随着现代科技的跨越式发展,许多工业生产过程需要对热能的流向进行精确的控制,以达到需要的特性和对产品的质量控制,热能传递过程的优化对许多系统是否能够达到最优状态影响巨大,热流密度反映了这一过程。热流密度是温度的派生参数,无法直接感知。因此,研发用于直接测量热流密度的传感器至关重要。结合科学研究和工业生产的要求,提出了一种体积小、重量轻、精度高的热电堆式热流传感器的设计方案。首先,根据测量热流密度的基本原理对已有的热流测量技术进行了分类阐述,详细介绍了各类测量技术的特点。结合国内外的发展现状,确立了研制热流传感器的必要性。依据总体设计的指标,确定了热电堆式热流传感器的设计方案。简单介绍了热电偶测温原理和温差测量电路的组成,根据一维导热模型推导出输入热流与热阻层温差的线性关系,从而得到热电堆式热流传感器的测量原理。详细讨论分析了在两种边界条件和测量辐射热流情况下,传感器测量热流的误差,总结出影响传感器性能的参数及相关解决方案。然后介绍了热电堆式热流传感器的测量元件的基本结构,根据热流传感器测量辐射热流的特点,设计了传感器的基本结构。通过ANSYS有限元分析软件对影响传感器性能的关键参数进行了热力学仿真,提出了传感器测量元件具体材料和结构的要求。此后介绍了热流测量元件中热阻层的选择原则、热电堆材料选择依据和制作方法,通过对比分析确定了传感器的装配方案。提出了热流传感器测试系统的组成,完成了差分放大电路和二阶低通滤波器的设计与实现,设计了LabVIEW上位机显示面板,基于MSP430和LCD实现热流传感器的测量的便捷性。确定了传感器的标定系统,以黑体炉作为标准辐射源,按照热流计量标准,对设计的热流传感器进行标定。标定实验结果显示,本文所设计的热电堆式热流传感器的量程为0-20kW/m2,相对误差为3.3%,满足设计要求。