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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、。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限制,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限制,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
8、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
9、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
10、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限制,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
11、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
12、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(
13、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
14、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
15、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中央设置一个阻碍物,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
16、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
