为非接触式测量。

现阶段热流传感器根据结构主要分为金属片式热流传感器、圆箔式热流传感器、热电堆式热流传感器、薄膜式热流传感器、金属块式热流传感器、热量式热流传感器和潜热式热流传感器[12]。

（1）金属片式热流传感器论文网

金属片式热流传感器原理图如图1.1所示。使用已知热传导系数和厚度的金属片作为敏感元件，当热流通过金属片时，通过测出金属片的表、里两侧的温差，根据公式，可计算出热流密度，其中为金属片的导热系数，为金属片厚度，为金属片表、里两面间温度差。金属片式热流传感器结构简单，计算求值容易，但其导热系数随温度的变化而改变，因此造成敏感元件的灵敏度随温度变化，需要进行修正，测量精度较低。

（2）圆箔式热流传感器

圆箔式热流传感器测量原理如图1.2所示，前边的敏感元件是康铜箔，热沉体由铜材料制造的，这样就形成了铜—康铜—铜的热电偶[13]。当辐射热流投射到康铜箔表面时，热流沿圆箔径向传递到热沉体上，在圆箔中心与圆箔边缘（热沉体）之间形成一个温差[14]，通过热电偶将此温差转换产生热电势。入射热流与该热电势成正比，通过测量出热电势信号，就可测得入射热流值。圆箔式热流传感器用于无对流影响或对流分量较小的环境下辐射热流的测量。它结构简单、响应迅速、可进行非接触测量，因而受到广泛的重视[15]。

（3）热电堆式热流传感器

热电堆式热流传感器原理图如图1.3所示，选择热传导系数小的耐热性电绝缘材料作为基板，在基板上安置n个互相串联的热电偶，其中热电偶的热结点为铜，冷结点为康铜。根据热力学原理，热流密度与热结点与冷结点之间的温差成正比，n个热电偶输出与温度差对应的热电势，从而得出热流密度。热电堆式热流传感器在很小的温度梯度下即可产生较大信号，对于测量低温气体产生的较小对流传热或其他小热流密度的传热过程十分理想[16]，但热阻式探头响应较长，不适用于变化迅速的非稳定热流的测量。

（4）薄膜式热流传感器

薄膜式热流敏感元件不似热电堆式敏感元件，是自发电性的。它是由极薄的感温性的电阻膜（一般为铂膜）蒸镀在绝缘基底（通常为石英或玻璃）上，当表面加热时，金属膜电阻发生变化，该变化是与表面温度呈比例的。因此基底上的热流密度为：，其中为基底表面的温度变化，为时间，为基底表面的热特性。薄膜式热流传感器响应极快，可以测得热流的瞬间变化，但测量的热流密度不可直接读出，必须通过计算求出热流值。