熱膜式空氣流量計(jì)的測(cè)量技術(shù)

RT—溫度補(bǔ)償電阻（進(jìn)氣溫度傳感器）RH—熱膜電阻RS—信號(hào)取樣電阻R1、R2—精密電阻UCC—電源電壓US—信號(hào)電壓A—控制電路當(dāng)空氣氣流流經(jīng)發(fā)熱元件使其受到冷卻時(shí)，發(fā)熱元件溫度降低，阻值減小，電橋電壓失去平衡，控制電路將增大供給發(fā)熱元件的電流，使其溫度保持高于溫度補(bǔ)償電阻溫度（120℃）。電流增量的大小，取決于發(fā)熱元件受到冷卻的程度，即取決于流過流量計(jì)的空氣量。當(dāng)電橋電流增大時(shí)，取樣電阻RS上的電壓就會(huì)升高，從而將空氣流量的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)US的變化。輸出電壓與空氣流量之間近似于4次方根的關(guān)系。信號(hào)電壓輸入ECU后，ECU便可根據(jù)信號(hào)電壓的高低計(jì)算出空氣質(zhì)量流量QM的大小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，其節(jié)氣門關(guān)閉或接近全閉，因此空氣流速低，空氣量少；如果空氣為熱空氣，則空氣溫度越高，空氣密度越小。所以在體積相同的情況下，熱空氣的質(zhì)量小，因此發(fā)熱元件受到冷卻的程度小，阻值減小幅度小，保持電橋平衡需要的電流也小，故取樣電阻上的信號(hào)電壓低。反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大時(shí)，由于空氣流速快，進(jìn)入的空氣量多，相對(duì)來說，空氣為冷空氣，發(fā)熱元件受到冷卻的程度就大，阻值減小幅度大，保持電橋平衡需要的電流也大，故取樣電阻上的信號(hào)電壓高?？刂茊卧狤CU根據(jù)信號(hào)電壓即可計(jì)算出空氣量。2.2溫度補(bǔ)償原理熱膜式質(zhì)量空氣流量計(jì),可以通過電路硬件補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)量空氣流量的直接測(cè)量。當(dāng)進(jìn)氣溫度變化時(shí)，發(fā)熱元件的溫度就會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量進(jìn)氣量的精度就會(huì)受到影響。設(shè)置溫度補(bǔ)償電阻（溫度計(jì)）后，從電橋電路上可以看出，當(dāng)進(jìn)氣溫度降低使發(fā)熱元件上的電流增大時(shí)，為了保持電橋平衡，溫度補(bǔ)償電阻上的電流相應(yīng)增大，以保證發(fā)熱元件溫度與溫度補(bǔ)償電阻之差保持恒定，使流量計(jì)測(cè)量精度不受進(jìn)氣溫度變化的影響。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)介紹傳感器主要組成包括惠斯登電橋電路、電橋自動(dòng)平衡電路、功率放大電路、微處理器電路(含A／D轉(zhuǎn)換)、D／A轉(zhuǎn)換電路以及信號(hào)輸出電路等，智能空氣流量計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖：主體電路采用了反饋電路，工作時(shí)，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，并且空氣質(zhì)量流量越大，被帶走的熱量也就越多，其電阻值減小越多。因此電路中輸入到運(yùn)算放大器的電壓也隨之而變，由于輸入到運(yùn)算放大器的電壓變化將引起反饋放大器電壓發(fā)生改變，結(jié)果通過熱膜的電流隨之改變，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時(shí)供給電橋的電壓己經(jīng)發(fā)生了變化，因此電橋電壓的變化能反映空氣的流量的變化，這個(gè)橋路電壓作為測(cè)量空氣流量的電信號(hào)引入帶有A／D轉(zhuǎn)換功能的微處理器電路進(jìn)行處理，將電橋輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過線性化處理后，輸出電壓信號(hào)，成為輸出信號(hào)供Ecu作為判斷信號(hào)使用。1．1微處理器的選擇本研究選用Freescale的Mc9s08QD4汽車級(jí)芯片作流量計(jì)的微處理器，主要基于如下原因：(1)芯片內(nèi)含8位A／D轉(zhuǎn)換器，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)控制精度要求。該設(shè)計(jì)所適用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行空燃比計(jì)算時(shí)，若采用雙區(qū)或多區(qū)燃燒模型對(duì)燃燒過程進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，準(zhǔn)確性高但計(jì)算量大，所以只用作離線計(jì)算，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)筆者采用對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，因此選擇與其運(yùn)算與處理要求相適應(yīng)的處理器。(2)作為一種經(jīng)濟(jì)型微處理器，其內(nèi)含HCS08系列內(nèi)核、時(shí)鐘以及總線接口與流量計(jì)的需求接口和功能相適應(yīng)?？纱蟠鬁p小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外圍接口，同時(shí)不至于引起處理器接口的浪費(fèi)4。(3)該芯片具有應(yīng)用于汽車的背景而且體積非常小，能耐受并適應(yīng)流量計(jì)的特殊使用環(huán)境。1．2微處理器與信號(hào)輸出電路微處理器與信號(hào)輸出電路如圖2所示，經(jīng)過第一級(jí)差動(dòng)放大器的電橋輸出信號(hào)被輸入到微處理器的兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換接口。微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理后輸出給D／A轉(zhuǎn)換器。D／A轉(zhuǎn)換器按照時(shí)序?qū)?shù)字量改變?yōu)槟M量，與其相連的運(yùn)算放大器對(duì)來自D從轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)進(jìn)行放大產(chǎn)生一定大小的電流輸出，利于保證流量計(jì)與Ecu之間信號(hào)傳輸?shù)慕研浴D2微處理器以及信號(hào)輸出外圍電路1．3電橋自動(dòng)平衡電路電橋自動(dòng)平衡電路如圖3所示，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。此時(shí)電橋不再處于平衡狀態(tài)，輸出電壓也改變。改變后的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器的多級(jí)放大后控制電橋的輸入電壓，使通過熱膜電阻的電流隨著變化，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時(shí)電橋輸出電壓與通過熱膜電阻的流體質(zhì)量流量相關(guān)，通過測(cè)量電橋輸出電壓，可經(jīng)換算得出空氣的質(zhì)量流量。電橋自動(dòng)平衡電路的輸出電壓信號(hào)進(jìn)入功率放大電路，由其變?yōu)殡娏餍盘?hào)供給惠斯登電橋的輸入端。于輸入信號(hào)含同相電壓，第一級(jí)采用差動(dòng)放大，以提高抗共模干擾能力。為了提高電橋輸出端的增益，輸出端的電壓采用了多級(jí)放大的方式，通過配合不同反饋電阻值，可以調(diào)節(jié)輸出端的電壓增益的大小。四、熱膜與進(jìn)氣流的溫度差，在流量計(jì)可保持120℃恒定?？諝饬鬟^時(shí)所需的加熱電流即為流過的空氣質(zhì)量的度量。由于測(cè)定的加熱電流無需校正，它可以直接作為進(jìn)入空氣的質(zhì)量流量，故測(cè)量的誤差較小，可保證±2%的范圍內(nèi)。為了保證進(jìn)氣流動(dòng)均勻地流入進(jìn)氣測(cè)量管中，在流量計(jì)的入口處的防護(hù)柵格可減少流量計(jì)中的熱膜受污，也可使熱膜式傳感器減少機(jī)械損傷。這種空氣質(zhì)量流量計(jì)的流量量程比約為1：60。設(shè)計(jì)要求在最大流量計(jì)測(cè)時(shí)，進(jìn)氣壓力的損失不能減小發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。由于熱膜式流量計(jì)能滿足精度要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗沾污能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，因此在汽車上應(yīng)用較多。五、近年來，流量傳感器得到了迅速發(fā)展，傳感器的功能得到很大的提高，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用．由于MEMS工藝尺寸小、強(qiáng)度低，必須通過封裝來提高其機(jī)械強(qiáng)度，來保護(hù)芯片的微結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和電氣連接．因此，流量傳感器只有進(jìn)行封裝以后才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的實(shí)際應(yīng)用，封裝是實(shí)現(xiàn)流量傳感器的應(yīng)用和促進(jìn)其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，封裝研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)流量傳感器的商業(yè)化和促進(jìn)流量傳感器的進(jìn)一步發(fā)展都具有重要意義。封裝效果良好，安全可靠的話可以保證熱膜式流量傳感器的有效應(yīng)用．參考文獻(xiàn)：

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