熱防護服裝測評用傳感器的發展及其研究現狀

翟麗娜， 李 俊， 楊允出

(1. 浙江理工大學 國際教育學院 310018； 2. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；3. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

為應對自然環境和社會環境中存在的傷害源，如明火、熱輻射、高溫液體、高溫蒸汽，相關作業人員需要穿著合適的熱防護服裝保護人體。對熱防護服裝進行有效測評是評估熱防護服裝防護性能和進行熱防護服裝質量控制的重要手段。由于熱防護服裝可能對人體造成潛在傷害，對熱防護服裝的主觀測試多集中在熱防護服裝的著裝舒適性能方面，而對于熱防護服裝的熱防護性能測評多依賴儀器的客觀測評進行。

現階段熱防護服裝性能測評多在2個維度展開：一是面向熱防護服用織物的平板測試[1]；二是面向熱防護服裝整體的假人測試[2]。目前，熱防護服裝測評的基本思路為：首先創造相關熱環境，模擬高溫火場、熱輻射或高溫液體等危害源；其次將熱防護服裝或服用織物覆蓋在假人本體或平板儀器表面，最后利用儀器替代人體皮膚進行受試測試，并通過假人體表或平板儀器表面的傳感器進行數據采集。通過這一方式，測評試驗創造了危險環境—防護服裝—人體的模擬條件，最終將傳感器采集到的熱量信息進行轉化，并根據人體皮膚表面的熱量或人體皮膚燒傷預測分析[3]，對熱防護服裝熱防護性能進行評估[4]。儀器表面嵌入的熱傳感器是熱防護服裝測評的終端環節，其采集到數據的準確性及合理性直接影響了人體皮膚燒傷預測的準確性和真實性。

本文對熱防護服裝測評領域相關研究及相關測評標準中的熱傳感器進行了詳細梳理，通過分析不同類別傳感器的結構特征、信息采集方法，以及后續的數據處理方法，總結了不同熱傳感器的測評特點，旨在梳理熱傳感器的發展歷程和規律，指出當前熱防護服裝測評方法中對熱傳感器的研究不足，對未來優化熱防護服裝測評技術提出參考。

1 熱傳感器的發展歷程及分類

文獻資料顯示，最早的熱防護服裝測評用傳感器出現在20世紀50年代，是美國海軍材料實驗室(Naval Material Laboratory, NML)設計研發的一款皮膚模擬傳感器，該傳感器的研發目的是模擬熱防護相關研究中面料覆蓋下的皮膚的燒傷情況。20世紀70年代，美國空軍和Acurex Corporation公司合作研發了較為完整的燃燒假人系統，該燃燒假人本體嵌入了114個皮膚模擬傳感器，之后杜邦公司引進了相似的假人，即熱防護服裝測評領域經典的假人系統Thermo man假人系統[2,5]。20世紀80年代, Eastman公司的Trent等[6]和明尼蘇達大學的Norton等[7-8]相繼報道了使用皮膚模擬傳感器的假人系統，因此早期的熱防護服裝測評用傳感器是利用人體皮膚模擬材料研制而成的皮膚模擬傳感器。

20世紀80年代，北卡州立大學的Barker團隊設計研發了熱防護性能測試儀器[1]，在這個儀器上所用的熱傳感器為銅片熱流計(copper slug calorimeter)。隨后，以銅片熱流計為原型的銅片傳感器被廣泛應用于各類平板測試儀器和假人測試方法中。同時期，加拿大的阿爾伯特大學研發了以皮膚模擬傳感器為數據采集器的燃燒假人[9-10]。東華大學在近年建成了符合中國人體體型的燃燒假人[11]，其系統所用傳感器同樣為銅片式傳感器[12]。

隨著熱蓄積概念的提出和熱防護性能概念的完善，相關熱防護測試標準中出現了水冷傳感器，薄片式熱流密度傳感器，以及利用新型材料加工的皮膚模擬傳感器。因此，熱傳感器伴隨著熱防護性能測評方法的出現，已經有近70年的發展歷史，其主要類型以銅片傳感器和皮膚模擬傳感器為主體，本文將重點對銅片傳感器和皮膚模擬傳感器2類傳感器進行梳理。

2 銅片式傳感器

2.1 銅質熱流計

銅片傳感器最早出現在熱防護織物的平板測試方法中，其設計原型是銅質熱流計。銅質熱流計主要由圓形銅片、熱電偶、傳感器外殼組成，其結構示意圖如圖1所示。其中銅片為熱環境中溫度監測的熱敏感元件，4個熱電偶被固定在銅片的背面，用于采集銅片平均溫度的變化。由于銅片材質為該傳感器的熱敏感元件，銅片的熱學性能比較穩定，測試結果也相對精準，另外其在熱環境，特別是強熱對流的火場模擬環境中仍然有較好的耐用性，同時傳感器可多次反復使用，因此這類傳感器是熱防護服裝測評領域最早標準化應用的一類傳感器，ISO系列及ASTM系列測試標準中，都應用了這種銅質熱流計。為模擬人體皮膚在熱暴露過程中的溫升區間，常用銅片的厚度約為1.6 mm，直徑為40 mm。

圖1 銅質熱流計示意圖Fig.1 Copper slug calorimeter

在銅質熱流計的應用方面，由于銅質熱流計直接測得的數據為溫度信號，因此早期的熱防護測評方法僅需要使用傳感器測得溫度進行熱防護測評。例如在ISO 9151—2016《隔熱及防火服·暴露在火焰中的熱傳遞測定》，ISO 6942—2002《防護服·對熱和火的防護·試驗方法：在暴露于輻射熱源時材料和材料組件性能的評估》，ISO 17492—2019《隔熱和防火服·暴露于火和輻射熱時防護服的熱傳遞的測定》測試標準中，只需要紀錄傳感器溫度達到規定溫度需要的時間，即可計算相關的熱防護性能指標。而在美國的系列測試標準為主的測試方法中，使用同等熱量的銅片溫升的Stoll曲線[13]和面料測試曲線的交點來預測人體皮膚可能發生的二級燒傷。例如ASTM F1939—2015《采用連續加熱法的防火服材料防熱輻射的標準試驗方法》，ISO 17492—2019(該標準應用了2種評價方法)。

近年來，相關ASTM測試標準規定，應使用累積能量形式的Stoll曲線和面料測試曲線進行二級燒傷時間的判斷，如ASTM F2702—2015《評估阻燃服裝材料的輻射熱性能進行燒傷預測的標準試驗方法》和ASTM F2703—2013《評估阻燃服裝材料的非穩態傳熱進行燒傷預測的標準試驗方法》，因此傳感器測試獲得的溫度數據還需要進一步經計算轉化為累積能量曲線，才能應用在皮膚燒傷的預測中。由于銅的熱阻遠遠小于空氣對流熱阻，銅片的熱阻可忽略[10]，因此，多數情況下，可假設銅片的溫度在空間分布上是均勻的，同時忽略銅片內部的溫度梯度，即可使用集總熱容模型計算銅片的累積能量，計算公式為

Q=ΔT(mCp)/A

式中：Q為任意時間銅片熱流計的累積能量值，J/cm2；m為銅片的質量，g；Cp為銅片的比熱容，J/(g·℃)； ΔT為一段時間內的溫度變化值，℃；A為銅片暴露部分的面積，cm2。

2.2 PyroCal 傳感器

PyroCal傳感器是北卡州立大學所研發的Pyro-Man假人[14-15]體表所安置的傳感器。該傳感器是Grimes等[16]在銅質熱流計的基礎上改進而成的，其結構示意圖如圖2所示。該傳感器同樣使用銅片為敏感元件，銅片外部在徑向環繞了一個銅片薄環，這種結構設計可減少銅片的熱量損失。同樣，熱電偶位于銅片的背面，用于采集銅片的平均溫度。傳感器表面通常使用啞光的黑色瓷漆噴涂，從而模擬人體皮膚的發射率。

圖2 Pyrocal傳感器示意圖Fig.2 Pyrocal sensor

這種傳感器的響應時間較快，測試精確度高，因此接受度較高，在燃燒假人系統的應用范圍較廣，例如美國伍斯特理工學院(WPI)[17-18]和東華大學的燃燒假人都選用了該類型的傳感器。

該類銅片傳感器采集的仍然是溫度信號，但是燃燒假人測試方法中需要使用假人體表的熱流密度數據對皮膚內部溫度進行模擬并進行皮膚燒傷的預測，因此該溫度數據需要被轉化為熱流密度數據。

同樣，忽略銅片內部的溫度分布，使用集總熱容模型將銅片的溫度轉化為銅片接收到的熱流密度，計算公式[16]為

式中：t為時間，s；T0為初始溫度，℃；T(t)為時間點t的瞬時溫度，℃；T∞為環境溫度，℃；q為瞬時熱流密度，kW/m2；ρ為銅片的密度，kg/m3；Cp為鋼片比熱容，J/(kg·℃)；Km為銅片厚度偏差因子；L為銅片厚度，mm。KL為校正系數；h為對流傳熱系數，W/(m2·K)；h(T(t)-T∞)代表的是由于自然對流而產生的熱損失，kW/m2；KL(T(t)-T0)代表的是銅片與支撐絕緣板之間的接觸導熱損失，kW/m2。

在實際應用過程中，由于自然對流所占比例很小，因此常將自然對流的熱損失忽略不計，從而可將上式簡化為：

式中：Km和KL2個修正參數可通過與標準水冷熱流密度傳感器進行校對而修正獲得。具體校對方法可參考文獻[16]。

該類型傳感器存在的問題是，由于銅片溫度上升速度比皮膚快，如果銅片溫度過高，則可能對熱流密度產生干擾影響。 Grimes等[16]在傳感器的設計開發中考慮了這一因素，他們發現當入射能量為25 kW/m2時，應確保銅片的厚度達到1.524 mm，從而保證在15 s的熱暴露時間內，銅片的溫度保持在低于人體皮膚溫度的水平。所以，該類傳感器僅適用于短時間瞬時的高熱流密度條件測試中[19]。使用該類型傳感器的燃燒假人系統(例如PyroMan假人)在短時間的高熱流密度測試中的應用效果較好。

2.3 水冷傳感器

水冷傳感器是具有水冷功能的傳感器裝置。由于設計了水冷循環裝置，傳感器累積的熱量可以被循環水帶走，即避免了長時間熱暴露過程中傳感器的溫升過高。因此該類傳感器可以適用于長時間的熱暴露測試。

熱防護服裝測評領域常用的水冷傳感器有2種：一是塞式傳感器(Schmidt-Boelter)；一種是圓箔式傳感器(Gardon)。Schmidt-Belter傳感器是一種熱電堆熱流傳感器，最早在1924年由Schmidt Boelter設計提出而得名。Gardon傳感器是一種圓箔式熱流計，最早在1950年代，由Robert Gardon設計而得名[20]。Schmidt-Boelter傳感器和Gardon傳感器的本質區別在于其熱流密度采集的方法上[21]。Schmidt-Boelter傳感器的熱流密度是通過軸向的溫差計算得到的，其表面的溫度呈均勻分布，通過金屬片表面溫度和水冷的熱沉體之間的溫度差計算表面的熱流密度。而Gardon傳感器的熱流密度則是通過徑向溫差計算得來，通常情況下，其中心為一康銅箔片，該箔片被焊接在中心空腔的圓筒形銅塊上，康銅箔片和銅塊即形成一對測溫的熱電偶[17, 22-23]。水冷傳感器將金屬溫差產生的電勢差直接轉化為熱流密度數據，是一種直接采集熱流密度的熱流密度傳感器。目前2種傳感器均應用于ASTM和NIST的標準化測試中。

在熱防護測試領域，水冷傳感器適合用于長時間低熱流密度的熱暴露測試中，ASTM F2731—2011《測量消防員防護服系統的能量傳播和儲存的標準試驗方法》即規定使用直徑為25.4 mm的Schmidt-Boelter熱電堆類型傳感器進行數據采集。

實際上，相對于銅質熱流計，水冷傳感器直接用于熱暴露測試的情況較少，這是由于水冷結構的嵌入使得整個傳感器的應用便捷性較差，因此大多數情況下，該傳感器用于校對過程中。例如ASTM F2700—2013《連續加熱服用耐火材料非穩態熱傳遞評定的標準試驗方法》和ASTM F2703—2013中建議使用Schmidt-Boelter和Gardon傳感器對火源的熱流密度進行校對。另外，皮膚模擬傳感器及燃燒假人體表的傳感器也多通過水冷傳感器進行校對[10, 24]。

3 皮膚模擬傳感器

從歷史發展過程來看，皮膚模擬傳感器比銅片式傳感器更早出現，但是相關研究資料有限。如前文所述，美國NML實驗室在20世紀50年代即研發出了一款皮膚模擬傳感器，其目的是使用可替代人體皮膚的工程材料，模擬皮膚的表面熱學性能及受熱響應過程，從而替代人體皮膚進行熱防護織物測試。

3.1 皮膚模擬材料

皮膚模擬傳感器對人體皮膚的模擬效果取決于皮膚模擬材料是否可模擬皮膚的熱物性能。皮膚的熱物性能主要通過皮膚的密度、比熱容以及導熱系數來表征。

然而同時對密度、比熱容和導熱系數3個參數進行模擬具有一定難度。目前，在熱防護測評領域，大都利用三者的乘積，即皮膚的熱惰性參數進行材料挑選及模擬。

將皮膚看作半無限大平面，則其表面的溫度可通過公式進行計算

表1示出了熱防護服裝測評領域相關研究中出現的皮膚模擬傳感器的材料及其相關熱學參數。

表1 皮膚模擬傳感器材料及其相應熱惰性Tab.1 Materials of skin simulants and their thermal inertias

從表1可知，目前熱防護服裝領域出現的皮膚模擬材料均為多種材料的混合物。早期的皮膚模擬材料以熱塑樹脂為主，后期皮膚模擬材料的主要組成為硅鋁酸鹽類無機材料。根據相關國際標準及研究[7]，皮膚表皮層的熱惰性約在1 224～1 647 J/(m2·℃·S1/2) 范圍內。通過合適的材料混合比例，可以達到模擬近似模擬人體皮膚的熱惰性參數。

除了皮膚模擬材料的熱物性能，在高熱輻射的熱防護測試中，皮膚的熱輻射系數也將影響環境到皮膚的熱傳遞過程。通常，在皮膚模擬傳感器表面噴涂啞光耐熱有機硅磁漆(輻射系數0.95～0.98)可達到模擬人體皮膚的光學性能[27-28]的效果。

3.2 皮膚模擬傳感器的結構

相較于金屬傳感器，皮膚模擬傳感器的結構較為簡單。由于其熱信號接收元件大都為熱電偶絲，將熱電偶用耐高溫膠粘于皮膚模擬材料表面即構成了最簡單的皮膚模擬傳感裝置。美國WPI的皮膚模擬裝置[29]即將熱電偶粘于Macor?材料表面以及嵌入皮膚模擬材料內部(見圖3(a))，從而可同時采集模擬材料不同深度的受熱變化。

圖3 皮膚模擬傳感器的結構Fig.3 Structures of kin simulants. (a) Slab; (b) Cylinder; (c) With Shells

另一種常見的皮膚模擬傳感器構造為圓柱形傳感器，如圖3(b)所示，這種傳感器初步具有了傳感器形態的構造。皮膚模擬材料被加工成中心可穿入熱電偶絲的圓柱形零件，將熱電偶絲粘于圓柱體表面或嵌入表面以下，從而采集熱學信號。例如，Thermo-man假人和阿爾伯特大學燃燒假人的傳感器即采用了該種構造。

皮膚模擬傳感器的構造之所以相對簡單，是因為歷史上皮膚模擬傳感器受到材料和加工技術的限制，無法實現與金屬相似的加工復雜度和精確度。近年來，隨著可加工陶瓷Macor?的出現，學者研發了如圖3(c)所示可拆卸的皮膚模擬傳感器。該傳感器具有更為復雜的傳感器形態，并通過可拆卸的結構，可以較好地與各種測試設備兼容。

3.3 皮膚模擬傳感器的數據轉化模塊

雖然不同皮膚模擬傳感器具有不同的材料和結構，但是其溫度信號采集過程及數據轉化的原理是一致的。

與前文所述的PyroCal傳感器一樣，皮膚模擬傳感器多用于燃燒假人測試，需要利用傳感器計算熱防護服裝覆蓋下的皮膚表面的熱流密度信息。而皮膚模擬傳感器的熱電偶直接采集到的是溫度信息數據，因此同樣需要將皮膚表面的溫度信號轉化為皮膚表面的熱流密度信號。

與金屬傳感器不同，皮膚模擬傳感器具有較低的導熱系數，以及較大的比熱容，因此在受熱過程中，皮膚模擬材料內部將會產生一個溫度梯度，這種情況下，不能將皮膚模擬傳感器的質量和溫度集中在一個質點，因此不能將傳感器作為集總熱容模型的處理。

對于存在溫度梯度的皮膚模擬傳感器，通常使用以下2種方法進行溫度信號到熱流密度信號的轉化：其中一種方法是Duhamel模型；另外一種方法是使用數值逆運算的方法計算皮膚模擬傳感器的溫度梯度分布。

Duhamel模型是將一維導熱微分方程的解用積分方程的形式進行表達，結合傅里葉定律給出的熱流密度方程，可寫成公式

式中：T(x;t)為實體中隨時間變化的溫度響應，℃；Y(t)為實體表面隨時間變化的表面溫度變化，℃;λ是微分的時間變量，s。

該積分形式在應用中并不便利，因此可對該積分進行時間離散，使用不同的離散方法，可以獲得不同的離散公式。皮膚模擬傳感器常用的溫度轉化為熱流密度的不同離散公式為[23, 30]：

式中：tm為所求熱流密度的時刻，s；tj為每個時間節點的時刻，s;Tj-1為上一個時間節點的時刻，s；Tj為歷史時間j時刻的溫度，℃；Δt為時間步長，s。

另外一種方法則利用了數值逆運算。該方法的計算過程為，首先利用皮膚模擬傳感器表面的溫度信息作為導熱微分方程的邊界條件，進而對皮膚的內部溫度場進行求解。然后根據傅立葉定律，使用該數值模型中表面的2個深度節點的溫度計算表面的熱流密度，熱流密度地計算公式如下，此種方法的應用具體細節可參見文獻[30]。

式中：Δx為網格大小，m；T(1,t)為皮膚表面第1個網格節點的溫度變化，℃；T(0,t)為皮膚表面第0個虛擬節點的溫度變化，℃。

以上2種方法都可有效地將皮膚模擬傳感器的溫度轉化為熱流密度信號，其中，由于Duhamel模型無需進行數值運算，利用離散公式可以直接將溫度快速地轉化為表面熱流密度，因此其應用范圍更加廣泛。

4 其他傳感器的研發和應用

除以上主流的測評用傳感器以外，熱防護服裝測評領域還出現了以下類型的傳感器。

4.1 RadManTM薄片式傳感器

美國北卡州立大學在近年來開發了用于低熱輻射測評的輻射假人RadManTM[31]，該假人并未使用傳統的銅片式傳感器或皮膚模擬傳感器，而采用了薄片式熱流密度傳感器 (RdF foil sensors)。該傳感器通過環氧樹脂粘貼在假人體表，對熱流密度的信號響應較靈敏，不存在熱飽和等問題。該薄片式傳感器的測試原理是使用薄箔作為敏感元件，形成差動式電熱偶形式。其耐高溫范圍有限，適用于低熱輻射的測試環境中。

4.2 多層水冷傳感器

2013年，美國西北測試技術科技公司(MTN)公司的Waggoner 和 Burke[32]報道了一種多層水冷傳感器。該傳感器由3層結構組成。頂層為銅片，中間層為皮膚模擬層，底層為循環水冷層，分別模擬皮膚的表層，真皮層和皮下組織層結構。將傳感器劃分為100層，使用離散的方法求解傳感器模型內部的溫度分布，從而計算傳感器接收的熱流密度信號。

該傳感器的物理結構一定程度上考慮了人體皮膚的核心溫度控制問題，但是在尺寸及材質等方面仍與真實皮膚有較大差異。

4.3 多層模擬傳感層

近年，東華大學與瑞士聯邦材料科學與技術研究所的相關實驗室共同研發了多層皮膚模擬傳感層[33]。

該傳感層由3層皮膚模擬層組成，如圖4所示，由不同類型的聚二甲基硅氧烷彈性材料PDMS制備而成[34-35]，表皮模擬層(100 μm)，真皮模擬層(1 800 μm) 和皮下組織模擬層(10 cm)均與人體皮膚模型的皮膚層厚度近似，不同模擬層之間植入了熱電偶絲進行溫度的采集。另外，在材料的導熱率，比熱容和密度方面，滿足了熱擴散率與人體皮膚的近似一致，因此可在一定程度上替代傳統數值模型模擬人體皮膚內部的傳熱過程。

注：1—皮膚模擬層；2—皮下組織模擬層；3—熱電偶；4—絕熱隔熱容器；5—轉換頭；6—支撐板。圖4 皮膚仿生模擬傳感層及傳感裝置Fig.4 Multi-layered skin simulant

傳統的皮膚模擬傳感器僅能模擬采集皮膚表面的熱學信號，而該皮膚模擬層實現了皮膚內部傳熱的全過程模擬。其測試結果顯示，該傳感層在真皮層與皮下組織層界面層的模擬效果較好，而表皮層與真皮層界面層的測試信號并不穩定，這是由于表皮層厚度較薄(100 μm等級)，因此制備技術上的不完善制約了其測試的精準度，該種方法尚未成熟，還未進行推廣應用。

5 不同類型傳感器的對比及優缺點

由于薄片式傳感器、多層模擬傳感器的應用尚未成熟，下文僅將銅片式傳感器與皮膚模傳感器進行對比。

銅片傳感器和皮膚模擬傳感器的設計目的都是模擬皮膚表面的入射能。2個傳感器模型本質的差異為其材質的熱學性能不同。由于皮膚模擬傳感器的熱阻較大，在皮膚模擬傳感器中存在一個溫度場，而銅片傳感器被假設為所有質量和溫度都集中在一點上。圖5示出2種傳感器的不同模擬機制。

圖5 銅片傳感器和皮膚模擬傳感器的不同傳熱模擬模型Fig.5 Heat transfer models for copper sensors and skin simulants. (a) Copper sensor; (b) Skin simulant

這種傳熱模型的差異造成了2種傳感器對皮膚的模擬效果的不同。圖6示出在25 kW/m2熱輻射暴露條件下，未經織物覆蓋的銅片傳感器和皮膚模擬傳感器的不同的溫度響應曲線[27]，以及人體皮膚的數值模型模擬溫度響應曲線。可發現，由于皮膚模擬傳感器模擬了人體皮膚內部的溫度場，且與人體皮膚表面的熱惰性相近。

圖6 25 kW/m2熱輻射暴露條件下銅質傳感器、皮膚模擬傳感器及人體皮膚數值模擬的表面溫升曲線圖Fig.6 Surface temperature rises of copper sensor, skin simulant and human skin (numerical simulation) during heat exposures of 25 kW/m2

在熱流密度及燒傷預測方面，相關研究表明[26, 36]，銅片傳感器與皮膚模擬傳感器相比，在熱暴露階段低估了吸熱能力，在冷卻階段高估了散熱效果，因此在整個過程中均存在低估皮膚內部溫度及燒傷的潛在風險。2個傳感器在皮膚燒傷預測方面的差異可達2～3 s。

雖然皮膚模擬傳感器在對人體皮膚模擬效果上具有顯著優越性，但是銅片傳感器在測試的實用性方面具有諸多優勢，銅片傳感器和皮膚模擬傳感器的性能優缺點如表2所示。

表2 銅片傳感器和皮膚模擬傳感器的應用特征對比Tab.2 Comparison of the copper sensors and skin simulants for application

6 結論與展望

本文對熱防護服裝測評領域相關研究及相關測評標準中的熱傳感器進行了詳細梳理。目前熱防護服裝測評領域常用的傳感器為銅片傳感器和皮膚模擬傳感器，也出現了薄片式熱流傳感器和多層模擬傳感器的研發和應用。

其中銅片式傳感器的發展較為成熟，其結構完善，耐熱性好，測試信號穩定，被廣泛應用于相關測試標準以及相關研究當中。銅質熱流計多用于測試皮膚表面的累積能量，PyroCal傳感器大都用于測試皮膚表面的熱流密度水平，水冷傳感器則大都用于不同傳感器的校對。然而銅片式假設了所有溫度和質點集中在一點上，這與人體皮膚內部均勻分布有溫度場有所差異，另外銅的熱物性能跟人體皮膚熱物理性能差異較大，因此在對人體皮膚的熱響應及模擬方面具有一定的爭議，可能存在低估燒傷發生的風險。

皮膚模擬傳感器在表面熱學性能上對人體皮膚有一定的模擬效果，且其內部均勻分布溫度場，可更為真實地模擬人體皮膚受熱的熱響應狀態。然而從第一款皮膚模擬傳感器的研發至今，其應用范圍一直受到各種制約。這是由于其結構較為簡單，在測試過程中的便利性和穩定性較差，材料成分多為混合物，性能參數難以準確獲取，因此尚未形成統一標準，難以投入工業化加工生產，并未在不同實驗室之間形成統一應用規范。

未來，熱防護服裝測評領域的傳感器將進一步朝著銅片式傳感器及皮膚模擬傳感器2個方向進行分化。銅片式傳感器的功能將集中在熱流密度的采集、校對及標準化測試中。而皮膚模擬傳感器將進一步得到完善，并可在人體皮膚受熱響應等小范圍的生物傳熱機制研究等實驗中發揮重要的皮膚模擬作用。此外，新型傳感器將不再僅僅局限于皮膚表面的熱信號模擬上，而可將模擬范圍擴大到皮膚內部，實現人體皮膚受熱以及內部傳熱整個過程的模擬。結合熱敏變色材料，同時可研發能夠直觀反映皮膚受熱燒傷狀態和程度的皮膚模擬層。