热电堆式热流传感器设计(4)

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（5）金属块式热流传感器

金属块式（slug）热流传感器由一个端面中心焊有热电偶的金属柱体组成，金属柱体侧面及焊有热电偶的端面由隔热层包覆，原理图如图1.4所示。当金属块前端面接受入射热流时，只要保证金属块单向受热，四周及背面没有热损失，即在满足金属块一维导热的前提下，入射热流密度与金属块后端面的升温率成正比，通过热电偶测量金属块后端面的温升率，则可由能量平衡关系得到入射热流密度[17]。与传统传感器相比，它测量上限高，结构简单，适用于瞬态变化的热流量的测量，但金属块在一维导热的情况下，会不断升温，造成传感器失灵，需进行散热处理。

（6）热量型热流传感器文献综述

利用受热面的冷却水吸收热量以求得热流密度，因此也称为水循环式热流传感器。受热面的热流密度为：，其中（kg/h）：测出水的流量；（℃）：入口处温度；：出口处温度；（kcal/kg℃）：水的比热容）。

热量型热流传感器响应较快，但水温、不能迅速对应。

根据热流传感器不同的测量原理，将经常使用的热流传感器可分为：热阻式传感器，瞬态传感器，辐射式传感器和流体输送过程传感器等[18]。

1.4 本论文的主要内容及结构安排

本论文主要阐述了应用于低热通量辐射热流测量的圆箔式热流传感器系统的研制开发过程，论文的主要内容安排如下：

1）绪论。描述课题背景及研究意义，以及热流测量技术国内外研究和发展现状，并概述本文的主要研究内容。

2）总体设计方案。对热电堆式热流传感器的测试过程进行理论分析，并针对测试对象及测试环境提出总体设计指标要求，得出传感器设计方案。

3）传感器结构设计。

硬件电路的设计与实现。提出热流传感器系统的硬件电路设计方法，包括信号调理电路、采集单元以及实时显示单元，实现热流信号的实时采集与显示。

4）系统性能测试与验证。对热流传感器系统进行标定，并对系统的各项性能进行测试，以验证是否满足设计指标。

5）总结与展望。总结与展望。对全文研究的内容和结果做出总结，并提出所设计的系统存在的不足之处并提出进一步改进的方法。

2 总体设计方案

2.1 总体设计要求

对于不同的热流信号，热流测量的过程也有所区别。本系统中的测量对象为空间热流，因此所设计的传感器为非接触式辐射传感器。目前的热辐射传感器主要包括圆箔式（Gardon）、塞式（Schmidt Boelter）、金属块式、热电堆式等热辐射传感器。塞式（Schmidt Boelter）热辐射传感器可用于测量全热流，但响应较慢且结构复杂。金属块式热辐射传感器不能长时间测量，无法保证工作时间，且输出电动势不与入射热流成正比，不利于后续设计。热电堆式热辐射计响应迅速（10～20ms），测量范围大，工作时间长，在各种环境的热流测量中都有着广泛的应用，本文中选择热电堆式热流传感器作为测量原理。本系统根据测量对象及测试环境提出以下技术指标：

1）热流密度测量范围：0～10KW/m2；来!自~751论-文|网www.751com.cn

2）热流传感器误差：≤6%；

3）有良好的抗冲击性能和电磁兼容性。

2.2热电堆式热流传感器原理

2.2.1 热电堆式热流传感器原理概述

德国爱沙尼亚物理学家汤玛斯塞贝克在1821年发现任何导体在被施加热梯度时都会产生电压。这种现象被称为热电效应或者塞贝克效应。科学家们利用塞贝克效应制作了热电偶。热电偶具有体积非常小，热熔小，对温度变化反应快的优点，因此常常被用来测量快速的温度变化或薄膜等小样品的温度。但是，它的测温精度还不够高，为了提高灵敏度和测量精度，常常采用热电偶串联电路，由多支同型号热电偶组合而生成热电堆。热电堆是一个能将热能转化成电能的电子装置。热电堆不能测量绝对温度，不过可以通过输出一个与温度微差或者温度梯度成比例的电压。