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文档简介
空气流量传感器的原理及应用案例目录TOC\o"1-2"\h\u18948一、引言(发展现状)、 127196二、传感器/采集系统的具体原理、 229391三、结构 36741热膜式空气流量传感器采用厚膜工艺 510544四、市场主流产品及生产产商、 520676生产厂商:广州奥松电子股份有限公司 528746五、性能指标及评估标准、 522245六、应用领域及实际应用案例。 6一、引言(发展现状)、早期的汽车上只装有温度传感器、机油压力传感器等几个最基本的信息采集单元,随着汽车工业发展和电子技术的不断更新,大量的传感器应用在汽车上,21世纪以来无论是我国还是世界上汽车传感器市场都在大幅度增长。目前世界上的传感器种类在2000种以上,而运用在汽车上的传感器数量占总的传感器数量的73%以上,加之能源消耗、生态环境和人们对汽车功用要求的进一步提高,使得运用在汽车上的传感器的数量逐年增长,所以汽车传感器市场存在着很大的发展潜力。汽车空气流量传感器主要有卡门涡旋式空气流量传感器、翼片式空气流量传感器和热式空气流量传感器,由于卡门涡旋式空气流量传感器和翼片式空气流量传感器是对进气体积的测量,在得出进气质量的时候需要测量大气压力和进气温度计算出进气的密度,因此其测量精度不高,所以很快被热式空气流量传感器代替。热式空气流量传感器大约经历了三十多年的发展,最初在BOSCH公司开发的LH-Jetronic系统中应用了热线式空气流量传感器,其测量结果与大气的压力和进气温度无关,不需要进行密度修正,因此测量精度明显提高。由于进气中含有大量的污染物在经过热线时会沉淀在热线上,所以热线式空气流量传感器增加自洁功能,发动机停止工作时,对热线供电,产生瞬时高温去除热线上的沉淀物,但是其效果不是很理想。1996年BOSCH研制出热膜式空气流量传感器,最初将加热铂电阻印刷在玻璃或者陶瓷上,最后发展到将加热电阻固定在微硅片上,这类传感器的响应速度明显增快,测量精度有所提高,测量范围广,所以被广泛的应用于汽车电控燃油喷射系统。随着电控燃油喷射系统在国内的广泛应用,空气流量传感器的研究在国内也越来越重视,国内的空气流量传感器大致经历了以钨丝作为传感单元的空气流量传感器,因其寿命短所以很快就被淘汰了,接着出现铂电阻做的空气流量传感器,铂电阻性能稳定,但是国内铂电阻工艺相对落后,因此限制了在高端车上使用。现如今国内采用BOSCH探头做的空气流量传感器,探头跟其他几个电阻组成惠斯通电桥,这种传感器反应速度快,测量精度高,目前在国内用的这类传感器大都依靠进口来满足市场需求。二、传感器/采集系统的具体原理、热线式空气流量传感器主要由感知空气流量的加热铂丝电阻、空气温度补偿电阻、环境温度测试电阻、流量计壳体、空气滤网、插接器等组成。汽车上使用的热线式空气流量传感器分为主流热线式和旁流热线式。主流热线式空气流量传感器和旁流热线式空气流量传感器的工作原理相同,其工作原理如图2-1所示。图2-1热线式空气流量传感器工作原理图1-进气2-集成运算放大器3-输出信号在图2-1中,Rs为传感器的加热铂丝电阻,该电阻置于空气气流中,其阻值随着温度的增高而变大,Rc为温度补偿电阻用于消除环境温度对测量结果的影响,R1、R2、R3与前两个电阻共同组成惠斯通电桥。流量计工作时Rs置于进气道的气流中并且使加热铂丝的温度高于周围环境温度100℃左右,温度过高会使传感器的寿命降低且耗电,如果温度过低会降低传感器的灵敏度。在惠斯通电桥中当有空气流过加热铂丝Rs时,加热铂丝周围的温度降低,使加热铂丝的电阻值降低,从而电桥失去平衡,为了使电桥保持平衡运算放大器将电压放大后供给电桥,从而提高流过加热铂丝Rs的电流,加热铂丝的温度升高阻值增大,从而使电桥恢复平衡。由于Rs与R3为并联电路,所以当流过Rs的电流变化时通过R3的电流也相应的发生变化,而R3的阻值始终为固定值,因此R3两侧的电压随着流过加热铂丝Rs的空气流量的变化而变化。热线式空气流量传感器的测量无需进气密度的修正,因此热线式空气流量传感器的输出电压与进入发动机中的气体的流量成单一的函数关系。热膜式空气流量传感器主要由控制回路、集成热膜、环境温度传感器、金属网等组成,其工作原理与热线式空气流量传感器相同。热膜式空气流量传感器由热膜电阻代替了热线式空气流量传感器中的加热铂丝,热膜电阻采用平面形铂金属膜电阻,在微硅片上采用蒸发沉淀工艺镀上一层铂金属薄膜,再通过光刻制成梳状电阻并在表面覆上一层绝缘保护膜引出电极制成热膜电阻。热膜式传感器的发热体不直接承受气流的作用力,所以使发热体的强度大幅度提高,从而使空气流量传感器的使用寿命和可靠性有所改善,因此热膜式空气流量传感器逐渐取代了热线式空气流量传感器并广泛应用于现在的电子燃油喷射系统中。三、结构热线式空气流量传感器结构如图3-1所示。图3-1热线式空气流量传感器结构图1-空气滤网,2-热线支架,3-加热铂丝,4-温度传感器,5流量计壳体,6-插接器热膜式空气流量传感器结构如图3-2所示。图3-2热膜式空气流量传感器结构图1-控制回路,2-热膜,3-环境温度传感器,4-金属网热膜式空气流量传感器采用厚膜工艺四、市场主流产品及生产产商、生产厂商:广州奥松电子股份有限公司主流产品:ADP2100传感器、ADP2000传感器、AFM3001生产厂商:武汉南控仪表科技有限公司:主流产品:LWGQ气体涡轮流量计、LLGQ智能气体罗茨流量计、LMF5600系列气体质量流量计生产厂商:杭州逸控科技有限公司主流产品:热式气体质量流量器、气体涡轮流量器、五、性能指标及评估标准、在汽车电子燃油喷射系统中常用的空气流量传感器有卡门涡旋式空气流量传感器、翼片式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器,这几种常见的空气流量传感器的性能比较如表5-1所示。卡门涡旋式空气流量传感器在其测量结构上无可动件,无机械磨损,工作可靠性高,寿命长,体积小、质量轻、便于安装,而且其输出信号为数字信号,特别适用于电控系统中。但是卡门涡旋式空气流量传感器属于体积流量测量式传感器,在计算进气质量流量时需要大气压修正和进气温度修正,所以使其测量精度有所下降。翼片式空气流量传感器结构简单、成本低、可靠性好,翼片式空气流量传感器同卡门涡旋式空气流量传感器一样都属于体积流量测量计,同样需要进气温度和大气压的补偿,所以测量精度较低,而且其体积大安装不方便,对进气有较大的阻力,响应性差,所以已被其他的空气流量传感器所代替。热线式和热膜式空气流量传感器都属于质量流量测量计,与体积测量计不同在于不需要进气的气压和温度进行修正,因此测量精度高,除此还有体积小、质量轻、响应性好等优点。热线式空气流量传感器相比于热膜式空气流量传感器在测量过程中更容易被污染,使测量精度降低,因此在热线式空气流量传感器中增加了自洁功能,当发动机停机时给加热铂丝一定的电流,使铂丝产生大约1s左右1000℃的高温烧掉沉积在上面的污染物,从而达到自洁作用。热膜式空气流量传感器在使用过程中不存在污染现象,并且其用加热电阻代替加热铂丝使可靠性和测量精度都有所改善,所以现在的电控燃油喷射系统中基本都采用热膜式空气流量传感器。表5-1空气流量传感器的性能比较六、应用领域及实际应用案例。随着新技术、新工艺、新材料的发展人们对汽车的动力性、经济性、和舒适性等有了更高的要求,加之汽车对能源危机和生态环境所产生问题使汽车新技术的发展迫在眉睫。电子燃油喷射系统在汽车上的应用对汽车的各方面的性能都有大幅度的改善。在电子燃油喷射系统中发动机的进气量作为燃油喷射量的基本决定参数,因此对发动机的进气量的精确测量显得尤为重要。对发动机进气量测量精确度要求的提高使空气流量传感器经历了翼片式空气流量传感器、卡门涡旋式空气流量传感器到现在的热式空气质量流量传感器,现在所采用的热式空气质量流量传感器克服了以前流量计需要温度补偿和压差补偿导致测量不精确的缺点,所以热式空气质量流量传感器在电控燃油喷射系统中得到了普遍的应用。丰田5NR-FE发动机装配一汽丰田的威驰等车型上。丰田5NR-FE发动机使用的是热线式空气流量计,目前这个类型的空气流量计应用广泛,大多数L型进气系统都采用了此类传感器。热线式空气流量计可以通过电阻温度的上升下降,改变电压,通过空气流量计电压信号、进气温度传感器的信号、水温传感器的信号、氧传感器的信号和发动机转速信号,即可作为汽车发动机的喷油基准信号,丰田5NR-FE发动机空气流量计的故障码主要由三个PT0100、PT0102、PT0103。一汽产CA7200E3型豪华轿车,装用日本VGZOE电控多点汽油喷射发动机,进气系统采用热膜式(LH型)空气流量传感器。参考文献[1]赵宝平.空气流量传感器工作原理及其检测[J].汽车维修,2018,(09):45-48.[2]邵万曙,薄膜式空气流量传感器.浙江省,温州市日益机车部件有限公司,2017-12-03.[3]汪余景.基于热式流量变送器的列车折关监测系统研究[D].东南大学,2017.[4]任锦玲,刘冰冰,孙健,牟轩.热丝式与热膜式空气流量传感器的检修[J].农机使用与维修,2016,(07):14-15.[5]郭腾云.大型柴油发动机状态监测关键参数的光纤式传感设计及实验研究[D].山东大学,2016.[6]朱必武.基于LabVIEW的汽车空气流量传感器检测系统研究[D].长安大学,2016.[7]王婷旺.汽车空气流量计系
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