空氣流量傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、空氣流量傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀對于測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣質(zhì)量,其發(fā)展歷史并不長久,上個世紀(jì)七十年代風(fēng)門式空氣流量傳感器是第一個使用在汽車上的空氣流量傳感器8。其基本原理是通過間接的測量出發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣的體積,再將測得的空氣體積換算成相對應(yīng)的進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量9。由于風(fēng)門式空氣流量傳感器測量的是進(jìn)氣空氣的體積,因此,測量出來的信號必須對其空氣密度的變化進(jìn)行修正,而且其測量精度也不高,安裝和維修都不方便。因此,很快就被接著出現(xiàn)了熱式空氣流量傳感器所代替。熱式空氣流量傳感器應(yīng)用于汽車燃油噴射系統(tǒng)中約有三四十年左右,第1代車用熱式空氣流量傳感器采用一根細(xì)鉑線作為加熱電阻,放在傳感器的氣道中作為傳感器單元;第2代車

2、用熱式空氣流量傳感器在第一代的產(chǎn)品上對傳感單元稍微做了一些改進(jìn),將加熱鉑線電阻纏繞在陶瓷或玻璃圓柱體加強(qiáng)了鉑絲的強(qiáng)度,提高的產(chǎn)品的工作可靠性和壽命;第3代車用熱式空氣流量傳感器與前兩代產(chǎn)品有了很大的改變,采用薄膜式傳感器,最初工程師們把加熱鉑電阻通過印刷的方式固定在玻璃或陶瓷基底上,后隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步,把加熱鉑電阻固定在微硅片基底上,例如BOSCH公司利用MEMS技術(shù)研發(fā)的熱膜式空氣流量傳感器HFM系列產(chǎn)品。HFM系列產(chǎn)品通過不斷的試驗(yàn)性能得到極大的提高，在上個世紀(jì)末就已經(jīng)開始批量生產(chǎn),因?yàn)槠淞己玫男阅艿玫綇V泛的推廣應(yīng)用,目前在國內(nèi)很多汽車都裝配了此類傳感器。對比第1、第2代熱線式空氣流量

3、傳感器(HFM系列)，第2代傳感器的使用壽命和工作可靠性都比第1代產(chǎn)品提高了很多,由于進(jìn)氣空氣中含有大量的顆粒污染物,沉淀在鉑熱線上,這將會大大的影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此,第2代傳感器還增加了自潔功能,每次當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時,會對鉑熱線供電幾秒,使鉑熱線產(chǎn)生高溫去除鉑熱線上沉淀的污染物;雖然第二代傳感器可以去除一部分的污染物,但是效果不是很理想,而且通過電加熱也會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,為了解決污染物對測量結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)師們研制出了基于硅基薄膜技術(shù)的第3代熱膜式空氣流量傳感器,在傳感器的氣體流道中采用過濾整流等設(shè)計(jì),使得在熱膜表面極少會產(chǎn)生沉積物,傳感器的整體可靠性、穩(wěn)定性又得到了進(jìn)一

4、步的提高?；诠杌∧な絺鞲衅髋c之前的空氣流量傳感器相比,它對氣體流量變化的響應(yīng)更快,反應(yīng)靈敏度更高,在進(jìn)氣過程的脈動氣流測量上精度也更高,而且還可以識別氣道內(nèi)氣體的流動方向,另外其控制單元中的故障診斷系統(tǒng)還可以識別某些流量傳感器的故障。如今的汽車傳感器發(fā)展的總趨勢是小型化、多功能化、集成化、智能化和系統(tǒng)化。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器在汽車方面的應(yīng)用,可以在世界范圍內(nèi)以很高的速度裝備于電控噴射系統(tǒng)上,因此有著它現(xiàn)實(shí)的推廣意義和廣闊的發(fā)展市場。近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步特別是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的誕生和高速發(fā)展,給汽車傳感器帶來了飛速的發(fā)展，汽車傳感器和電子系統(tǒng)也在高速的向著采用MEMS傳感器的方

5、向發(fā)展。兩大汽車傳感器生產(chǎn)巨頭,PhilipSEIeetr。nies公司和ContinentalTreveS公司10年銷售用于汽車ABS系統(tǒng)的傳感器芯片就達(dá)到了1億只之多,生產(chǎn)上達(dá)到了一個新的里程碑。兩個公司共同合作開發(fā)的有源磁場傳感器，具有前瞻性技術(shù),ContinentalTreveS公司用這種磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器制作了輪速傳感器，用于ABS系統(tǒng)，制動防滑系統(tǒng)等。MEMS傳感器不但成本低、尺寸小、可靠性好、工作壽命就,而且可以集成在新的系統(tǒng)中,因此天生就十分適用于汽車傳感器。MEMS傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子:如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車空氣質(zhì)量流量傳感器、汽車剎

6、車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器(TMAP)、柴油機(jī)共軌壓力傳感器;在其它工業(yè)應(yīng)用方面也有著廣闊的應(yīng)用前景，對于測量管道內(nèi)的流體流量這種流量傳感器也同樣適用,只需對傳感器單元和控制電路方面進(jìn)行一些改動或處理就可測量其他氣體甚至液體的質(zhì)量流量。例如,通過控制流量傳感器加熱電阻的工作溫度就可以用于測量其它種類的氣體的質(zhì)量流量;又如,在傳感器單元上鍍一層二氧化硅或其他薄膜進(jìn)行絕緣處理,并對傳感器整體進(jìn)行密封處理,可進(jìn)行管內(nèi)多種液體的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量的測量21。由于MEMS微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面具有明顯的優(yōu)勢,它們已開始逐步取代了傳統(tǒng)的機(jī)電技術(shù)的傳感器。我

7、們相信MEMS傳感器在今后的5一7年MEMS器件將大量應(yīng)用到汽車系統(tǒng)中，成為世界汽車電子的重要構(gòu)成部分。而熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器正是其中的一個重要代表。相對于國外電噴技術(shù)的日益完善,在汽車上的應(yīng)用越來越普遍廣泛,而在我國受制于技術(shù)的限制,對汽車電子控制技術(shù)的研究起步相對比較落后,直到上個世紀(jì)末,由于電子控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分明顯,國內(nèi)一些汽車廠家開始引進(jìn)和研究電控技術(shù),他們生產(chǎn)的汽車也開始采用電子控制燃油噴射發(fā)動機(jī),但是相對于國外的電控技術(shù)研究不徹底,技術(shù)也不先進(jìn)10。也與電噴技術(shù)類似,在國內(nèi)由于受到技術(shù)和科研經(jīng)費(fèi)的限制,對熱式空氣流量傳感器的研究還很少,只是在一些高校作一些研究,國家對很多傳感

8、器沒有制定一個具體的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn),致使大多數(shù)型號尚未實(shí)國產(chǎn)化11近些年來,在空氣流量傳感器普遍的被應(yīng)用于汽車上,國內(nèi)對其的研究也開始越來越重視,隨著研究的深入取得了初步的進(jìn)展,中國產(chǎn)的流量傳感器大體經(jīng)過四個發(fā)展階段:第一階段是采用鎢絲做的,由于鎢絲壽命短,并且易斷,所以第一階段做的流量傳感器很快就被淘汰了。第二階段是采用鉑電阻pt20和ptIOOO做的流量傳感器。由于鉑電阻性能穩(wěn)定,所以這種電路在很多廠家得到了推廣,目前大多數(shù)廠家都采用第二階段的流量傳感器。由于鉑電阻厚度較厚,且有一層陶瓷做基板,所以反應(yīng)速度比較慢,當(dāng)汽車剛啟動時,車子會抖動一下,并且在一些高端汽車上不能正常使用,比如寶來車采用

9、這種流量傳感器就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外鉑電阻價格高,增加了流量傳感器成本,因此在竟?fàn)幖ち业氖袌?利潤在一點(diǎn)一點(diǎn)的降低。第三階段的流量傳感器是采用熱膜做的流量傳感器。這種探頭厚度只有0.02mm，與Bosch原裝流量傳感器探頭一樣厚,反應(yīng)時間小于IOmS。加40mA的電流就能升一溫到200度,因此功耗很低,壽命長。第四階段是采用boSch探頭做的流量傳感器，這種流量傳感器的探采用復(fù)合鉑電阻做成上面有七個電阻,一個做環(huán)境溫度測量用,兩個做溫度平衡用,另外四個組成慧斯登橋路。它能測回風(fēng),反應(yīng)速度快,測量精度高。目前在國內(nèi)流量計(jì)廠一家還只有一家采用這種探頭設(shè)計(jì),專做配套生產(chǎn)。對于熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器國

10、外一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展的十分迅速,他們憑借著先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)大力發(fā)展熱式空氣流量傳感器,對其進(jìn)行深入的研究并取得了很大的成果。但在國內(nèi)由于受到技術(shù)和科研經(jīng)費(fèi)的限制,對熱式空氣流量傳感器的研究還很少,只是在一些高校作一些研究,在國內(nèi)市場上還未形成產(chǎn)業(yè)化,因此,為了滿足國內(nèi)對傳感器的需求,國內(nèi)很多汽車公司只好每年都要花大量資金從國外公司購買傳感器零部件,回來后在國內(nèi)進(jìn)行組裝,也有直接購買成品流量傳感器。從總體來看,我國熱模式空氣質(zhì)量流量傳感器的研究,在科研方面,基本上都是在借用國外比較成熟的技術(shù),但是同樣也是相當(dāng)落后了的技術(shù),極少有新型的制作工藝和設(shè)備出現(xiàn);在生產(chǎn)工藝方面,流量傳感器的生產(chǎn)工藝還未達(dá)到

11、國外的先進(jìn)水平,生產(chǎn)出來的產(chǎn)品可靠性和精確性還需要提高,因此,要想達(dá)到產(chǎn)品的批量生產(chǎn)的要求還有很長的一段路要走。據(jù)有有關(guān)資料顯示與國外傳感器相比,我國傳感器在科研水平方面落后有5一10年,在生產(chǎn)技術(shù)方面落后有10一20年,而且產(chǎn)量低、品種不全以及產(chǎn)品的質(zhì)量也沒法保證,尚未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化,現(xiàn)如今還不能滿足國內(nèi)市場的需求?？傊?隨著優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì),提高傳感器的性能及其效率,縮小尺寸并降低整體成本,這種新型的流量傳感器在未來的發(fā)展和應(yīng)用還有著其廣泛的應(yīng)用前景。第2章熱膜式空氣流量傳感器的概述2.1空氣流量傳感器的分類2.1.1空氣流量傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理分類目前,各種不同類型的電控汽油

12、噴射系統(tǒng)中所使用的進(jìn)氣空氣流量傳感器的種類十分繁多,其測量方法按測量目的可以分為兩大類,第一類是對進(jìn)氣空氣流量的間接測量法,其方法是通過間接測量進(jìn)氣歧管絕對壓力,然后通過進(jìn)氣空氣流量與進(jìn)氣溫度、空氣密度以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)關(guān)系來計(jì)算得出相應(yīng)的進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量,不過由于此方法屬于間接測量,其測量得到的結(jié)果精度較低;第二類是對進(jìn)氣流量直接測量的方法,直接測量進(jìn)氣空氣的流量與流體的溫度、壓力和密度等參數(shù)的變化無關(guān),測量值直接反映了空氣流量值,因此,其測量比較準(zhǔn)確,精度相對較高。而根據(jù)其測量原理的不同,又可以將進(jìn)氣空氣流量測量分為體積流量測量和質(zhì)量流量測量兩種13。體積流量測量的有翼片（風(fēng)門）式空氣流

13、量傳感器和卡門渦旋式空氣流量傳感器;質(zhì)量流量測量有熱線式空氣流量傳感器和熱膜式空氣流量傳感器。（I）翼片（風(fēng)門）式空氣流量傳感器在上個世紀(jì)八十年代以前德國、日本、和美國各大汽車公司生產(chǎn)的汽車大多都是安裝了翼片（風(fēng)門）式空氣流量傳感器14。該傳感器由葉片、電阻計(jì)和接線插頭這三個部分組成,結(jié)構(gòu)如圖1一1所示,在氣缸進(jìn)氣時被吸入的空氣會推動擋流板轉(zhuǎn)動,擋流板葉片的開度與進(jìn)氣量成正比,擋流板轉(zhuǎn)動的角度與回位彈簧力平衡時,進(jìn)氣量越大氣體流速越快,擋流板的轉(zhuǎn)動開度越大。在擋流板葉片轉(zhuǎn)軸的另一頭連接有一個滑動可變電阻,滑動式可變電阻的電阻值隨著葉片的轉(zhuǎn)動而改變,此時電阻值的變化會導(dǎo)致電路中電壓值的變化,微機(jī)

14、通過電壓值的變化計(jì)算出相應(yīng)的進(jìn)氣空氣流量,由此可見連接于擋流板轉(zhuǎn)軸上的滑動可變電阻計(jì)實(shí)際上起著氣體流量測量的作用。對于滑動可變電阻計(jì)部分的工作電路輸出量為電壓信號,目前有兩種表示方式:一種是用電壓差表示法,另一種為用電壓值表示法,在第一種情況下所檢測的電壓值大小與進(jìn)氣量成線性關(guān)系所以在全程范圍內(nèi)測量精度校高15。圖1一1翼片（風(fēng)門）式空氣流量傳感器構(gòu)造圖1一怠速調(diào)節(jié)螺釘,2一擋流板葉片,3一補(bǔ)償板葉片,4一阻尼腔,5一滑動可變電阻,6一信號輸出電路,7一進(jìn)氣溫度傳感器,8一旁通氣道卡門渦流式空氣流量傳感器在氣體以一定的速度流過障礙物時,在阻礙物后面將會形成一個渦流,氣體的流動速度越快,此渦流的

15、波動程度就越大,因?yàn)槭强茖W(xué)家卡爾曼第一個發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律,所以人們將這種渦流命名為卡爾曼渦流或卡爾曼波,參見圖1一2。圖1一2卡爾曼渦流產(chǎn)生的原理根據(jù)卡爾曼的研究，這種渦流的頻率f與氣體的流速V成正比，與阻礙物直徑d成反比，即如下式表示:f=0.2*v/d(1一1)倘若在空氣流量傳感器內(nèi)的氣道中央設(shè)置一個阻礙物,則當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣時一定會發(fā)生上述的渦流,通過測定渦流頻率數(shù),再通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換就可以得到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣空氣流量日。目前在汽車上使用的渦流式空氣流量傳感器主要有兩種,主要是根據(jù)測量的發(fā)生器的不同分為光學(xué)式和超聲波式。光學(xué)式卡爾曼空氣流量傳感器的組成和結(jié)構(gòu)如圖1一3所示,這種傳感器的工作原理如下所

16、述,在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)設(shè)置一阻礙物,即渦流發(fā)生器。當(dāng)空氣流過傳感器的氣體流道時,在渦流發(fā)生體的后面會產(chǎn)生空氣渦流。這時在渦流發(fā)生體前后會產(chǎn)生一氣壓差,此時由金屬膜片構(gòu)成的鏡片在氣壓差的作用下產(chǎn)生振動,并反射出一光學(xué)信號,設(shè)置于金屬鏡片前的發(fā)光晶體管和感光晶體管感應(yīng)出這一信號,將這一信號與儲存在微機(jī)中的原始信號相對比,通過傳感器內(nèi)的調(diào)制電路進(jìn)行調(diào)制處理之后,測出與進(jìn)氣量相對應(yīng)的空氣流量信號17。圖1一3光學(xué)式卡爾曼空氣流量傳感器組成圖1一空氣進(jìn)口,2一管道,3一光電式晶體管,4一彈簧銷,5一導(dǎo)孔,6一渦流發(fā)生體,7一卡門渦流,8一整流柵超聲波是指超出人類耳朵的聽力范圍之外的高頻聲波,其反射及衰減

17、率較高,其特點(diǎn)是會因?yàn)榻橘|(zhì)的性質(zhì)不同,傳播速度而發(fā)生變化。超聲波式卡爾曼渦流空氣流量傳感器正是利用超聲波在不同空氣密度區(qū)的傳播速度會不同這一特點(diǎn),通過測量渦流強(qiáng)度來測量進(jìn)氣空氣流量。這種傳感器的組成及其原理與光學(xué)式卡爾曼空氣流量傳感器大同小異,只是由發(fā)生器發(fā)射出的不是光而是一超聲波。當(dāng)空氣流過渦流管時,超聲波發(fā)生器會向接收器發(fā)射一超聲波,此時由于渦流的影響使空氣密度會發(fā)生變化,則超聲波的傳播速度也會隨著變化,導(dǎo)致了超聲波到達(dá)接收器的時間會不同18。這一微小變化被測得并傳輸?shù)诫娍仉娐份斖C(jī)ECU,經(jīng)過ECU演算和調(diào)制處理后轉(zhuǎn)變成一個脈沖信號用以調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的空燃比。卡門渦流式空氣流量傳感器比較適

18、應(yīng)于數(shù)字計(jì)算機(jī)的處理,因?yàn)槠漭敵鲂盘柺桥c漩渦頻率對應(yīng)的脈沖數(shù)字信號,幾乎是同步反映空氣流速的變化,與其他幾種空氣流量傳感器相比其效應(yīng)速度是最快的19。另外,渦流式空氣流量傳感器還具有進(jìn)氣阻力小、無磨損、測量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn),其可靠性也十分良好,長期使用時,性能不會發(fā)生變化。但其缺點(diǎn)是,其一,該流量傳感器也是檢測氣體體積流量的,所以也需要對空氣溫度和大氣壓進(jìn)行修正;其二,由于傳感器內(nèi)部零件制造成本較高,導(dǎo)致整個傳感器的成本升高,故目前只有一些少數(shù)高檔轎車中才會使用，如長豐獵豹吉普、豐田凌志LS400型轎車、日本三菱吉普車、皇冠3.0型轎車和現(xiàn)代轎車。熱線式空氣流量傳感器熱線式空氣流量傳感器主要

19、由感知空氣流量的加熱鉑電阻、溫度補(bǔ)償電阻(冷線)、環(huán)境溫度測試電阻、傳感器控制電路板以及空氣流量傳感器的殼體等元件組成。熱線式空氣流量傳感器根據(jù)鉑金屬電阻在傳感器殼體中的安裝位置的不同分為兩種結(jié)構(gòu)形式,主流測量和旁通測量方式。由于主流測量和旁通測量的工作原理完全相同,本文選擇主流測量方式的熱線式空氣流量傳感器對其的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行簡單的介紹,熱線式空氣流量傳感器的基本構(gòu)成如圖1一4所示。它前端有金屬防護(hù)網(wǎng),后端有防止逆轉(zhuǎn)的屏蔽網(wǎng)。為使進(jìn)氣空氣流速適合傳感器的測量速度,在傳感器主空氣通道中央設(shè)有取樣流道,取樣流道由一個熱線支承環(huán)和兩個塑料護(hù)套構(gòu)成。加熱電阻被設(shè)置在熱線支承環(huán)內(nèi),由一個熱線鉑金絲構(gòu)成

20、,其是一個溫敏電阻,即阻值隨溫度的變化而變化。加熱電阻的溫度補(bǔ)償電阻也是一個鉑金電阻,是被安裝在熱線支承環(huán)前端的塑料護(hù)套內(nèi),其電阻值跟進(jìn)氣溫度相關(guān)。傳感器的精密電阻安裝在熱線支承環(huán)后端的塑料護(hù)套上,該電阻上的電壓值的變化即為熱線式空氣流量傳感器的輸出信號電壓。圖1一4熱線式空氣流量傳感器1一防止逆轉(zhuǎn)屏蔽,2一取樣管,3一鉑金熱線,4一上游溫度傳感器電阻,5一電子回路,6一連接器熱線式傳感器的工作原理是通過測量通電的鉑金絲電阻在流體中由于氣流帶走的熱量損失來測量進(jìn)氣空氣流量的,根據(jù)熱平衡原理,在不考慮鉑金絲電阻熱傳導(dǎo)的情況下,加熱電流在鉑金絲電阻中產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體所帶走的熱量,其工作原理如

21、圖1一5所示,圖中RS為鉑金加熱電阻,RC為溫度補(bǔ)償電阻,R1、R2和R3為都為電阻,Rs、Rc、Rl、R2和R3共同組成了一個惠斯通電橋。在空氣通道中取樣流道中放置加熱探頭（鉑電阻）RS，熱線溫度由控制電路控制其溫度與吸入空氣溫度相差一定值，當(dāng)空氣通過RS時,RS被冷卻，溫度下降，其電阻阻值會隨之變小,惠斯通電橋失去了平衡。此時為了恢復(fù)電橋的平衡,控制電路會自動增加Rs的電流15,使RS恢復(fù)到平衡時的溫度和電阻值。隨著控制電路控制鉑金熱線通過的電流加大因?yàn)镽S與R3是并聯(lián)電路，故R3上的電流也增加，而R3的阻值不變，使得R3兩端的電壓增加,這樣只需測量R3兩端的電壓，通過轉(zhuǎn)換就能得到相應(yīng)的進(jìn)

22、氣空氣流量的信號。將熱線傳感器的輸出電壓信號和儲存在傳感器ECU中的原始數(shù)據(jù)相分析對比,計(jì)算機(jī)就能確定此時發(fā)動機(jī)所需的噴油量。Ii&圖1一5熱線式空氣流量傳感器的基本原理1一進(jìn)氣,2一集成運(yùn)算放大器,3一傳感器輸出信號如BOSH研發(fā)的LH型燃油噴射系統(tǒng)、飛度、尼桑千里馬、通用別克、瑞典沃爾沃等轎車采用了熱線式空氣流量傳感器。熱膜式空氣流量傳感器熱膜式空氣流量傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理與熱線式空氣流量計(jì)基本相同,如圖所示1一6所示,只不過將發(fā)熱體由熱線改為了熱膜,即將環(huán)境溫度檢測電阻、加熱電阻、加熱電阻溫度檢測電阻等通過特殊的加工工藝鍍在一塊微硅基片上。1一6熱膜式空氣流量傳感器1一控制回路,2一通

23、往節(jié)氣門體,3一熱膜,4一氣流溫度傳感器,5一金屬網(wǎng)熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器其實(shí)是熱線式空氣流量傳感器的改進(jìn)產(chǎn)品,在性能上比熱線式空氣流量傳感器有了大大的提升,其采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制作出傳感器的芯片的,這使其具有體積小、兼容性強(qiáng)、精確度高、穩(wěn)定性好、成本低、功耗低等一系列的特點(diǎn)。這種熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器出現(xiàn)在上個世紀(jì)九十年代,當(dāng)時美國通用汽車公司和日本多家汽車制造公司生產(chǎn)的汽車很多都安裝了這種傳感器?，F(xiàn)如今隨著制造加工工藝和技術(shù)的不斷提高,熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的巨大優(yōu)勢使這種空氣質(zhì)量流量傳感器大量裝配用于各種電控汽油噴射系統(tǒng)中。捷達(dá)都市先鋒、新捷達(dá)王、捷達(dá)前衛(wèi)、帕薩特、桑塔納時代超人

24、、馬自達(dá)626和紅旗等轎車都采用了熱膜式空氣流量傳感器。2.2熱膜式空氣流量傳感器的理論分析2.2.1托馬斯(Thomas)理論熱膜式空氣流量傳感器屬于量熱式傳感器,其原理是對傳感器的傳感單元進(jìn)行加熱,由于測量流體的流動導(dǎo)致傳感單元上的熱量會被氣流帶走,通過測量傳感單元的熱損耗來反映氣體的質(zhì)量流量20。由于是科學(xué)家托馬斯(ThomaS)首次提出了氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比的理論,還提出了可以通過測量傳感單元的熱消耗量來測量氣體的質(zhì)量流量的測量方法,因此該理論被人們命名為托馬斯理論。根據(jù)托馬斯理論流量方程可簡述如下仁21:E=c*.T*q(2I)式中:E為單位時間內(nèi)消耗的電能;

25、C為氣體的定壓比熱;q為流體的質(zhì)量流量;.T為氣體流動導(dǎo)致的電熱絲溫度差。由上式可得到氣體的質(zhì)量流量表達(dá)式q=E/C*.T(2一2)從(22)式可知:式中定壓比熱C是一個常數(shù)，則流體質(zhì)量流量q是關(guān)于電能消耗E和溫度差T的函數(shù)，保持其中一個量為定值測得另外一個函數(shù)值，通過(22)式就可以求得流體質(zhì)量流量q。若保持熱線的溫度差T為恒定值，即采用恒定溫差法，要想得到質(zhì)量流量q的值,測量電能消耗量E代入(22)式即可求得質(zhì)量流量q;若保持單位時間內(nèi)消耗的電能E為常數(shù)，即采用恒定功率法，通過測量溫度差T可求得質(zhì)量流量q。實(shí)際上,無論從特殊性關(guān)系或現(xiàn)實(shí)測量的方法來看,恒定溫差法與恒定功率法相比,恒定溫差法

26、具有頻率響應(yīng)高,低噪聲等一系列的優(yōu)點(diǎn),且簡單易行。2.2.2熱膜傳感器中的傳熱分析2223由傳熱學(xué)的理論可知,在熱膜式傳感器的傳感單元中存在著很多種不同形式的傳熱,其中有加熱電阻的強(qiáng)迫對流傳熱、加熱電阻的自然對流傳熱、加熱電阻的熱輻射和加熱電阻的熱傳導(dǎo)【24。我們可以根據(jù)托馬斯理論對傳感器加熱電阻建立相關(guān)的熱平衡方程:幾+2+2斗0“斗2二(2-3)(2-4式屮，旳_加熱電阻的加熱功率m：%加熱電阻的強(qiáng)迫對流傳熱(w；g一加熱電阻的自然對流傳熱(W)；CU加熱電阻的輻射傳熱(W)；Qe加熱電卩且的導(dǎo)熱傳熱(W);Il加熱電阻的電流值(mA)；Rh加熱電阻的電阻值。強(qiáng)迫對流是指空氣流動時，氣流帶

27、走的熱量。因此它對傳感器加熱電阻的熱損耗中的影響最大,起主要作用。強(qiáng)迫對流傳熱的表達(dá)式如下:式中,方強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)的K)J崩為對流傳熱的表面積(的；Th為加熱電阻的表面溫度(CTk為流體環(huán)境的溫度代人式中,h強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)(W*(mZ*K),);AS為對流傳熱的表面積(m,);Th為加熱電阻的表面溫度(C);Tk為流體環(huán)境的溫度(C)。在式(2.5)中，對流傳熱表面積AS是一個常數(shù)，于是加熱電阻的強(qiáng)迫對流Qrc轉(zhuǎn)換為關(guān)于強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)h的函數(shù)，而強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)h可以用下式表示：h=姆秒m了,(AcLu),/2二c釁,(26)式中,Pr為普朗特爾系數(shù)(Prantl)，是反映流體物性的參數(shù)

28、，對于在一50C一100C的空氣中,Pr=0.70.71;L為散熱體的特征長度(m);C為比例系數(shù);ma為流過傳感器的空氣質(zhì)量流量。將式(2.6)帶入式(2.5)可得到下式:Q,c=c釁,凡(兀一爪)(2一7)由式(2.7)可知,在固體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體的物理特性一定的情況下,強(qiáng)迫對流主要與流體的質(zhì)量流量的平方根成正比。自然對流是因?yàn)榇嬖跍囟炔顚?dǎo)致的,熱從傳感單元溫度高的區(qū)域向周圍溫度較低的區(qū)域傳遞,可以由下式表示:Qn。=氣式(幾一雙)(2一8)式中,Q。為自然對流平均傳熱系數(shù)(w(m2*K);AS為對流傳熱的表面積(m,);Th為加熱電阻的表面溫度(C);Tk為流體環(huán)境的溫度(C)。因?yàn)榭諝?/p>

29、流量傳感器是在層流狀態(tài)中測量質(zhì)量流量的,故自然對流平均傳熱系數(shù)可以用下式表示:a,=1.36*(獷/L),“(29)將式(2一10)代入到式(2一8)中可得:么。=I.36*(T/燈/4*人*(兀一TA)(2一10)在熱膜傳感器單元傳熱中自然對流傳熱任何時候都是存在的,但是自然對流傳熱與強(qiáng)迫對流傳熱比較起來就顯得不那么重要,只有當(dāng)進(jìn)氣道內(nèi)空氣靜止或氣體流速很低時,強(qiáng)迫對流傳熱可視為不存在,此時自然對流傳熱才會成主要考慮對象。熱膜傳感電阻的輻射傳熱是指電阻向外發(fā)射輻射能,從而導(dǎo)致熱能的損耗,可由下式表達(dá):Qra、=As(。刀一aH)式中,AS為對流傳熱的表面積(mZ);(2一11)為加熱電阻Rh

30、表面的總發(fā)射系數(shù);。為斯臺芬一波爾茲曼常數(shù)(StefenB。Itzman常數(shù)),。=5.67又10一8(W*m一2*k一);H為單位面積、單位時間的入射輻射熱;。為傳感電阻吸收比。由于加熱電阻的溫度一般比環(huán)境溫度高100一150C，由于他們之間的溫度差始終保持在一恒定值故加熱電阻的輻射傳熱量也為一定值。輻射傳熱量相對于其他形式的傳熱極少,故可忽略不計(jì)。熱膜傳感器中導(dǎo)熱主要發(fā)生在加熱電阻Rh通過基底向電阻周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo),可用下式表示:0。=兄人兀/占(213)式中，入為基底的導(dǎo)熱傳熱系數(shù)(w*(m*K);Tw為加熱電阻Rh的溫度與環(huán)境溫度檢測電阻Rt的溫度之差，兀=兀一兀;6為傳感頭基板導(dǎo)熱壁

31、面的厚度(m)。對于傳感器的導(dǎo)熱,相對于對流傳熱的而言是微不足道的,故可忽略不計(jì)。2.3熱膜式空氣流量傳感器的基本原理2.3.1熱膜式空氣流量傳感器的工作原理由上文我們可知熱膜式空氣流量傳感器的測定方法可分為恒定溫差法和恒定功率法,而且恒定溫差法與恒定功率法相比,具有簡單易行,頻率響應(yīng)高,低噪聲等一系列的優(yōu)點(diǎn)。故下文重點(diǎn)恒定溫差式傳感器的工作原理進(jìn)行分析。恒定溫差式流量傳感器的核心部件是傳感器的傳感頭,其傳感頭的基本構(gòu)件的示意圖如圖2.3所示，主要是由加熱電阻Rh、加熱電阻的溫度檢測電阻Rt、環(huán)境溫度檢測電阻Rk以及加熱電阻上下游的溫度測試電阻RSI、Rs2構(gòu)成，其中環(huán)境溫度檢測電阻Rk處于氣

32、流的上游,并且遠(yuǎn)離加熱電阻,檢測發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)空氣溫度。其基本工作原理為加熱電阻由加熱電路控制加熱,保持其溫度始終高于周圍環(huán)境溫度,而周圍環(huán)境溫度由集成于芯片上或者外部的環(huán)境溫度檢測電阻來測量,這樣通過驅(qū)動加熱電阻的電壓就可以測量空氣流量。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)的氣體是靜止時,加熱電阻向四周散熱量應(yīng)該是一樣的,因此在電阻的上下方的溫度應(yīng)該是相等的,溫度場以加熱電阻為中心成對稱分布;當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)氣體有一定的流速時,由于強(qiáng)迫熱對流的存在,氣流將加熱電阻產(chǎn)生的熱量帶向下游,導(dǎo)致處在加熱電阻上游電阻RSI的溫度下降，而處在下游的電阻RSZ溫度上升一，從而使上下游產(chǎn)生了一個溫度差T,氣體流速的流速越大

33、，上下游的溫度差T也越大。通過檢測上下游的溫度測試電阻的電壓變化,再通過傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)就可以得到輸出電壓信號與氣體流量之間的關(guān)系,即可以得到響應(yīng)的進(jìn)氣空氣流量的大小。圖2一1熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2熱膜式空氣流量傳感器的結(jié)構(gòu)汽車空氣流量傳感器安裝在空氣濾清器與進(jìn)氣歧管之間,如圖2一2所示。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的結(jié)構(gòu)取決于很多方面的因素影響。例如,傳感器使用在不同汽車發(fā)動機(jī)上,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的形狀決定了傳感器的安裝結(jié)構(gòu),還有傳感器傳感器單元、電路板、進(jìn)氣取道和連接器的支架的如何排列和封裝等等。雖然傳感器的結(jié)構(gòu)因?yàn)榘惭b因素及設(shè)計(jì)因素的需要而有所變化,但是整體的結(jié)構(gòu)不會

34、出現(xiàn)太大的變化。圖2一2空氣流量傳感器的安裝位置34如圖2一3所示是熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,其主要組成有:機(jī)體、設(shè)置在機(jī)體內(nèi)的空氣通道及安裝在空氣通道中的空氣流量傳感器的傳感單元和空氣流量傳感器的驅(qū)動電路,空氣流量傳感器的傳感單元通過螺釘連接在機(jī)體上,包括有安置于空氣通道內(nèi)的傳感頭,傳感頭電信號連接驅(qū)動電路板以及固定傳感頭及其電路板的支撐架。圖2一3熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1一機(jī)體,2一傳感單元,3一驅(qū)動電路,4一傳感頭,5一空氣通道2.4目前熱膜式空氣流量傳感器存在的問題低功耗問題,由于熱膜式探頭需一定的電流對加熱電阻進(jìn)行加熱,但是先階段很難做到電池供電的低功耗運(yùn)行。

35、濕度的影響和修正問題,由于濕度環(huán)境的調(diào)節(jié)與檢測都有困難,所以濕度熱膜式空氣流量傳感器的影響,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正方法目前尚無有效方法。粉塵影響問題,由于汽車發(fā)動機(jī)經(jīng)常會在骯臟的空氣環(huán)境中工作,被吸進(jìn)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道的空氣會含有大量的粉塵,會對傳感器芯片產(chǎn)生比較嚴(yán)重的污染,如果熱式探頭長期工作在含粉塵的氣流環(huán)境中,探頭表面將被污染,其散熱性能也將受到影響,從而改變流量傳感器的輸出信號,但具體影響量目前尚無法用數(shù)據(jù)描述。參考文獻(xiàn)I余柏林應(yīng)用于汽車的溫差式空氣流量傳感器的研究DI華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.吳克剛溫差式熱膜空氣質(zhì)量流量傳感器的研究J1.長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002.3A.Ku

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