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熱流測量技術發展綜述

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2024年3月31日發(作者：3月6)

熱流測量技術發展綜述

Vol. 37, No. 3

218

航天器環境工程

SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING

E-mail: htqhjgc@

第 37 卷第 3 期

2020 年 6 月

Tel: , 68116408, 68116544

熱流測量技術發展綜述

高慶華，郄殿福

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

摘要：文章首先回顧、梳理了熱流測量技術的發展過程，然后將熱流計從工作原理上分為基于溫度

梯度、基于能量平衡和基于半無限大體假設3大類，重點介紹了每一類別對應的熱流計結構形式、應用

情況和測量范圍等，并對熱流計的標定方法進行簡述，最后對熱流測量技術的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：熱流測量；溫度梯度；能量平衡；半無限大體表面溫度；標定

中圖分類號：TK313文獻標志碼：A文章編號：1673-1379(2020)03-0218-10

DOI: 10.12126/e.2020.03.002

The development of heat flux measurement technology

GAO Qinghua, QIE Dianfu

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract: This paper first reviews the development of the heat flux measurement technologies. It is shown

that the heat flux nsors are divided into three categories bad on different working principles as the

temperature gradient, the energy balance and the mi-infinite body assumption. The structure, the applications

and the measurement range of each kind of heat flux nsors are shown. The method for calibrating the heat flux

nsor is analyzed, and the development trend of the heat flux nsor is prospected.

Keywords: heat flux measurement; temperature gradient; energy balance; mi-infinite body temperature;

calibration

收稿日期：2019-08-21；修回日期：2020-06-10

引用格式：高慶華

郄殿福

熱流測量技術發展綜述

[J].

航天器環境工程

, 2020, 37(3): 218-227

GAO Q H, QIE D F. The development of heat flux measurement technology[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2020, 37(3):

218-227

第 3 期

高慶華等：熱流測量技術發展綜述

219

0 引言

在與熱有關的各個物理量中，人們最熟悉的是

溫度，而對熱流密度關注較少，因為溫度是容易被

人感知的物體特性，許多熱系統也只測量溫度，但

是熱量的運行及去向與溫度的重要性相當或更甚，

例如：人體的溫度雖能表征人的舒適度，但是不能

說明人體向周圍環境的散熱情況，特別是有蒸發發

生的時候；在航天器熱試驗時，熱邊界為輻射熱流

邊界；在高超聲速飛行器熱防護試驗中，熱流是最

重要的測量參數；太陽能量利用試驗中，需要測量

太陽輻射熱流密度等。

熱流測量的基本原理源于傳熱學的熱傳導、對

流換熱和輻射換熱理論，熱流計應能對這3種換熱

方式的熱流密度進行單獨或綜合測量。

熱流計的英文名稱較多，常見的有heat flux

nsor/gauge/meter、heat flow nsor/gauge/meter、

calorimeter、radiometer等，其中heat flux/heat flow

nsor等主要用于描述熱阻式熱流計，calorimeter

主要用于描述熱量計，radiometer主要用于描述輻

射熱流計。

本文首先對熱量測量技術的發展歷史進行回

顧、梳理，然后基于工作原理對熱流計進行分類，逐

一介紹各類熱流計的結構形式、應用情況和測量范

圍等，并對熱流計的標定方法進行簡述，最后對熱

流測量技術發展前景和趨勢進行展望。

[2]

[1]

制作中，一般是采用MEMS工藝，利用陽極氧化、

物理或化學氣相淀積絕緣介質等技術在硅膜上制

備熱電堆。半導體熱流傳感器具有更高的靈敏

度、量程和分辨率，響應時間短、工作溫度范圍寬。

隨著新技術和新工藝的發展，各種新形式的熱流計

也不斷涌現，例如：微型薄膜熱流計由熱阻層和差

分熱電堆構成，共96個銅?鎳熱電偶正向串聯，冷、

熱節點分別布置在熱阻層兩側，形成差分熱電堆；

一種新型結構形式的熱流計，由40對熱電偶串聯

排列成圓形，冷熱節點分別布置在不同半徑的同心

圓上，且分別鍍上不同厚度的二氧化硅，可根據熱

電偶的輸出電勢和不同熱阻層的厚度計算出熱流

密度。

進入21世紀以來，薄膜技術的發展使薄膜熱

流傳感器在形狀、敏感度、價格、時間響應和測量精

度等方面得到迅速改進，對瞬態、微小熱流密度的

測量成為可能，可以滿足航空航天領域更高精度和

更短響應時間的測量需要。法國Captec公司研發

的熱流比較器，采用MEMS技術加工出上百對熱

電堆，能夠在很短時間內測量出極微弱的熱流。

2005年，美國的Diller教授研發了橫向賽貝克效應

熱流計和高溫熱流計（high temperature heat flux

nsor, HTHFS），前者靈敏度低，發展前景有限；

后者適合測量高溫高熱流。

1.2 國內情況介紹

我國從20世紀50年代開始熱流計的研制工

作，中國醫學科學研究院衛生研究所首先進行了熱

流計及其標定設備的研制，北京工業大學、清華大

學等也做了一些工作。20世紀80年代，中國醫學

科學研究院衛生研究所開發出硅橡膠軟測頭熱流

計，并在現場熱工測試中取得了較好的效果。

北京航空航天大學的曹玉璋教授在20世紀

80年代研制了單膜和雙膜熱流計；北京科技大學

的付軍隆博士于1998年開發的瞬態熱流計能在較

短時間內（5～6 min）預測出熱流計最終測量結果；

北京工業大學的楊素君于2001年完成了微型瞬態

薄膜熱流計的研制，在石英基片上濺射銅、鎳和二

氧化硅薄膜，制成薄膜熱流計；文耀普和楊素君

于2003年提出了三線法熱流計的研制方案和分析

計算；陳則韶和楊寶玉于2003年研制了全輻射瞬

態熱流計及其標定方法。

[9]

[4]

[3]

[8]

[7]

[6]

[5]

[4]

1 熱流測量技術發展歷史

1.1 國外情況介紹

1914年，德國Henky教授為了測量啤酒廠內

通過地板的熱流密度，用10 cm厚的軟木板覆蓋地

板，測出軟木板上、下兩面的溫度差，然后利用溫度

梯度和軟木板的導熱系數計算熱流密度，就是現在

的熱阻式熱流計的雛形。1924年德國的Schmidt

利用纏繞線結合電鍍形成熱電堆的方式制成了世

界上首個可實用的熱流計，即現在的Schmidt熱流

計。1939年，Gier和Boelter用在康銅絲上電鍍銀

的方法制成了熱流傳感器用熱電堆。1953年

Gardon提出了Gardon熱流計的概念，并對其結構、

原理及箔片的導熱方程進行了詳細介紹和推導。

1969年前后，為了滿足高精度熱流測量的需求，

Epstein等開始將半導體工藝應用到熱流傳感器的

[4]

[3]

[4]

[3]

220航天器環境工程第 37 卷

目前，應用于航天器熱平衡試驗的熱流計主要

有絕熱型熱流計和熱屏等溫型熱流計2種類型。北

京空間飛行器總體設計部研發了卡計法熱流計

護瞬態輻射熱流計（雙環熱保護熱流計）

[11]

[10]

流計能提高熱流計吸熱面溫度分布均勻性和測量

精度。

，

并與中國科學技術大學合作研發設計了雙環熱保

。其中，

卡計法熱流計與熱屏等溫型熱流計的原理基本一

致，只是在工藝及結構上略有調整；雙環熱保護熱

2 熱流計分類

熱流計可按工作原理分為基于溫度梯度、基于

能量平衡和基于半無限大體假設3大類，各類熱流

計的細分可參見圖1所示。

熱電堆式熱流計

建筑用

Schmidt-Boelter熱流計

高溫熱流計

P-N結低溫熱流計

氣動熱

試驗用

沿縱向

基于溫度

梯度

柱塞式熱量計

圓箔式熱流計

或戈登計

基于橫向溫度梯

度的新型熱流計

沿橫向

熱流比較計

橫向塞貝克效應熱流計

水卡量

熱計

可用于紅

外、太陽

能等低熱

流測量

絕熱型熱流計

熱屏等溫型熱流計

卡計法熱流計

雙環熱保護熱流計

絕對輻射計

太陽模擬

器測量用

航天器

熱試驗

用

熱流計

基于能量平衡

塞塊式

熱量計

薄殼式

熱量計

薄膜熱電偶或熱電阻測溫

同軸熱電偶測溫

點測溫

光纖測溫

基于半無限

大體假設

零點熱量計測溫

液晶測溫

區域

測溫

紅外測溫

熒光體測溫

氣動熱

試驗用

圖 1 熱流計的分類

Fig. 1 Classifications of heat flux nsors

2.1 基于溫度梯度

這類傳感器的工作原理是：當有熱流通過熱流

傳感器時，會在傳感器的熱阻層兩側產生溫差，根

據傅里葉定律，由測得的溫差可以計算出通過傳感

器的熱流密度為

q=-λdT/dx，

熱流計或戈登計、熱流比較計等。

1）熱電堆式熱流計

熱電堆式熱流計常用來測量導熱熱流。由于熱

阻層兩側的溫差不大，熱電堆式熱流計一般用熱電

偶串聯組成熱電堆作為溫度檢測元件，當熱流垂直

(1)

通過測頭時，可以由熱電堆產生的熱電勢推算出溫差，

E=NS(T

)，(2)

式中：q為熱流密度，W/m；dT為熱阻層兩側的溫

差，K；dx為熱阻層的厚度，m；λ為熱阻層的導熱系

數，W/(m·K)。

溫度梯度型熱流傳感器（或稱熱阻式熱流計）

是應用最廣泛的一類熱流計，可以分為沿縱向溫度

梯度和沿橫向溫度梯度2種，前者包括熱電堆式熱

流計、Schmidt-Boelter熱流計等，后者包括圓箔式

式中：E為熱電堆輸出熱電勢，V；N為熱電偶對數；

S為塞貝克系數，V/K；(T

)為溫差，K。

隨著薄膜技術的發展，可以在熱阻層兩側鍍熱

電堆形成薄膜型熱流計，其響應時間極短，對周圍

物理場和溫度場的擾動較小。熱電堆的基本結構如

圖2所示。

[1]

第 3 期

高慶華等：熱流測量技術發展綜述

221

Copper

output

leads

Thermal

Barrier

Upper thermocouple

junctions at T

Lower thermocouple

junctions at T

圖 3 S-B型熱流計結構及實物

Fig. 3 Structure of Schmidt-Boelter heat flux nsor

3）高溫熱流計

高溫熱流計由美國的Diller提出并研制，如

圖4所示，其結構為將2種不同的金屬或者半導

體按照熱電偶形式串聯。相比其他熱阻式熱電堆熱

流計，這種熱流計無單獨的熱阻層，由金屬或半導

體本身充當熱阻層，當熱阻層兩面因外熱流產生溫

差時，會在串聯回路中產生熱電勢，熱電勢的大小

與熱流密度成正比。

圖 2 熱電堆的基本結構

Fig. 2 Basic structure of thermopile

[7]

2）Schmidt-Boelter熱流計

Schmidt-Boelter熱流計（S-B型熱流計）的傳感

器部分是熱電堆形式，其結構及實物如圖3所示，

常用來測量對流換熱和輻射換熱總熱流。

[1]

Constantan wire on left

side of wafer electroplated

with copper (Top and Bottom)

ΔT=T

=Top surface

Temperature

=Bottom surface

Temperature

Anodized aluminum wafer

0.02-in.-diam

constantan wire

q″

brass

steel

electrical insulator

solder

Thermocouples

Gage body

Inconel housing

Mounting

screws

Aluminum

nitride

All dimensions in inches

35-40 Turns 0.002-in.-diam constantan

wire. electroplate copper onto one-half

of coil, both sides (top and bottom)

HTHFS

thermopile

圖 4 高溫熱流計結構及實物

Fig. 4 Schematic diagram of the thermopile circuit and

physical map of HTHFS

4）P-N結低溫熱流計

日本的Haruyama教授基于半導體的帕耳帖效

Epoxy

(Stycast? 2762)

0.187 OD

Anodized

aluminum wafer

(0.15×0.05×0.02)

0.002-in.-diam

constantan wire

Copper tubing

solder post,

0.0230 OD×0.14

Anodized aluminum

heat sink

Solder

#32AWG (7/40) Teflon?

Coated copper lead

wire

Epoxy (Stycast? 2762)

應，利用P-N結制成熱流計來測量低熱流，如測量

低溫多層密封管道（如液氮管路）的泄漏情況。半導

體的熱電勢很大，基本為一般金屬對的10倍左右。

P-N結低溫熱流計的結構及實物如圖5

[12]

所示。

0.30

吸收的熱流密度q與塞貝克系數S以及P-N

元件的通電電流I、冷結溫度T

、導熱系數K、熱結?

冷結溫度差ΔT、電阻R有關：

q=SIT

?K?T?0.5I

R。(3)

Section A-A

222航天器環境工程第 37 卷

Constantan

foil

Copper body

在測量電子設備熱流時，由于其工作溫度高，

使用熱阻式熱流傳感器相當于增加了熱阻，更不利

于設備散熱；而P-N結熱流傳感器的吸收熱流端相

當于冷端，不會影響電子設備的散熱（有的根據需

要在熱端增加水冷）。

Copper wire

Ceramic insulatinon disk

Heat absorption side

Heat flux

Constantan disk

Metal shell

Copper heat sink

Heat flux signal wire

Cooling water

Heat absorbed

Cooling channel

T-type thermocouple

ceramic

Ceramic

substrate

pellet

P type

Copper

intercommectores

Thermoelectric

elements

Heat rejected

N type

Cold junction

(Cold side)

External

electrical

current flow

Hot junction

(Hot side)

ceramic

Hot junction

(Hot side)

Heat emission side

圖 6 戈登計的原理、結構及實物

Fig. 6 Gardon heat flux nsor: principle, structure, and

sample

7）基于橫向溫度梯度的新型熱流計

NASA的格倫研究中心提出一種新型薄膜熱

流計，基本原理是基于橫向溫度梯度，如圖7所

[6]

示。其原理是：在一塊基板上鍍上2個溫度傳感器，

圖 5 P-N結熱流計結構及實物

Fig. 5 Heat flux nsor and thermoelectric cooler

并在溫度傳感器上面分別鍍上厚度不同而導熱系

數相同的陶瓷熱絕緣材料，然后根據2個溫度傳感

器測得的溫度數據信息計算出所吸收的熱流。

5）柱塞式熱流計

柱塞式熱流計將4對熱電偶安裝在加工出的

柱子上，監視溫度梯度和柱子內的熱量變化，并通

過溫度信息推算出熱流密度。柱塞式熱流計主要應

用在高熱流、高溫、高壓（大于15 MPa）、高速對流

環境中，可以測量穩態熱流和瞬態熱流，但誤差較

大（約±20%）。

6）圓箔式熱流計（戈登計）

圓箔式熱流計又稱戈登計，是Gardon于1953年

提出的，常用來測量輻射熱流，應用較廣，是國內應

用最多的熱流計。戈登計的原理、結構及實物如圖6

[4]

Temperature

nsors

Ceramic

thermal

insulator

Substrate

Thermopile

=5 μm

Ceramic

所示。將康銅箔表面涂黑以提高其吸收比，并將康

銅箔的四周焊在厚實的紫銅塊上；紫銅塊的導熱系

數和比熱容都很大，因而其溫度不易受經康銅箔流

入熱量的影響，可看作等于環境溫度；測量長時間

大熱流時，一般需要在銅熱沉上增加水管進行冷

卻。康銅箔接收的輻射熱流沿徑向流向紫銅塊，在

康銅箔中形成徑向溫度梯度，康銅箔與紫銅塊的溫

差ΔT=T

，與熱流密度

有關。

=1 μm

Ceramic

圖 7 基于橫向溫度梯度的新型熱流計

Fig. 7 A novel heat flux nsor bad on transver

temperature gradient

8）熱流比較計

熱流比較計的基本原理如圖8所示：在一條

低導熱系數（如康銅）的金屬帶上，部分鍍上高導熱

系數的金屬層（如銅），形成熱電堆；金屬帶兩面均

接受熱流照射時，會產生熱電勢，熱電勢的差值與

熱流密度差值成比例。

[7]

第 3 期

高慶華等：熱流測量技術發展綜述

223

2）塞塊式熱量計

塞塊式熱量計也稱熱容式量熱計，這種熱流計

原理簡單（參見圖9所示），可用于對流、輻射熱

Heat flux

[2]

流，以及穩態或瞬態熱流的測量，如電弧加熱設備

試驗的熱流測量，但由于漏熱和溫度的不一致，很

難得到精確的數據。

Thermal

barrier

金屬塊

隔熱層

熱電偶

Electric

current

Coated

material

Conductive layer

In a transparent nsor, the differnece of energy level

to which each end of the coated material is expod

creates an electric potential energy which generates

the measured electric current

圖 9 塞塊式熱量計原理及實物

Fig. 9 Schematic diagram of slug calorimeter

圖 8 熱流比較計原理及結構

Fig. 8 Schematic diagram of heat flux comparator: principle

and structure

3）薄殼式熱量計

薄殼式熱量計的測量原理如圖10所示：在薄

金屬片模型的背面裝上熱電偶，假設溫度不隨金屬

片厚度變化，而隨時間和模型位置不同而變化，即

熱量沿模型表面橫向傳導，因此一般要求模型為低

導熱系數材料，如不銹鋼等；同時要求盡量避免沿

熱電偶導線和模型背面的漏熱（經常被認為絕熱），

以降低測量誤差。但是由于薄膜和光學表面溫度測

量方法的發展，薄殼式熱量計已經不再使用。

[2]

9）橫向塞貝克效應熱流計

在導電、偏離軸生長型薄膜（如Bi

CaCu

）

中可以觀測到，在方向與晶體的晶軸不相重合的熱

流作用下，晶體會產生電場的橫向分力，晶體的這

種熱電響應被稱為橫向塞貝克效應。但橫向塞貝克

效應熱流計的輸出信號小，而且增加材料層數并不

能帶來靈敏度的提升，最終沒能得到應用。

基于溫度梯度的熱阻式熱流計在使用時，一般

采取粘貼到被測表面或懸空安裝的方式，會對被測

溫度場產生干擾，且熱流計本身會由于溫度變化導

致熱物性參數變化。因此在使用時要求熱流傳感器

尺寸盡量小，且須在使用環境下進行標定，以提高

測量準確度。經過精心設計且正確標定的熱流計準

確度較高，如：熱電堆式熱流計的測量誤差一般小

于3%，性能優良的戈登計可以達到0.5%的重復誤

差，商業用戈登計典型偏差是最大測量值的±3%，

Schmidt-Boelter熱流計的測量誤差≤3%。

2.2 基于能量平衡

1）水卡量熱計

水卡量熱計基于能量平衡原理，假定加熱熱量

全部傳遞給水卡中的水，則對于一定時間內穩定不

變的熱流，可通過測量加熱前、后水的溫度變化，實

現熱流的測量。由于響應時間較長，這種熱流計常

用來測量穩態熱流。

No.36 thermocouple wire

Positive lead

Negative lead

1.6 mm

Insulation

material

Thin-Skin calorimeter

圖 10 薄殼式熱量計原理及結構

Fig. 10 Schematic diagram of thin-skin calorimeter

4）航天器熱試驗用絕熱型熱流計

航天器熱試驗用絕熱型熱流計利用絕熱措施

使熱流計敏感片的漏熱減至最小，從而可不考慮敏

感片漏熱的影響，使熱流值與敏感片溫度呈單一的

224航天器環境工程第 37 卷

函數關系。這種熱流計只能在真空環境下應用，其

結構及實物如圖11

6）卡計法熱流計

卡計法熱流計的結構形式與熱屏等溫型熱流

計基本一致，其關鍵技術是在熱屏和敏感面充分隔

熱的基礎上，采用跟蹤控溫和熱電偶反向串聯的方

法使熱屏和敏感面的溫度保持相同，從而可以忽略

兩者之間的熱交換。

7）雙環熱保護熱流計

雙環熱保護熱流計由中國科學技術大學和北

京空間飛行器總體設計部共同研發，其結構及實物

如圖13

[10]

所示。

多層隔熱

一級銅片

二級銅片

圖 11 絕熱型熱流計結構及實物

Fig. 11 Thermal isolation heat flux nsor: structure and

sample

[11]

所示。這種結構能提高熱流計吸熱面溫

度分布均勻性和測量精度。

敏感片表面噴涂發射率大于0.9的黑漆，在紅

外籠帶條溫度與敏感片溫度相差不大時，可以近似

認為敏感片發射率等于吸收比，則到達被測表面的

穩態熱流密度為

=σT

，

-824

(4)

式中：q

為到達被測表面的熱流密度，W/m；σ為斯

忒藩?玻耳茲曼常量，5.67×10 W/(m·K)；T

為敏

感片表面溫度，K。

5）熱屏等溫型熱流計

熱屏等溫型熱流計（或吸收式熱流計）最早由

Ruel等

[13]

圖 13 雙環熱保護熱流計

Fig. 13 Heat flux nsor with double thermal guarded plates

8）絕對輻射計

絕對輻射計可不依賴于任何輻射標準而直接

確定輻射標度，是熱電型探測器，其基本原理為：根

據普朗克輻射定律，將絕對輻射計設計成黑體形

式，可以認為其對入射光無選擇地完全吸收；輻射

計接受輻射后溫度上升，利用絕對計內部的電加熱

器加熱使輻射計溫升與接受輻射的溫升一致，基本

上可以達到電量計測精度；但是在設計絕對輻射計

在1986年舉行的第14屆空間模擬會議

[8]

中提出，其結構如圖12所示。這種熱流計使用前

需要標定，可用來測量航天器真空熱試驗的輻射

熱流。

加熱片

基板

涂層

熱屏

熱電偶

時，需要綜合考慮背景輻射、熱傳導及電損失等影

響。絕對輻射計一般用于太陽模擬器校準，或作為

衛星載荷測量軌道太陽輻照度，獲得太陽常數。

上述幾種基于能量平衡的熱流計或熱量計，由

于存在水流量、比熱容、密度、溫差、尺寸等測量誤

差，水卡量熱計和薄殼式熱量計的誤差一般在5%

左右；由于多層漏熱，絕熱型熱流計的穩態誤差一

般小于4%；熱屏等溫型、卡計法和雙環熱保護熱流

(5)

加熱片

圖 12 熱屏等溫型熱流計結構

Fig. 12 Structure of isothermal screen heat flux nsor

當熱流計在真空低溫下使用時，敏感片的熱平

衡方程為

dτ

σ(T

)+ε

σT

，

計的穩態誤差一般小于5%；絕對輻射計的測量重

復性誤差很小，僅約0.05%。

2.3 基于半無限大體假設

半無限大物體受恒定的熱流密度加熱時，無限

大物體表面的溫度變化為

式中：q

為敏感片表面的吸收熱流，W/m，F

、F

、

分別為由標定數據確定的系數；T

、T

分別為敏

感片與熱屏的溫度，K；τ為測量時間，s；ε

為敏感片

表面的發射率。

第 3 期

高慶華等：熱流測量技術發展綜述

225

[2]

√

2qt

，T(0,t)?T

√

πKρc

(6)

薄的熱電偶，如圖14所示。同軸熱電偶的響應時

間比薄膜傳感器長，約為1 ms或稍短

[14]

。

式中：T為物體溫度，K；T

為物體初始溫度；q為熱

流密度，W/m；t為時間，s；K為敏感片材料的導熱

系數，W/(m·K)；ρ為材料密度，kg/m；c為材料比

熱容，J/(kg·K)。

通過測量物體表面溫度變化，就可以得到其接

收熱流密度的大小。2種最常用測量表面溫度的方

法為通過熱電偶或熱電阻的點測溫，或以光學方法

同時得到整個表面溫度分布的區域測溫。區域測溫

也是基于點的溫度測量，只是將大量點溫度綜合得

到溫度場分布。常見的點測溫傳感器有薄膜熱電

阻、同軸熱電偶等；光學測溫最常見的方式有液晶

測溫和紅外測溫（主要通過紅外熱像儀）等。

1）薄膜熱電偶或熱電阻測溫

熱電偶正、負極或金屬阻層可通過濺射、噴涂

等方式鍍在測量表面，一般厚度小于0.1 μm，測量

響應時間為0.1 μs量級，對被測表面的物理和熱擾

動極小。熱電偶正負極材料須根據測試溫度合理選

擇，熱電阻的主要制造材料為純金屬，一般選用鉑、

鎳和銅等。熱電阻的材料應具有以下特性：電阻溫

度系數大且穩定，電阻值與溫度之間有良好的線性

關系；電阻率高、比熱容小、響應速度快；復現性和

工藝性好；在測溫范圍內化學、物理特性穩定。

2）同軸熱電偶

同軸熱電偶由同軸的內、外電極構成，兩極之

間是絕緣層，通過在裝配線一端連接2種金屬形成

測試表面-熱接點

外電極

絕緣材料內電極

圖 14 同軸熱電偶結構

Fig. 14 Structure of coaxial thermocouple

3）光纖測溫

光纖測溫將光學探頭安裝在被測表面下實現

溫度測量。法布里?珀羅（Fabry-Perot）干涉計是光

纖測溫技術的基礎。根據適用溫度環境不同，光纖

傳感器可以采用不同類型的光纖，溫度低于700 ℃

時，采用硅光纖；溫度高于900 ℃時，采用單晶藍寶

石光纖。光纖測溫的優點是具有很高的空間分辨

率，且無須電連接。

4）零點熱量計

零點熱量計是半無限大表面溫度測量方法的

擴展，常用來測量高熱流（超過1 MW/m）。為保護

熱電偶和線纜，零點熱量計安裝在被測表面下的孔

洞中。零點熱量計的幾何外形是為使熱電偶測量的

溫度與半無限大表面溫度很好符合而設計的，如

圖15所示：在導熱系數較大的金屬圓柱體（長L）

的底部挖1個半徑為a的孔，在敏感面側（熱流入

射方向）保留一定的厚度（b），定義坐標(0, b)位置

為零點。假定零點的瞬態溫度T

(0, b, t)與敏感面

溫度T

(r, 0, t)始終保持一致，則可計算得到表面的

熱流密度。

23.62

[2]

r′

R45.72

(0, b, t)

“Null point” of

nsor

101.60

圖 15 零點熱量計原理、結構及實物

Fig. 15 Null-point calorimeter: principle, structure and sample

5）液晶測溫

液晶是一種介于液體和固體之間的物質形態，

按其分子結構可以分為近晶相液晶、向列相液晶和

膽淄相液晶，其中用于量熱的是膽淄相液晶。將熱

色液晶涂敷在物體表面，當表面溫度不一致時，液

晶會呈現不同的顏色，在使用前通過標定獲得顏色

與溫度的對應關系，即可在使用時通過液晶顏色分

布得出物體表面的溫度分布，進而獲得熱流密度的

226航天器環境工程第 37 卷

分布。

6）紅外測溫

紅外測溫的基礎原理是熱輻射，當物體表面溫

度高于0 K，會發出與表面溫度有關的一定強度和

波長的輻射能。敏感元件吸收輻射能后溫度升高，

物理參數也發生相應變化，通過測量敏感元件物理

參數的變化，可確定探測器所吸收的紅外輻射。

7）熒光測溫

熒光測溫的基本原理是：熒光體（光致發光材料）

在受到激勵光輻照時，會發出一定波長的光，輻射

強度決定于物體表面溫度。可利用CCD相機記錄

物體表面的瞬態光學影像，再根據標定結果確定表

面溫度。熒光體的工作原理決定了其在高溫領域具

有潛在應用前景，但是熒光體的溫度標定技術是很

大的挑戰。

總之，基于半無限大體假設的熱流計測量精度

受熱電阻的測量精度、尺寸、集總熱參數的標定精

度影響，一般測量誤差較大，但小于10%。

行器的發展，也對氣動熱與熱防護試驗提出了新的

要求。不但需要在常規的熱流測量技術上發展，還

要結合材料、計算機模擬、試驗驗證等方法和手段，

引領熱流測量技術向測量更準確、響應更快、使用

范圍更寬的方向發展；同時需要對新方法、新技術、

新工藝進行探索，發展和完善新的熱流測量技術。

總體來說，未來熱流計的發展有如下趨勢：

1）微型化。為了減少對被測試件的干擾，適應

小區域的熱流測量，傳感器尺寸越小越好。這已隨

著MEMS技術的發展得到逐步實現。

2）瞬態響應時間短。航天器真空熱試驗和氣動

加熱試驗中，都有很大的瞬態熱流測量需求，因此

傳感器的響應時間越短越好。目前，熱流傳感器的

響應時間已經達到s、ms甚至μs量級。

3）低熱流和極高熱流的測量。在空間環境中，

航天器表面最低熱流接近于4 K的黑體輻射，熱流

密度基本接近于0；在航天器真空熱試驗中，最低熱

流一般為幾十W/m；而在高超聲速飛行器上，由于

氣動熱流近似與速度的3次方成正比，所以飛行器

表面熱流密度可以超過幾百MW/m。極低和極高

熱流都對熱流計的發展提出了更大挑戰。

4）耐更高溫度。隨著高超聲速技術的進一步發

展，飛行器表面溫度越來越高，因此需要研制耐高

溫的熱流傳感器用于氣動熱試驗，其關鍵是制造耐

高溫熱流傳感器的材料。

3 熱流計標定

熱流計制成后，由于熱流傳感器制作工藝及材

料性質不一致等因素，導致傳感器輸出參數很難完

全一致，因此在使用前都需要單獨標定。常用的標

定方法有絕對法和相對法。

絕對法利用標準熱流進行標定，常用的標準熱

流是電加熱器和黑體爐，其中：電加熱器一般用來

標定熱阻式熱流計，如前文提到的熱電堆式熱流

計；黑體爐一般用來標定輻射熱流計，如前文提到

的戈登計、Schmidt-Boelter熱流計和熱流比較計等。

相對法也叫標準熱流計法，一般用來標定輻射

熱流計，其基本原理是：將待標定熱流計與標準熱

流計同時放置在穩定的輻射源下，利用標準熱流計

確定輻射熱流大小，根據待標定熱流傳感器的輸

出，確定輸出信號與輸入熱流密度間的關系。通常

采用石英燈組結合可控硅進行輻射熱流的控制。

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（編輯：馮露漪）

一作簡介：高慶華（1980—），男，碩士學位，高級工程師，主要從事航天器熱試驗技術研究工作。E-mail：

406877921@。

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