汽车空气流量质量传感器的分析

文昊，许冀阳，刘艳伟，李文中

(1.长安大学汽车学院，陕西西安710064;2.河北工业大学机械工程学院，天津300130;3.重庆理工大学汽车学院，重庆400050)

0 引言

电子工业的发展使得大量的传感器运用到汽车上来，空气流量传感器作为电控汽油发动机控制信号来源之一得到了普遍的运用。空气流量传感器将进入气缸的空气质量转变为电压信号，并输送到控制单元中。控制单元依据进入气缸的空气质量以及发动机转速、温度、工况等计算出最佳喷油量，调节气缸中混合气的空燃比。最终达到提高发动机的动力性、经济型以及排放性等性能。

1 汽车电子技术的发展

自从汽车工业诞生以来，汽车工业就走上了飞速发展的道路，发展到如今，汽车成为人们生活中不可缺少的一部分，而到目前为止汽车工业已经进入了比较成熟的阶段。在汽车工业的发展过程中电子技术使其发生了质的变革，电子工业朝着传统的汽车工业渗透，应用到汽车中的电子技术占到汽车总成本的30%以上，因此在众多的汽车新技术中电子技术成为最受人们关注和最有发展潜力的一部分。

2 空气流量质量对发动机的影响

电控发动机对发动机的动力性、经济型、排放性和操纵稳定性等都有很大的改善。在传统的化油器发动机中空燃比不能控制在有效的范围内，特别是中小负荷使发动机的经济性和排放性变差，因此精确地控制空燃比对发动机的动力性、经济性、排放性尤为重要［1］。电控发动机的空燃比是依靠进入气缸的空气量及运行工况决定喷油量改变空燃比，所以对进入气缸的空气量的检测尤为重要。

3 空气流量计的发展及比较

3.1 空气流量计的类型

通常用于电控发动机测量发动机进气量的方法可以分为两类:一类为间接法，测得发动机进气管的绝对压力，然后通过测得的进气温度、进气密度、发动机的转速计算出进气空气的流量质量，间接测量测量精度比较低。另一类为直接测量法，分为体积流量测量和质量流量测量。体积流量测量有卡门涡旋式空气流量计和翼板式空气流量计，质量流量测量有热线式空气流量计和热膜式空气流量计［2］。喷油量是根据进入空气质量决定喷油量的，用热线或热膜式质量流量计测量的直接是空气的质量流量，所以其测量精度比较高。

3.2 卡门涡流式空气流量计

卡门涡流式传感器在进气道的中央设置一个锥形的涡流发生器，当空气流经进气道时，会在涡流发生器的后部产生涡流，涡流的发生频率和空气的流速成正比。

卡门涡流式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、进气阻力小等优点，但该流量传感器也是检测气体体积，需要对空气温度和大气压进行修正。

3.3 叶片式空气流量传感器

该流量计在进气主道中装一个可绕轴旋转的叶片，在发动机工作的时候，空气进入进气道推动叶片旋转，使叶片转动的角度增大。而叶片轴部位的电位计也相应地偏转，使电位计上的电阻阻值发生变化，传感器的输出电压值变化［3］。叶片式流量计测得的是空气的体积属于间接测量，因此逐渐被淘汰。

3.4 热线式空气流量计

热线式空气流量计工作原理如图1所示，主要由感知空气流量的铂金热线RH、对进气温度进行修正的温度补偿电阻RS、环境温度测试电阻RK、电桥平衡电阻R1、R2等共同组成一个惠斯通电桥。当空气流经铂热电阻RH时，铂金电阻RH被冷却，温度降低，电阻值会随着温度降低而减小，使电桥失去平衡。为了恢复电桥的平衡，电路自动增加RH的电流，使RH恢复到平衡时的温度和电阻值。因为RS与RH为并联电路，所以RS上的电流也增加，RS的阻值不变，所以RS两端的电压增加，测量RS两端的电压，通过转换就得到相应的进气空气流量值［4］。

热线式空气流量传感器直接测量空气质量流量，不需要补偿大气的压力和进气温度的变化，另外这种流量传感器具有体积小、质量轻、测量精度高、响应速度快等优点，但是热线式空气流量计在使用中容易被污染，影响其测量精度［5］。

4 空气流量计的发展

汽车传感器的发展方向是智能化、小型化、系统化、集成化以及多功能化。现如今发展的MEMS传感器质量小、生产成本低 耗能低并且响应时间短 所以 成为汽车传感器的发展趋势。

4.1 MEMS传感器简介

MEMS也叫做微机械，它是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路、接口、通信、电源等于一体的微型器件的系统。它融合了多种微加工技术，并且应用现代的最新发展成果和最新技术发展起来的高科技前沿学科。

4.2 MEMS在汽车上的应用

汽车MEMS传感器利用微精密机械加工和集成电路电子加工技术，以硅为主要材料将微米级的信号处理器、敏感元件、数据处理装置封装在一块芯片上，制造出新型高精度，高效能，低成本，微型智能传感器。四类产品是汽车MEMS销售额的主要贡献者:压力传感器，加速计，陀螺仪和流量传感器，这4种器件几乎占了整个汽车MEMS市场销售额的99%。

4.3 MEMS汽车传感器的特点

MEMS传感器在汽车上的应用有以下几个特点:

(1)微型化、智能化。MEMS传感器具有智能化、微型化等特点，把不同的多个传感器集为一体。

(2)机械性能优良，硅储存量大。硅有良好的机械强度、机电合一性、优良的电性能，便于实现集成化和多功能化，而且硅储存量丰富，制造成本低。

(3)可靠性和稳定性，MEMS可以将所有器件集成在一起制造，从而提高了可靠性和稳定性。

(4)批量生产。车用传感器大批量的生产从而大大降低了制造成本，有利于完成批量生产。

随着高科技的发展，体积更小，成本更低的汽车空气流量质量传感器将运用到汽车上来，而MEMS空气流量传感器自身的特点使其无疑成为以后发展的趋势。

【1】贺展开，龚晓艳.汽车传感器的检测［M］.北京:机械工业出版社，2011:9－23.

【2】吴克刚.温差式热膜空气质量流量传感器［J］.长安大学学报，2002(9):86－88.

【3】金跃川.汽车空气质量流量传感器的研究［D］.武汉理工大学，2011(5):23－28.

【4】常红梅.汽车发动机进气质量流量传感器［D］.长安大学，2007(4):1－9.

【5】吴克刚.热膜式空气质量流量传感器的动态响应［J］.长安大学学报，2005(5):100－101.