熱流傳感器

1　熱阻式熱流傳感器（熱電堆式熱流傳感器）

　　熱阻式（熱電堆式熱流傳感器或稱溫度梯度型熱流傳感器）是應(yīng)用最普遍的一類熱流傳感器。這類傳感器的原理是：當(dāng)有熱流通過(guò)熱流傳感器時(shí)，在傳感器的熱阻層上產(chǎn)生了溫度梯度，根據(jù)付立葉定律就可以得到通過(guò)傳感器的熱流密度，設(shè)熱流矢量方向是與等溫面垂直：

　　q=dQ/ds=-λdT/dX

　　式中：q為熱流密度；dQ為通過(guò)等溫面上微小面積，dS流過(guò)的熱量；dT/dX為垂直與等溫面方向的溫度梯度；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；如果溫度為T和T+ΔT的兩個(gè)等溫面平行時(shí)：

　　q=-λΔT/ΔX

　　式中：ΔT為兩等溫面的溫差；ΔX為兩等溫面之間的距離。

　　只要知道熱阻層的厚度ΔX，導(dǎo)熱系數(shù)λ，通過(guò)測(cè)到的溫差ΔT就可以知道通過(guò)的熱流密度。當(dāng)用一對(duì)熱電偶測(cè)量溫差ΔT時(shí)，這個(gè)溫差是與熱流密度成正比的，溫差的數(shù)值也與熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小成正比例，因此測(cè)出溫差熱電勢(shì)就可以反映熱流密度的大?。?/p>

　　q=Kr·E

　　式中：Kr為熱流傳感器的分辨率，W/(㎡·μv)；E為測(cè)頭溫差熱電勢(shì)；

　　分辨率Kr是熱阻式熱流計(jì)的重要性能參數(shù)，其數(shù)值的大小反映了熱流傳感器的靈敏度。Kr數(shù)值越小則熱流傳感器越靈敏，其倒數(shù)被稱為熱流傳感器的靈敏度Ks（Ks=1/Kr）。

　　為了提高熱流傳感器的靈敏度，需要加大傳感器的輸出信號(hào)，因此就需要將眾多的熱電偶串聯(lián)起來(lái)形成熱電堆，這樣測(cè)量的熱阻層兩邊的溫度信號(hào)是串連的所有熱電偶信號(hào)的逐個(gè)疊加，信號(hào)大能反映多個(gè)信號(hào)的平均特性。

　　熱電堆是熱阻式熱流傳感器的核心元件，也是其他輻射式熱流傳感器的核心元件。

2　熱電堆（熱阻式熱流傳感器）的發(fā)展進(jìn)程

　　自德國(guó)的Henky教授在1914年制造出第一個(gè)熱流傳感器以來(lái)：

　　第1階段：線繞式熱流傳感器

　　上世紀(jì)20年代開始，在康銅絲或其它材料的熱電偶絲上利用電鍍工藝制造熱電堆。

　　典型結(jié)構(gòu)：用金屬絲（如康銅）先在眾多的絕緣板條上繞線圈，然后將此金屬絲線圈（如康銅）的一半鍍上另一種金屬（如銅），在絕緣板條的兩面形成眾多串聯(lián)的熱電偶一一即串聯(lián)的熱電偶線圈——銅與康銅的交接點(diǎn)形成熱電偶的冷、熱節(jié)點(diǎn)（熱電堆）。多個(gè)熱電堆再焊接串聯(lián)或并聯(lián)后，平鋪粘結(jié)在兩平面絕緣保護(hù)硅膠板間形成熱流傳感器。

　　第2階段：半導(dǎo)體式熱流傳感器

　　上世紀(jì)60年代末開始，利用半導(dǎo)體工藝制造熱電堆。

　　典型結(jié)構(gòu)：在硅片上用半導(dǎo)體工藝制造熱電堆，一般使用環(huán)氧樹脂封裝保護(hù)。

　　第3階段：超薄（薄膜式）熱流傳感器

　　上世紀(jì)90年代中開始，利用大規(guī)模集成電路制造工藝：濺射或激光熔刻技術(shù)制造熱電堆。

　　典型結(jié)構(gòu)：使用濺射和激光熔刻技術(shù)制造熱電堆，一般使用聚酰亞胺薄膜封裝保護(hù)。

3　熱流傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)

　　靈敏度Ks：或分辨率Kr（Kr=1/Ks）。在適用的傳感器尺寸下越高越好，可以確保測(cè)量精度和適應(yīng)眾多的測(cè)量需要。

　　熱流量程和工作溫度范圍：越寬越好。

　　精度：指熱流傳感器的線性。一般線繞式在5%～10%，半導(dǎo)體式和薄膜式在2%～5%。

　　熱阻抗：越小約好。

　　響應(yīng)時(shí)間：越快越好。短的數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間和瞬態(tài)熱流密度的測(cè)量。

　　厚度：越薄越好。可以有效抑制環(huán)境變化對(duì)測(cè)量精度的影響。

　　柔韌性：柔性的傳感器可以有效抑制因接觸不良引起的測(cè)量誤差。

　　波長(zhǎng)響應(yīng)：僅輻射熱流，決定了測(cè)量輻射熱流密度的類型如紅外、陽(yáng)光輻射或總輻射（紅外+可見光）。

4　熱流傳感器測(cè)量精度的影響因素

　　熱流傳感器與被測(cè)物粘貼緊密程度對(duì)熱流測(cè)量精度的影響：熱流傳感器與被測(cè)物粘貼的緊密程度，對(duì)熱流的穩(wěn)定時(shí)間有著非常大的影響。粘貼越緊密，穩(wěn)定越快，測(cè)量偏差越?。环粗?，測(cè)量偏差越大。因此，在瞬態(tài)熱流傳感器的使用過(guò)程中，要盡量保證熱流熱流傳感器能夠緊密地粘貼被測(cè)物體，這樣才能減少測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量精度。導(dǎo)熱膠（導(dǎo)熱硅脂）的應(yīng)用，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了非常好的條件。

　　熱流傳感器厚度對(duì)熱流測(cè)量精度的影響：

　　當(dāng)熱流傳感器厚度為0.1mm時(shí)，被測(cè)物表面熱流穩(wěn)定非常快，從開始到穩(wěn)定只用了約0.5s的時(shí)間，通過(guò)熱流傳感器的熱流值與實(shí)際值相差2.92%。當(dāng)熱流傳感器厚度增加到1mm時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到了8s，為原來(lái)的16倍，熱流值的偏差達(dá)到了6.26%。這主要是由于熱流傳感器厚度的增加，加大了熱流傳感器引入的熱阻，使通過(guò)熱流傳感器的熱流值產(chǎn)生了較大偏移。

　　熱流傳感器邊長(zhǎng)對(duì)熱流測(cè)量精度的影響：

　　熱流傳感器邊長(zhǎng)的改變并沒(méi)有給熱流的穩(wěn)定時(shí)間造成太大影響，卻給穩(wěn)定值帶來(lái)較大的偏差。邊長(zhǎng)從5mm變成10mm時(shí)，穩(wěn)定熱流值減小了8.4%，與實(shí)際值相差6.51%；邊長(zhǎng)從10mm變?yōu)?0mm時(shí)，熱流減小了4.3%，與實(shí)際值相差1.94%；邊長(zhǎng)從20mm變?yōu)?0mm時(shí)，熱流僅僅減小了0.4%，已經(jīng)和真實(shí)值基本重合。這說(shuō)明，熱流傳感器邊長(zhǎng)越長(zhǎng)，穩(wěn)定值越準(zhǔn)確，且邊長(zhǎng)一定存在著一個(gè)最優(yōu)值。這個(gè)最優(yōu)值既能保證熱流傳感器盡可能小，又能保證所測(cè)熱流的準(zhǔn)確性。從本文的計(jì)算來(lái)看，這個(gè)最優(yōu)值約為20mm。當(dāng)被測(cè)物表面近似認(rèn)為半無(wú)限大時(shí)，20mm可能是測(cè)量精度和熱流傳感器尺寸的最佳結(jié)合點(diǎn)。

　?。ㄉ鲜鰞?nèi)容摘自《熱流計(jì)測(cè)量精度影響因素的數(shù)值分析》，節(jié)能，2005年第2期）

5　熱流傳感器的檢定

　　也稱熱流傳感器的標(biāo)定或校準(zhǔn)。

　　熱流傳感器計(jì)作為熱流計(jì)的關(guān)鍵性一次敏感元件，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性是熱流計(jì)可否信賴的關(guān)鍵。

　　因此熱流傳感器在出廠前或使用一段時(shí)間后都要進(jìn)行標(biāo)定。

　　另外，熱流傳感器在使用時(shí)，常常是粘貼在被測(cè)物體和表面或者埋沒(méi)在被測(cè)物體的內(nèi)部，這都會(huì)影響被測(cè)物體原有的傳熱狀況，為了對(duì)這個(gè)影響有一個(gè)準(zhǔn)確的估計(jì)，就必須知道熱流傳感器自身的熱阻等性能，這也要在標(biāo)定過(guò)程中加以確定。

　　絕對(duì)法校準(zhǔn)

　　保護(hù)熱板法是國(guó)際上最通用的測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。

　　美國(guó)、歐盟等都制訂有保護(hù)熱板法測(cè)量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC163也已確認(rèn)此法為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法之一。也是現(xiàn)在熱流傳感器校準(zhǔn)最為準(zhǔn)確的方法。

　　我國(guó)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T10294（等效國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/DIS8302）

　　比較法校準(zhǔn)

　　用比較法標(biāo)定熱流傳感器也與用比較法測(cè)定絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)相類似。把待標(biāo)定的熱流傳感器與經(jīng)絕對(duì)法標(biāo)定的作為標(biāo)準(zhǔn)的熱流傳感器以及絕熱材料做成的緩沖塊一起，放在表面溫度保持穩(wěn)定均勻的熱板和冷板之間。

　　利用標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器的分辨率KR和輸出電勢(shì)E，就可以算出熱流密度q，于是也就能確定熱流傳感器的分辨率。

　　這種方法標(biāo)定的準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器分辨率的準(zhǔn)確度，此外還要受到設(shè)備中熱板和冷板的溫度控制精度的影響以及邊緣熱損失的影響，標(biāo)定誤差可以達(dá)到5%左右。