汽車空氣流量質量傳感器的分析

文昊，許冀陽，劉艷偉，李文中

(1.長安大學汽車學院，陜西西安710064;2.河北工業大學機械工程學院，天津300130;3.重慶理工大學汽車學院，重慶400050)

0 引言

電子工業的發展使得大量的傳感器運用到汽車上來，空氣流量傳感器作為電控汽油發動機控制信號來源之一得到了普遍的運用。空氣流量傳感器將進入氣缸的空氣質量轉變為電壓信號，并輸送到控制單元中。控制單元依據進入氣缸的空氣質量以及發動機轉速、溫度、工況等計算出最佳噴油量，調節氣缸中混合氣的空燃比。最終達到提高發動機的動力性、經濟型以及排放性等性能。

1 汽車電子技術的發展

自從汽車工業誕生以來，汽車工業就走上了飛速發展的道路，發展到如今，汽車成為人們生活中不可缺少的一部分，而到目前為止汽車工業已經進入了比較成熟的階段。在汽車工業的發展過程中電子技術使其發生了質的變革，電子工業朝著傳統的汽車工業滲透，應用到汽車中的電子技術占到汽車總成本的30%以上，因此在眾多的汽車新技術中電子技術成為最受人們關注和最有發展潛力的一部分。

2 空氣流量質量對發動機的影響

電控發動機對發動機的動力性、經濟型、排放性和操縱穩定性等都有很大的改善。在傳統的化油器發動機中空燃比不能控制在有效的范圍內，特別是中小負荷使發動機的經濟性和排放性變差，因此精確地控制空燃比對發動機的動力性、經濟性、排放性尤為重要［1］。電控發動機的空燃比是依靠進入氣缸的空氣量及運行工況決定噴油量改變空燃比，所以對進入氣缸的空氣量的檢測尤為重要。

3 空氣流量計的發展及比較

3.1 空氣流量計的類型

通常用于電控發動機測量發動機進氣量的方法可以分為兩類:一類為間接法，測得發動機進氣管的絕對壓力，然后通過測得的進氣溫度、進氣密度、發動機的轉速計算出進氣空氣的流量質量，間接測量測量精度比較低。另一類為直接測量法，分為體積流量測量和質量流量測量。體積流量測量有卡門渦旋式空氣流量計和翼板式空氣流量計，質量流量測量有熱線式空氣流量計和熱膜式空氣流量計［2］。噴油量是根據進入空氣質量決定噴油量的，用熱線或熱膜式質量流量計測量的直接是空氣的質量流量，所以其測量精度比較高。

3.2 卡門渦流式空氣流量計

卡門渦流式傳感器在進氣道的中央設置一個錐形的渦流發生器，當空氣流經進氣道時，會在渦流發生器的后部產生渦流，渦流的發生頻率和空氣的流速成正比。

卡門渦流式傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、進氣阻力小等優點，但該流量傳感器也是檢測氣體體積，需要對空氣溫度和大氣壓進行修正。

3.3 葉片式空氣流量傳感器

該流量計在進氣主道中裝一個可繞軸旋轉的葉片，在發動機工作的時候，空氣進入進氣道推動葉片旋轉，使葉片轉動的角度增大。而葉片軸部位的電位計也相應地偏轉，使電位計上的電阻阻值發生變化，傳感器的輸出電壓值變化［3］。葉片式流量計測得的是空氣的體積屬于間接測量，因此逐漸被淘汰。

3.4 熱線式空氣流量計

熱線式空氣流量計工作原理如圖1所示，主要由感知空氣流量的鉑金熱線RH、對進氣溫度進行修正的溫度補償電阻RS、環境溫度測試電阻RK、電橋平衡電阻R1、R2等共同組成一個惠斯通電橋。當空氣流經鉑熱電阻RH時，鉑金電阻RH被冷卻，溫度降低，電阻值會隨著溫度降低而減小，使電橋失去平衡。為了恢復電橋的平衡，電路自動增加RH的電流，使RH恢復到平衡時的溫度和電阻值。因為RS與RH為并聯電路，所以RS上的電流也增加，RS的阻值不變，所以RS兩端的電壓增加，測量RS兩端的電壓，通過轉換就得到相應的進氣空氣流量值［4］。

熱線式空氣流量傳感器直接測量空氣質量流量，不需要補償大氣的壓力和進氣溫度的變化，另外這種流量傳感器具有體積小、質量輕、測量精度高、響應速度快等優點，但是熱線式空氣流量計在使用中容易被污染，影響其測量精度［5］。

4 空氣流量計的發展

汽車傳感器的發展方向是智能化、小型化、系統化、集成化以及多功能化。現如今發展的MEMS傳感器質量小、生產成本低 耗能低并且響應時間短 所以 成為汽車傳感器的發展趨勢。

4.1 MEMS傳感器簡介

MEMS也叫做微機械，它是指可批量制作的集微型機構、微型傳感器、微型執行器及信號處理和控制電路、接口、通信、電源等于一體的微型器件的系統。它融合了多種微加工技術，并且應用現代的最新發展成果和最新技術發展起來的高科技前沿學科。

4.2 MEMS在汽車上的應用

汽車MEMS傳感器利用微精密機械加工和集成電路電子加工技術，以硅為主要材料將微米級的信號處理器、敏感元件、數據處理裝置封裝在一塊芯片上，制造出新型高精度，高效能，低成本，微型智能傳感器。四類產品是汽車MEMS銷售額的主要貢獻者:壓力傳感器，加速計，陀螺儀和流量傳感器，這4種器件幾乎占了整個汽車MEMS市場銷售額的99%。

4.3 MEMS汽車傳感器的特點

MEMS傳感器在汽車上的應用有以下幾個特點:

(1)微型化、智能化。MEMS傳感器具有智能化、微型化等特點，把不同的多個傳感器集為一體。

(2)機械性能優良，硅儲存量大。硅有良好的機械強度、機電合一性、優良的電性能，便于實現集成化和多功能化，而且硅儲存量豐富，制造成本低。

(3)可靠性和穩定性，MEMS可以將所有器件集成在一起制造，從而提高了可靠性和穩定性。

(4)批量生產。車用傳感器大批量的生產從而大大降低了制造成本，有利于完成批量生產。

隨著高科技的發展，體積更小，成本更低的汽車空氣流量質量傳感器將運用到汽車上來，而MEMS空氣流量傳感器自身的特點使其無疑成為以后發展的趨勢。

【1】賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測［M］.北京:機械工業出版社，2011:9－23.

【2】吳克剛.溫差式熱膜空氣質量流量傳感器［J］.長安大學學報，2002(9):86－88.

【3】金躍川.汽車空氣質量流量傳感器的研究［D］.武漢理工大學，2011(5):23－28.

【4】常紅梅.汽車發動機進氣質量流量傳感器［D］.長安大學，2007(4):1－9.

【5】吳克剛.熱膜式空氣質量流量傳感器的動態響應［J］.長安大學學報，2005(5):100－101.