基于热电效应的热流传感器设计.pdf

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1、2010年第29卷第3期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)97基于热电效应的热流传感器设计李日东，皮桂英，鞠文斌，张玉泉(中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨150001)摘要：基于金属的热电效应和热传导原理，经过理论分析计算，设计了一种高量程的热流传感器，并通过机加工艺、焊接工艺及涂敷工艺实现了热流传感器制作。性能测试与数据处理结果表明：该传感器输出信号与热流近似成正比，热流测量范围为0-3000kW／m，测量精度优于±4％Fs，耐辐射温度达1700qC。关键词：热流传感器；热电效应；热沉体中图分类号

2、：TP212文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)03--0097-02Studyonheatfluxsensortechnologybasedonthermo．electriceffectLIRi·dong，PIGui—ying，JUWen—bin，ZHANGYu—quan(The49thResearchInstitute，ChinaEl~tromcsTechnologyGroupCorporation，Harbin150001，China)Abstract：Ahigh—rangeheatfluxsensorisdesignedbasedonmetal

3、thermo—electriceffectandtheprincipleofthermalconduction．Thesensorisrealizedthroughthetechniquesofmechanicalprocess，weldingandcoating．Theresultofcharacteristicandenvironmentaltestanddataprocessingindicatethatthesignalsproducedbysensorisalmostdirectproportiontoheatflux．Themeasuringrangeofh

4、eatfluxis0-3000kW／m，theprecisionisabove±4％FS．radiationtemperatureis1700℃．Keywords：heatfluxsensor；thermo—electriceffect；heatsinkbody0引言量迅速沿其半径方向流动，通过沉热体把吸收的热量带走，热流是对热学中热传递过程的描述，其中包括的温度从而康铜板边缘的温度比康铜板中心的温度要低，康铜板和热量都是最基本的物理量，两者既有区别又有联系。从的温度沿康铜片的直径方向形成温度梯度，中心温度远远温度高的物体到温度低物体的热移动就是热传递现象，热高于周边温

5、度，温度分布特性如图1所示。传递有传导、对流和热辐射3种方式。由于过某一点沿非等温面方向的温度是变化的，因此，在这些方向上有热量的传温度递，若把单位时间与单位面积上传递的热量定义为热流密Y／I二ll／lIl~／Ill铜度，则在不同方向有不同的热流密度，就是通常所说的热流。热流测量在国防工程中有着广泛的应用，随着空间技I＼一康铜板中心术的发展，高量程热流测量技术近年来发展的较快。美图1传感器康铜板温度分布示意图国的VALLEL公司和ITI公司等的产品能测量到3MW／Fig1Schematicdiagramoftemperaturedistributionm，温度可达l60

6、0℃。国内此方面技术研究起步比较将康铜板看成是热偶的一极，把沉热体看成热偶的另晚，实用化产品少。本文介绍了一种利用金属的热电效应一极，从康铜板中心和沉热体分别引出热电偶丝就组成了和热传导理论设计的一种高可靠性的热流传感器。采用特铜一康铜一铜热电偶，于是，入射的热流q的强弱便是热电偶殊的焊接工艺和涂敷技术，设计并制作出一体化热流传感输出电势的大小。热流q与输出电势E的关系为E／q=0．183R2／6器，可实现对0—3000kW／m的热流线性输出。，(1)1工作原理式中尺为康铜板的半径；为康铜板的厚度；E／q为传感敏感面是圆形康铜板，其四周用一个较大体积和质量器的灵敏度，它

7、与康铜板的半径平方成正比，与厚度成反的圆柱形铜体又称为沉热体支撑着，康铜板吸收热量q，热比收稿日期：2009—12-2198传感器与微系统第29卷当热流g用康铜板的中心温度与周边温度之差△表温度保持基本稳定，在康铜板上沿热量传递方向形成温度示时，有梯度，康铜板中心的热电偶与康铜板边缘的热电偶形成温q=40AAT／R，(2)度差，产生热电信号，信号的大小与所测的热流值有关。由式中△71为中心温度与周边温度之差，△-f(E)；A为康于测量范围宽，在热流值达到3000kW／m时，辐射温度可铜板导热系数；尺为康铜板的半径。达1700oC，为提高传