空气流量传感器的发展现状

对于测量发动机进气空气质量,其发展历史并不长久,上个世纪七十年代风门式空气流量传感器是第一个使用在汽车上的空气流量传感器〔8]。其基本原理是通过间接的测量出发动机进气空气的体积,再将测得的空气体积换算成相对应的进气空气质量流量〔9]。由于风门式空气流量传感器测量的是进气空气的体积,因此,测量出来的信号必须对其空气密度的变化进行修正,而且其测量精度也不高,安装和维修都不方便。因此,很快就被接着出现了热式空气流量传感器所代替。

热式空气流量传感器应用于汽车燃油喷射系统中约有三四十年左右,第1代车用热式空气流量传感器采用一根细铂线作为加热电阻,放在传感器的气道中作为传感器单元;第2代车用热式空气流量传感器在第一代的产品上对传感单元稍微做了一些改进,将加热铂线电阻缠绕在陶瓷或玻璃圆柱体加强了铂丝的强度,提高的产品的工作可靠性和寿命;第3代车用热式空气流量传感器与前两代产品有了很大的改变,采用薄膜式传感器,最初工程师们把加热铂电阻通过印刷的方式固定在玻璃或陶瓷基底上,后随着技术和工艺的进步,把加热铂电阻固定在微硅片基底上,例如BOSCH公司利用MEMS技术研发的热膜式空气流量传感器HFM系列产品。HFM系列产品通过不断的试验,性能得到极大的提高,在上个世纪末就已经开始批量生产,因为其良好的性能得到广泛的推广应用,目前在国内很多汽车都装配了此类传感器。

对比第1、第2代热线式空气流量传感器(HFM系列),第2代传感器的使用寿命和工作可靠性都比第1代产品提高了很多,由于进气空气中含有大量的颗粒污染物,沉淀在铂热线上,这将会大大的影响到测量结果的准确性,因此,第2代传感器还增加了自洁功能,每次当发动机停止工作时,会对铂热线供电几秒,使铂热线产生高温去除铂热线上沉淀的污染物;虽然第二代传感器可以去除一部分的污染物,但是效果不是很理想,而且通过电加热也会对测量结果产生一定的影响,为了解决污染物对测量结果的影响,设计师们研制出了基于硅基薄膜技术的第3代热膜式空气流量传感器,在传感器的气体流道中采用过滤整流等设计,使得在热膜表面极少会产生沉积物,传感器的整体可靠性、稳定性又得到了进一步的提高。基于硅基薄膜式传感器与之前的空气流量传感器相比,它对气体流量变化的响应更快,反应灵敏度更高,在进气过程的脉动气流测量上精度也更高,而且还可以识别气道内气体的流动方向,另外其控制单元中的故障诊断系统还可以识别某些流量传感器的故障。

如今的汽车传感器发展的总趋势是小型化、多功能化、集成化、智能化和系统化。热膜式空气质量流量传感器在汽车方面的应用,可以在世界范围内以很高的速度装备于电控喷射系统上,因此有着它现实的推广意义和广阔的发展市场。

近几年随着科学技术的进步特别是微机电系统(MEMS)的诞生和高速发展,给汽车传感器带来了飞速的发展,汽车传感器和电子系统也在高速的向着采用MEMS传感器的方向发展。两大汽车传感器生产巨头,PhilipSEleetr。nies公司和ContinentalTreveS公司10年销售用于汽车ABS系统的传感器芯片就达到了1亿只之多,生产上达到了一个新的里程碑。两个公司共同合作开发的有源磁场传感器,具有前瞻性技术,ContinentalTreveS公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器,用于ABS系统,制动防滑系统等。MEMS传感器不但成本低、尺寸小、可靠性好、工作寿命就,而且可以集成在新的系统中,因此天生就十分适用于汽车传感器。MEMS传感器已经广泛应用于汽车电子:如轮胎压力监测系统(TPMS)、发动机机油压力传感器、汽车空气质量流量传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器;在其它工业应用方面也有着广阔的应用前景,对于测量管道内的流体流量这种流量传感器也同样适用,只需对传感器单元和控制电路方面进行一些改动或处理就可测量其他气体甚至液体的质量流量。例如,通过控制流量传感器加热电阻的工作温度就可以用于测量其它种类的气体的质量流量;又如,在传感器单元上镀一层二氧化硅

或其他薄膜进行绝缘处理,并对传感器整体进行密封处理,可进行管内多种液体的瞬态或稳态质量流量的测量〔21〕。由于MEMS微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面具有明显的优势,它们已开始逐步取代了传统的机电技术的传感器。我们相信MEMS传感器在今后的5一7年MEMS器件将大量应用到汽车系统中,成为世界汽车电子的重要构成部分。而热膜式空气质量流量传感器正是其中的一个重要代表。

相对于国外电喷技术的日益完善,在汽车上的应用越来越普遍广泛,而在我国受制于技术的,对汽车电子控制技术的研究起步相对比较落后,直到上个世纪末,由于电子控制技术的优点十分明显,国内一些汽车厂家开始引进和研究电控技术,他们生产的汽车也开始采用电子控制燃油喷射发动机,但是相对于国外的电控技术研究不彻底,技术也不先进〔10]。也与电喷技术类似,在国内由于受到技术和科研经费的,对热式空气流量传感器的研究还很少,只是在一些高校作一些研究,国家对很多传感器没有制定一个具体的规定和标准,致使大多数型号尚未实国产化[11〕

近些年来,在空气流量传感器普遍的被应用于汽车上,国内对其的研究也开始越来越重视,随着研究的深入取得了初步的进展,中国产的流量传感器大体经过四个发展阶段:

第一阶段是采用钨丝做的,由于钨丝寿命短,并且易断,所以第一阶段做的流量传感器很快就被淘汰了。

第二阶段是采用铂电阻pt20和pt1000做的流量传感器。由于铂电阻性能稳定,所以这种电路在很多厂家得到了推广,目前大多数厂家都采用第二阶段的流量传感器。由于铂电阻厚度较厚,且有一层陶瓷做基板,所以反应速度比较慢,当汽车刚启动时,车子会抖动一下,并且在一些高端汽车上不能正常使用,比如宝来车采用这种流量传感器就不能正常运转。另外铂电阻价格高,增加了流量传感器成本,因此在竟争激烈的市场,利润在一点一点的降低。 第三阶段的流量传感器是采用热膜做的流量传感器。这种探头厚度只有0.02mm,与Bosch原装流量传感器探头一样厚,反应时间小于IOmS。加40mA的电流就能升一温到 200度,因此功耗很低,寿命长。

第四阶段是采用b。Sch探头做的流量传感器,这种流量传感器的探采用复合铂电阻做成,上面有七个电阻,一个做环境温度测量用,两个做温度平衡用,另外四个组成慧斯登桥路。它能测回风,反应速度快,测量精度高。目前在国内流量计厂一家还只有一家采用这种探头设计,专做配套生产。

对于热膜式空气质量流量传感器国外一些发达国家发展的十分迅速,他们凭借着先进的半导体技术大力发展热式空气流量传感器,对其进行深入的研究并取得了很大的成果。但在国内由于受到技术和科研经费的,对热式空气流量传感器的研究还很少,只是在一些高校作一些研究,在国内市场上还未形成产业化,因此,为了满足国内对传感器的需求,国内很多汽车公司只好每年都要花大量资金从国外公司购买传感器零部件,回来后在国内进行组装,也有直接购买成品流量传感器。

从总体来看,我国热模式空气质量流量传感器的研究,在科研方面,基本上都是在借用国外比较成熟的技术,但是同样也是相当落后了的技术,极少有新型的制作工艺和设备出现;在生产工艺方面,流量传感器的生产工艺还未达到国外的先进水平,生产出来的产品可靠性和精确性还需要提高,因此,要想达到产品的批量生产的要求还有很长的一段路要走。据有有关资料显示与国外传感器相比,我国传感器在科研水平方面落后有5一10年,在生产技术方面落后有10一20年,而且产量低、品种不全以及产品的质量也没法保证,尚未形成系列化、标准化及产业化,现如今还不能满足国内市场的需求。

总之,随着优化传感器设计,提高传感器的性能及其效率,缩小尺寸并降低整体成本,这种新型的流量传感器在未来的发展和应用还有着其广泛的应用前景。

第2章热膜式空气流量传感器的概述

2.1空气流量传感器的分类

2.1.1空气流量传感器的结构与测量原理分类

目前,各种不同类型的电控汽油喷射系统中所使用的进气空气流量传感器的种类十分繁多,其测量方法按测量目的可以分为两大类,第一类是对进气空气流量的间接测量法,其方法是通过间接测量进气歧管绝对压力,然后通过进气空气流量与进气温度、空气密度以及发动机转速的相关关系来计算得出相应的进气空气质量流量,不过由于此方法属于间接测量,其测量得到的结果精度较低;第二类是对进气流量直接测量的方法,直接测量进气空气的流量与流体的温度、压力和密度等参数的变化无关,测量值直接反映了空气流量值,因此,其测量比较准确,精度相对较高。而根据其测量原理的不同,又可以将进气空气流量测量分为体积流量测量和质量流量测量两种〔13〕。体积流量测量的有翼片(风门)式空气流量传感器和卡门涡旋式空气流量传感器;质量流量测量有热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器。

(l)翼片(风门)式空气流量传感器 在上个世纪八十年代以前德国、日本、和美国各大汽车公司生产的汽车大多都是安装了翼片(风门)式空气流量传感器〔14]。该传感器由叶片、电阻计和接线插头这三个部分组成,结构如图1一1所示,在气缸进气时被吸入的空气会推动挡流板转动,挡流板叶片的开度与进气量成正比,挡流板转动的角度与回位弹簧力平衡时,进气量越大气体流速越快,挡流板的转动开度越大。在挡流板叶片转轴的另一头连接有一个滑动可变电阻,滑动式可变电阻的电阻值随着叶片的转动而改变,此时电阻值的变化会导致电路中电压值的变化,微机通过电压值的变化计算出相应的进气空气流量,由此可见连接于挡流板转轴上的滑动可变电阻计实际上起着气体流量测量的作用。

对于滑动可变电阻计部分的工作电路输出量为电压信号,目前有两种表示方式:一种是用电压差表示法,另一种为用电压值表示法,在第一种情况下所检测的电压值大小与进气量成线性关系所以在全程范围内测量精度校高〔15。

图1一1翼片(风门)式空气流量传感器构造图

1一怠速调节螺钉,2一挡流板叶片,3一补偿板叶片,4一阻尼腔,

5一滑动可变电阻,6一信号输出电路,7一进气温度传感器,8一旁通气道

(2)卡门涡流式空气流量传感器

在气体以一定的速度流过障碍物时,在阻碍物后面将会形成一个涡流,气体的流动速度越快,此涡流的波动程度就越大,因为是科学家卡尔曼第一个发现了这一规律,所以人们将这种涡流命名为卡尔曼涡流或卡尔曼波,参见图1一2。

图1一2卡尔曼涡流产生的原理

根据卡尔曼的研究,这种涡流的频率f与气体的流速v成正比,与阻碍物直径d成反比,即如下式表示: f=0.2*v/d(1一1)

倘若在空气流量传感器内的气道设置一个阻碍物,则当发动机进气时一定会发生上述的涡流,通过测定涡流频率数,再通过相关的转换就可以得到发动机的进气空气流量〔'日。目前在汽车上使用的涡流式空气流量传感器主要有两种,主要是根据测量的发生器的不同分为光学式和超声波式。

光学式卡尔曼空气流量传感器的组成和结构如图1一3所示,这种传感器的工作原理如下所述,在发动机进气管道内设置一阻碍物,即涡流发生器。当空气流过传感器的气体流道时,在涡流发生体的后面会产生空气涡流。这时在涡流发生体前后会产生一气压差,此时由金属膜片构成的镜片在气压差的作用下产生振动,并反射出一光学信号,设置于金属镜片前的发光晶体管和感光晶体管感应出这一信号,将这一信号与储存在微机中的原始信号相对比,通过传感器内的调制电路进行调制处理之后,测出与进气量相对应的空气流量信号〔17〕。

图1一3光学式卡尔曼空气流量传感器组成图

1一空气进口,2一管道,3一光电式晶体管,4一弹簧销,5一导孔, 6一涡流发生体,7一卡门涡流,8一整流栅

超声波是指超出人类耳朵的听力范围之外的高频声波,其反射及衰减率较高,其特点是会因为介质的性质不同,传播速度而发生变化。超声波式卡尔曼涡流空气流量传感器正是利用超声波在不同空气密度区的传播速度会不同这一特点,通过测量涡流强度来测量进气空气流量。这种传感器的组成及其原理与光学式卡尔曼空气流量传感器大同小异,只是由发生器发射出的不是光而是一超声波。当空气流过涡流管时,超声波发生器会向接收器发射一超声波,此时由于涡流的影响使空气密度会发生变化,则超声波的传播速度也会随着变化,导致了超声波到达接收器的时间会不同〔18〕。这一微小变化被测得并传输到电控电路输往微机ECU,经过ECU演算和调制处理后转变成一个脉冲信号,用以调节发动机的空燃比。

卡门涡流式空气流量传感器比较适应于数字计算机的处理,因为其输出信号是与漩涡频率对应的脉冲数字信号,几乎是同步反映空气流速的变化,与其他几种空气流量传感器相比其效应速度是最快的〔19〕。另外,涡流式空气流量传感器还具有进气阻力小、无磨损、测量精度高等一系列优点,其可靠性也十分良好,长期使用时,性能不会发生变化。但其缺点是,其一,该流量传感器也是检测气体体积流量的,所以也需要对空气温度和大气压进行修正;其二,由于传感器内部零件制造成本较高,导致整个传感器的成本升高,故目前只有一些少数高档轿车中才会使用,如长丰猎豹吉普、丰田凌志LS4OO型轿车、日本三菱吉普车、皇冠3.0型轿车和现代轿车。

(3)热线式空气流量传感器

热线式空气流量传感器主要由感知空气流量的加热铂电阻、温度补偿电阻(冷线)、环境温度测试电阻、传感器控制电路板以及空气流量传感器的壳体等元件组成。热线式空气流量传感器根据铂金属电阻在传感器壳体中的安装位置的不同分为两种结构形式,主流测量和旁通测量方式。

由于主流测量和旁通测量的工作原理完全相同,本文选择主流测量方式的热线式空气流量传感器对其的结构和原理进行简单的介绍,热线式空气流量传感器的基本构成如图1一4所示。它前端有金属防护网,后端有防止逆转的屏蔽网。为使进气空气流速适合传感器的测量速度,在传感器主空气通道设有取样流道,取样流道由一个热线支承环和两个塑料护套构成。加热电阻被设置在热线支承环内,由一个热线铂金丝构成,其是一个温敏电阻,即阻值随温度的变化而变化。加热电阻的温度补偿电阻也是一个铂金电阻,是被安装在热线支承环前端的塑料护套内,其电阻值跟进气温度相关。传感器的精密电阻安装在热线支承环后端的塑料护套上,该电阻上的电压值的变化即为热线式空气流量传感器的输出信号电压。

图1一4热线式空气流量传感器

1一防止逆转屏蔽,2一取样管,3一铂金热线,

4一上游温度传感器电阻,5一电子回路,6一连接器

热线式传感器的工作原理是通过测量通电的铂金丝电阻在流体中由于气流带走的热量损失来测量进气空气流量的,根据热平衡原理,在不考虑铂金丝电阻热传导的情况下,加热电流在铂金丝电阻中产生的热量应该等于流体所带走的热量,其工作原理如图1一5所示,图中RS为铂金加热电阻,RC为温度补偿电阻,R1、R2和R3为都为电阻,Rs、Rc、Rl、R2和R3共同组成了一个惠斯通电桥。在空气通道中取样流道中放置加热探头(铂电阻)RS,热线温度由控制电路控制其温度与吸入空气温度相差一定值,当空气通过RS时,RS被冷却,温度下降,其电阻阻值会随之变小,惠斯通电桥失去了平衡。此时为了恢复电桥的平衡,控制电路会自动增加Rs的电流15,使RS恢复到平衡时的温度和电阻值。随着控制电路控制铂金热线通过的电流加大,因为RS与R3是并联电路,故R3上的电流也增加,而R3的阻值不变,使得R3两端的电压增加, 这样只需测量R3两端的电压,通过转换就能得到相应的进气空气流量的信号。将热线传感器的输出电压信号和储存在传感器ECU中的原始数据相分析对比,计算机就能确定此时发动机所需的喷油量。

图1一5热线式空气流量传感器的基本原理

1一进气,2一集成运算放大器,3一传感器输出信号

如BOSH研发的LH型燃油喷射系统、飞度、尼桑千里马、通用别克、瑞典沃尔沃等轿车采用了热线式空气流量传感器。

(4)热膜式空气流量传感器

热膜式空气流量传感器的结构和工作原理与热线式空气流量计基本相同,如图所示1一6所示,只不过将发热体由热线改为了热膜,即将环境温度检测电阻、加热电阻、加热电阻温度检测电阻等通过特殊的加工工艺镀在一块微硅基片上。

1一6热膜式空气流量传感器

1一控制回路,2一通往节气门体,3一热膜, 4一气流温度传感器,5一金属网

热膜式空气质量流量传感器其实是热线式空气流量传感器的改进产品,在性能上比热线式空气流量传感器有了大大的提升,其采用硅微机械加工技术制作出传感器的芯片的,这使其具有体积小、兼容性强、精确度高、稳定性好、成本低、功耗低等一系列的特点。这种热膜式空气质量流量传感器出现在上个世纪九十年代,当时美国通用汽车公司和日本多家汽车制造公司生产的汽车很多都安装了这种传感器。现如今随着制造加工工艺和技术的不断提高,热膜式空气质量流量传感器的巨大优势使这种空气质量流量传感器大量装配用于各种电控汽油喷射系统中。

捷达都市先锋、新捷达王、捷达前卫、帕萨特、桑塔纳时代超人、马自达626和红旗等轿车都采用了热膜式空气流量传感器。

2.2热膜式空气流量传感器的理论分析

2.2.1托马斯(Thomas)理论

热膜式空气流量传感器属于量热式传感器,其原理是对传感器的传感单元进行加热,由于测量流体的流动导致传感单元上的热量会被气流带走,通过测量传感单元的热损耗来反映气体的质量流量〔20]。由于是科学家托马斯(ThomaS)首次提出了气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比的理论,还提出了可以通过测量传感单元的热消耗量来测量气体的质量流量的测量方法,因此该理论被人们命名为托马斯理论。根据托马斯理论流量方程可简述如下仁21〕: E=C*■T*q(2一l)

式中:E为单位时间内消耗的电能;C为气体的定压比热;q为流体的质量流量;■T为气体流动导致的电热丝温度差。

由上式可得到气体的质量流量表达式 q=E/C*■T(2一2)

从(2一2)式可知:式中定压比热C是一个常数,则流体质量流量q是关于电能消耗E和温度差■T的函数,保持其中一个量为定值测得另外一个函数值,通过(2一2)式就可以求得流体质量流量q。若保持热线的温度差■T为恒定值,即采用恒定温差法,要想得到质量流量q的值,测量电能消耗量E代入(2一2)式即可求得质量流量q;若保持单位时间内消耗的电能E为常数,即采用恒定功率法,通过测量温度差■T可求得质量流量q。

实际上,无论从特殊性关系或现实测量的方法来看,恒定温差法与恒定功率法相比,恒定温差法具有频率响应高,低噪声等一系列的优点,且简单易行。 2.2.2热膜传感器中的传热分析〔22〔23}

由传热学的理论可知,在热膜式传感器的传感单元中存在着很多种不同形式的传热,其中有加热电阻的强迫对流传热、加热电阻的自然对流传热、加热电阻的热辐射和加热电阻的热传导【24。我们可以根据托马斯理论对传感器加热电阻建立相关的热平衡方程:

(1)强迫对流是指空气流动时,气流带走的热量。因此它对传感器加热电阻的 热损耗中的影响最大,起主要作用。强迫对流传热的表达式如下:

式中,h强迫对流传热系数(W*(mZ*K)一,);AS为对流传热的表面积(m,);Th为 加热电阻的表面温度(℃);Tk为流体环境的温度(℃)。

在式(2.5)中,对流传热表面积AS是一个常数,于是加热电阻的强迫对流Qrc 转换为关于强迫对流传热系数h的函数,而强迫对流传热系数h可以用下式表示: h=姆秒m了,(AcLu)一,/2二c衅,(2一6)

式中,Pr为普朗特尔系数(Prantl),是反映流体物性的参数,对于在一50℃一

100℃的空气中,Pr=0.7一0.71;L为散热体的特征长度(m);C为比例系数;ma为流 过传感器的空气质量流量。将式(2.6)带入式(2.5)可得到下式: Q,c=c衅,凡(兀一爪)(2一7)

由式(2.7)可知,在固体的结构参数和流体的物理特性一定的情况下,强迫对流 主要与流体的质量流量的平方根成正比。

(2)自然对流是因为存在温度差导致的,热从传感单元温度高的区域向周围温 度较低的区域传递,可以由下式表示: Qn。=气式(几一双)(2一8)

式中,Q。为自然对流平均传热系数(w(m2*K)一`);AS为对流传热的表面积(m,); Th为加热电阻的表面温度(℃);Tk为流体环境的温度(℃)。

因为空气流量传感器是在层流状态中测量质量流量的,故自然对流平均传热系 数可以用下式表示:

a,=1.36*(■犷/L),“(2一9)

将式(2一10)代入到式(2一8)中可得: 么。=l.36*(■T/灯/4*人*(兀一T^)(2一10)

在热膜传感器单元传热中自然对流传热任何时候都是存在的,但是自然对流传 热与强迫对流传热比较起来就显得不那么重要,只有当进气道内空气静止或气体流 速很低时,强迫对流传热可视为不存在,此时自然对流传热才会成主要考虑对象。 (3)热膜传感电阻的辐射传热是指电阻向外发射辐射能,从而导致热能的损耗, 可由下式表达:

Qra、=As(。刀一aH)

式中,AS为对流传热的表面积(mZ); (2一11)

为加热电阻Rh表面的总发射系数;。为

斯台芬一波尔兹曼常数(Stefen一B。ltzman常数),。=5.67又10一8(W*m一2*k一`);H为单 位面积、单位时间的入射辐射热;。为传感电阻吸收比。由于加热电阻的温度一般 比环境温度高100一150℃,由于他们之间的温度差始终保持在一恒定值,故加热电阻 的辐射传热量也为一定值。辐射传热量相对于其他形式的传热极少,故可忽略不计。 (4)热膜传感器中导热主要发生在加热电阻Rh通过基底向电阻周围环境的热传 导,可用下式表示:

Qc=兄A■兀/占(2一13)

式中,入为基底的导热传热系数(w*(m*K)一);■Tw为加热电阻Rh的温度与环境 温度检测电阻Rt的温度之差,■兀=兀一兀;6为传感头基板导热壁面的厚度(m)。 对于传感器的导热,相对于对流传热的而言是微不足道的,故可忽略不计。

2.3热膜式空气流量传感器的基本原理

2.3.1热膜式空气流量传感器的工作原理

由上文我们可知热膜式空气流量传感器的测定方法可分为恒定温差法和恒定功率法,而且恒定温差法与恒定功率法相比,具有简单易行,频率响应高,低噪声等一系列的优点。故下文重点恒定温差式传感器的工作原理进行分析。

恒定温差式流量传感器的核心部件是传感器的传感头,其传感头的基本构件的示意图如图2.3所示,主要是由加热电阻Rh、加热电阻的温度检测电阻Rt、环境温度检测电阻Rk以及加热电阻上下游的温度测试电阻RSI、Rs2构成,其中环境温度检测电阻Rk处于气流的上游,并且远离加热电阻,检测发动机进气道内空气温度。其基本工作原理为加热电阻由加热电路控制加热,保持其温度始终高于周围环境温度,而周围环境温度由集成于芯片上或者外部的环境温度检测电阻来测量,这样通过驱动加热电阻的电压就可以测量空气流量。当发动机进气管道内的气体是静止时,加热电阻向四周散热量应该是一样的,因此在电阻的上下方的温度应该是相等的,温度场以加热电阻为中心成对称分布;当发动机进气管道内气体有一定的流速时,由于强迫热对流的存在,气流将加热电阻产生的热量带向下游,导致处在加热电阻上游电阻RSI的温度下降,而处在下游的电阻RSZ温度上升一,从而使上下游产生了一个温度差■T,气体流速的流速越大,上下游的温度差■T也越大。通过检测上下游的温度测试电阻的电压变化,

再通过传感器标定实验就可以得到输出电压信号与气体流量之间的关系,即可以得到响应的进气空气流量的大小。

图2一1热膜式空气质量流量传感器传感头的结构示意图

2.3.2热膜式空气流量传感器的结构

汽车空气流量传感器安装在空气滤清器与进气歧管之间,如图2一2所示。热膜式空气质量流量传感器的结构取决于很多方面的因素影响。例如,传感器使用在不同汽车发动机上,发动机进气道的形状决定了传感器的安装结构,还有传感器传感器单元、电路板、进气取道和连接器的支架的如何排列和封装等等。虽然传感器的结构因为安装因素及设计因素的需要而有所变化,但是整体的结构不会出现太大的变化。

图2一2空气流量传感器的安装位置

如图2一3所示是热膜式空气质量流量传感器的结构示意图,其主要组成有:机体、设置在机体内的空气通道及安装在空气通道中的空气流量传感器的传感单元和空气流量传感器的驱动电路,空气流量传感器的传感单元通过螺钉连接在机体上,包括有安置于空气通道内的传感头,传感头电信号连接驱动电路板以及固定传感头及其电路板的支撑架。

图2一3热膜式空气质量流量传感器结构示意图

1一机体,2一传感单元,3一驱动电路,4一传感头,5一空气通道

2.4目前热膜式空气流量传感器存在的问题

(1)低功耗问题,由于热膜式探头需一定的电流对加热电阻进行加热,但是先阶段很难做到电池供电的低功耗运行。

(2)湿度的影响和修正问题,由于湿度环境的调节与检测都有困难,所以湿度热膜式空气流量传感器的影响,实验数据与修正方法目前尚无有效方法。

(3)粉尘影响问题,由于汽车发动机经常会在肮脏的空气环境中工作,被吸进发动机进气管道的空气会含有大量的粉尘,会对传感器芯片产生比较严重的污染,如果热式探头长期工作在含粉尘的气流环境中,探头表面将被污染,其散热性能也将受到影响,从而改变流量传感器的输出信号,但具体影响量目前尚无法用数据描述。

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