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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。
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。
线绕式热流传感器 | 半导体式热流传感器 | 超薄(薄膜式)热流传感器 |
手工制作，各传感器特性之间一致性差 | 非手工制作，各传感器特性之间一致性好 | 非手工制作，各传感器特性之间一致性好 |
分辨率低，>10W/m2 | 分辨率较高，<10W/m2 | 高分辨率，<0.1W/m2 |
量程范围小，分段 | 量程范围大 | 量程范围大 |
工作温度范围小，分段 | 工作温度范围大 | 工作温度范围大 |
响应时间慢 | 有较快的响应时间，典型0.1s | 快的响应时间，高达20ms |
3毫米左右厚度 | 1~1.5毫米左右厚度 | 超薄小于0.4毫米 |
易受环境变化影响 | 不易受环境变化影响 | 有效抑制环境变化的影响 |
柔性 | 非柔性 | 柔性 |
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。
答：电涡流：当成块的金属处于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都会产生感应电动势，从而在金属体内产生电流，该电流即被称为涡流。电涡流传感器属于电感传感器的一种,是电涡流无损检测检测技术的核心器...
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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)
依据原理: | 热阻式，圆箔式，塞式(热容式)，2∏辐射式等 |
依据制造工艺: | 线绕式，半导体式，超薄(薄膜)式等 |
依据工作温度: | 普通(小于200℃)，高温(最高可达1900℃) |
依据传热方式: | 传导热流，辐射热流，对流热流 |
依据测量对象(用途): | 表面，管道，辐射，地热，火焰等 |
依据安装方式: | 接触，非接触(空间) |
依据响应时间: | 稳态，瞬态(快速响应) |
依据冷却方式: | 自然，水冷 |
测量 | 形式 | 特点和用途 |
热传导或热损失 | 接触式，埋入安装 | 小的埋孔和接触热阻，导热系数尽可能一致，厚度越薄越好。用于固体中传导热流的测量，也可以用于比较法导热系数的测定装置 |
热传导或热损失 | 接触式，表面贴装 | 厚度要薄(不破坏热流场)，小的热阻，表面辐射系数尽可能一致。用于固体散热损失(包括对流和辐射)，水冷面的对流传热测量 |
热传导或热损失 | 接触式，空间安装 | 垂直对准无须接触，不破坏热流场，用于辐射传热的测量 |
热流分布 | 纯辐射式 | 消除对流和其它影响，测量纯辐射热流。用于(工业炉窑内)热流分布的测量 |
热流分布 | 全热流式 | 测量对流和辐射热流之和。用于(工业炉窑内)热流分布的测量 |
流体输送 | 热量计 | 测量流体流量和流体热焓值的乘积。用于测量流体输送过程中的热量 |
瞬态变化 | 热容式，温度变化式 | 利用温度变化来测量。用于航空航天和军工等测量瞬态变化很大的热流量及其它特殊要求的场合 |
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)。
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，如果温度为 T 和 T + ΔT 的两个等温面平行时，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 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。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。
目前广泛使用的超薄（薄膜式）热流传感器始于上世纪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。一般使用聚酰亚胺薄膜封装保护。使各传感器特性之间一致性好，分辨率高，量程范围大，典型0.1s 的响应时间，厚度小于0.4毫米，且有效抑制环境变化的影响。
热阻式热流计的使用
热流计的应用基本上可以分三种类型：一种是直接测量热流密度；一种是作为其他测量仪器的测量元件，如作为导热系数测定仪、热量计、火灾检测器、辐射热流计、太阳辐射计等仪器的检测元件；另一种是作为监控仪器的检测元件，例如将热流测头埋入燃烧设备的炉墙中监测炉衬的烧损情况等。
热流测头应尽量薄，热阻要尽量小，被测物体的热阻应该比测头热阻大得多。被测物体为平面时采用板式测头，被泅物体为弯曲面时采用可挠式测头。可挠式测头弯曲过度也会对其标定系数有一定影响，因此测头弯曲半径不应小于50mm。另外，辐射系数对热流密度的测量也有影响，所以应采取徐色、贴箔等方法，使测头表面与被测物体表面辐射系数趋于一致。
被测物体表面的放热状况与许多因素有关，在自然对流的情况下被测物体放热的大小与热流测点的几何位置有关。对于水平安装的均匀保温层圆形管道，保温层底部散热的热流密度最低，保温层侧面热流密度赂高于底部，保温层上部热流密度比下部和侧面均大得多。
这种情况下，测点应选在管道上部表面与水平夹角约为45°处，此处的热流密度大致等于其截面上的平均值。在保温层局部受冷受热或者受室外气温、风速、日照等因素影响时，热流密度在管道截面上的分布更加复杂，测点应选在能反映管道截面上平均热流密度的位置，最好在同截面上选几个有代表性位置进行测量，与所得到的平均值进行比较，从而得到合适的测试位置。对于垂直平壁面和立管也可作类似的考虑，通过测试找出合适的测点位置。至于水平壁面，由于传热状况比较—致，测点位置的选择较为容易。
热流测头表面为等温面，安装时应尽量避开温度异常点。有条件时，应尽量采用埋入式安装测头。测头表面与被测物体表面应接触良好，为此，常用胶液、石膏、黄油等粘贴测头，对于硅橡胶可挠式测头可以使用双面胶纸，这样不但可以保持良好接触，而且装拆方便。热流测头的安装应尽量避免在外界条件剧烈变化的情况下测量热流密度，不要在风天或太阳直射下测量，不能避免时可采取适当的挡风、遮阳措施。为正确评价保温层的散热状况，有条件时可采用多点测量和累积量测量，取其平均值.这样取得的效果更理想。使用热流计测量时，一定要热稳定后再读数。
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M A K EI TE A S Y
ID:IT--88
Schmidt-Boelter热流传感器也是基于空间温度梯度的原理、利用热电堆测量温差的方法来测量通过其的热通量。
Schmidt-Boelter传感器由成螺旋状缠绕在一个电绝缘薄片上的康铜(铜镍合金)丝制成，且薄片半边的康铜丝表面具有电镀铜。这个工艺在薄片两面的电镀终端创建了一排热电偶结点，这些热电偶可以测量通过由薄片构成的热阻抗层的温度差。传统的Schmidt-Boelter传感器，薄片一边的热电偶产生第一个信号当热能量到达它们时，而且薄片另一边的热电偶产生第二个信号当热能量到达它们时，这两个信号混合产生二阶响应。传统的结构获得快速响应时间的唯一方法是使用非常薄的薄片，虽然可以降低第二个信号的影响但不能消除它。
Vatell的专利(US 6,186,661)设计是隔离薄片背面的热电偶，且指引它们四周的热量直接地进入外壳。这给予一个固有的快速响应时间，且没有第二个信号。而且，薄片没有非常的薄。实际上，它是做的较厚以降低位于外壳接点处的热阻抗。Vatell使用氮化铝(aluminium nitride)薄片代替阳极氧化铝(anodized aluminium)，环绕在3.5mm基片上四十圈产生最大250uV/(Watt/c㎡)的灵敏度，且一阶响应时间小于10ms。
但是，Schmidt-Boelter热流传感器具有温度的依赖性，其灵敏度的增大大约是0.1%/℃。因此，对于大多数的应用，推荐使用水冷的Schmidt-Boelter热流传感器，以最大限度的稳定温度和消除这个变化。
Schmidt-Boelter热流传感器主要技术规格 | |||
美国Vatell公司 | 美国Medtherm公司 | ||
最大瞬态热通量 | 40 W/c㎡(400kW/㎡ | 最大热通量量程 | 5~100 Btu/(ft↗2·s) 56.8~1136 kW/㎡ |
最大连续热通量 | 10 W/c㎡(100kW/㎡ | 最小热通量量程 | 0.2~4 Btu/(ft↗2·s) 2.27~45.4 kW/㎡ |
时间响应 | 10ms | 响应时间 | 参考表2 |
最小灵敏度 | 150 uV/(W/c㎡) 0.015 uV/(W/㎡) | 标称输出电压 | 10mV |
圆箔式热流传感器的主要应用包括:
各种燃烧室内辐射热通量的测量
太阳能辐射强度
火灾实验
可燃性实验的热流标准
材料研发
熔炉研发
其它热传递研究
热阻式热流传感器