热对流是自然界中客观存在的基本物理现象之一，例如冬天的暖气片、大洋的洋流以及地幔的运动等，任意存在温差的流体或者液体之间总是不停的发生由于质点位移而产生的热交换直到温差消失为止。热对流式传感器指的是利用外界物理量（例如加速度、流体以及角速度等）改变流体原有的对流热交换状态，导致流场内的温度分布发生变化，最后将温度变化转换为电信号的输出的传感器。 相对于传统的基于力检测原理的传感器，热对流传感器使用流体代替敏感单元，因此它具有结构简单抗外部冲击以及灵敏度高、线性度高的特点。通过不断采用新结构、新工艺以及新材料，热对流式传感器在精密测量领域会有更加非常广泛的应用。
1.热对流的基本定义以及原理
热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。
根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。
热对流又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。
对流传热实质上就是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递。通常传热的冷热两个流体总是通过某金属壁面进行热量交换，其表现就是流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程。
1.1 热对流的基本模型以及传热方程
流体沿固体壁面流动时，无论流动主体湍动的多么激烈，靠近管壁处总存在着一层层流内层。由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合，所以固体壁面与流体间进行传热时，热量只能以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层的热传导将产生较大的温度差。另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体质点混合剧烈，热量十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小，其传热就是典型的对流传热。
图1 对流传热的温度分布示意图
图1对流传热的温度分布示意图,由于层流内层的导热热阻大,所需要的推动力温度差就比较大,温度曲线较陡,几乎成直线下降。一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层。
流传导的基本物理量定义以及公式如下：
热传导遵循傅里叶定律：
（1）
式中， 为热流量（），为热传导系数（），为传热面积（），为温度梯度（）。
热流量或者热流密度定义为：
（2）
其中导热系数为：
（3）
1.2 影响对流传热系数的因素
凡是影响边界层导热和边界层外对流的条件都和有关,目前所能设计的实验表明，影响的因素主要有：
1) 流体的种类,如液体、气体和蒸汽；
2) 流体的物理性质,如密度、黏度、导热系数和比热容等；
3) 流体的相态变化,在传热过程中有相变发生时的值远大于没有相变发生时的值；
4) 流体对流的状况,强制对流时的客房预定值大于自然对流时的值；
5) 流体的运动状况,湍流时的值大于层流时的值；
6) 传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度等。
2.热对流式传感器的基本结构以及工作原理虹吸式屋面雨水排水系统
热对流式传感器的基本原理是基于流体和固体之间的热交换原理，一般为在一个腔体之内存在加热元件以及一组对称的热敏元件。当加热元件工作时，会把腔体中的流体加热，在流体稳定的条件下，热流体会与周围较冷的流体发生热对流传导。在自然对流的情况下，两个热敏元件探测的温度是相等的。如果在外界的作用力下发生强迫热交换，即打破原本的热对流状态，那么两边的温度变化会导致热电阻的电阻值变化。这种阻值变化可以反映
外界物理量的变化，因此这种器件可以用来测量外部加速度，角速度以及流体流量等的变化。
图2 热流式传感器的基本结构以及温度分布
在图中，加热丝由于热对流引起的热量耗散量为：
（4）
式中， 为热丝长度， 为热丝的直径， 为热对流换热系数， 为热丝温度， 为流体温度。
根据强迫对流热交换理论，可以得到热丝散失的热量与流体的速度之间存在的关系式：
（5）
式中， 为与热对流传导率与热丝的几何尺寸有关的物理常数。环境风洞
设热丝电阻为，通过它的电流为，则热丝单位时间内产生的焦耳热为
（6）
当达到热平衡时，即有
（7）
上式为流体与热丝热交换达到恒定时的表达式。根据两边热敏元件的温度差异，通过惠斯通电桥就可以测得流体的状态。
3.测量电路磁悬浮床
3.1 热流式传感器的测量电路
热流式传感器基于温度差分输出电压测量原理，因此基本调理电路是针对于Wheatstone电
桥的差分电压放大电路。由于热流式加速度传感器的工作原理是基于热传导，因此它的响应频率比较低，在电压放大的基础上增加了带宽补偿电路，通用补偿方法有自动增益控制（AGC）、系统传递函数以及零极点并联（串联）补偿法以及发射极电容补偿方法[1]。
图3 流式传感器调理以及补偿电路
3.2 热流式传感器的温度补偿
热流式传感器一般工作在恒温条件下，当环境温度发生变化时，将会给测量带来误差，因此一般采用桥接方式以及热敏电阻补偿器方法环境温度引起的测量误差。
图4放电棒热流量传感器测量电路
图中R1，R2，R3是固定电阻器，Rh 是传感器电阻，Rf是用于感测流体温度的电阻，具有温度系数，可以补偿环境温度变化对测量结果的影响。当流体温度不随时间变化而变化时，Rf是一个常数。若假设在室温条件下，R2＞R3，且Rf = R'h （ R'h是室温条件下的电阻值），则电源提供的电流大部分都流向R3和R'h支路。接通电源后，R'h被加热，阻值升高到Rh时，电桥处于平衡状态。
（8）
相应的输出电压在数值上则为电阻的变化量，即
