應(yīng)用于汽車(chē)的溫差式空氣流量傳感器的研究.pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)氣量的準(zhǔn)確測(cè)量，使得空氣進(jìn)氣量與噴油量處于最佳比例。在車(chē)用空氣流傳感器中，由于熱式流量傳感器具有無(wú)機(jī)械傳動(dòng)，無(wú)需壓力補(bǔ)償，響應(yīng)速度快，測(cè)試靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，熱式空氣流量傳感器發(fā)展非常迅速，且在汽車(chē)領(lǐng)域開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。本文中研究的空氣流量計(jì)為溫差熱膜式流量傳感器。其主要內(nèi)容如下： 由于進(jìn)氣管中空氣流速范圍與熱膜式流量傳感器測(cè)試量程不匹配，并且在進(jìn)氣管中的空氣流動(dòng)狀態(tài)為

2、湍流，不能滿(mǎn)足溫差熱膜式流量傳感器的測(cè)試條件。研究中通過(guò)在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管中設(shè)置取樣流道，測(cè)試取樣流道中的流速，間接反映進(jìn)氣管中空氣質(zhì)量流量。通過(guò)取樣流道中的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，可控制測(cè)試段的流速，使其滿(mǎn)足溫差流量傳感器的測(cè)試流量要求。同時(shí)使整個(gè)流速范圍內(nèi)測(cè)試段保持層流。 研究了傳統(tǒng)熱膜式流量傳感器，通過(guò)商業(yè)軟件對(duì)流量傳感器在各種狀態(tài)下的溫度分布、測(cè)試范圍和測(cè)試精度進(jìn)行了模擬，得到了較為合理的測(cè)試電阻的位置及其布局和芯片的結(jié)構(gòu)。其可測(cè)流速

3、范圍為0-5m/s。采用半導(dǎo)體工藝研制出了溫差橫膈膜式流量傳感器芯片，控制電路和信號(hào)輸出電路分別為兩組惠斯通電橋，分別為保證加熱電阻的加熱溫度和測(cè)試電阻信號(hào)輸出。通過(guò)測(cè)試分析初步驗(yàn)證了理論分析的正確性。并在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量為8～370Kg/h時(shí)，得到放大后信號(hào)電壓為0V～3.1V，并且呈現(xiàn)很好的單調(diào)性。分析了加熱電阻的溫度和寬度對(duì)測(cè)試精度和測(cè)試范圍的影響。本文中還針對(duì)帶有橫膈的膜熱膜式流量傳感器的測(cè)試范圍較窄的問(wèn)題，提出二次差分的測(cè)

4、試方法，該方法大大擴(kuò)大了流量的測(cè)試范圍，但同時(shí)降低了其測(cè)試精度。 提出了一種基于玻璃的流量傳感器，由于玻璃的熱導(dǎo)率較小，不需要構(gòu)造橫膈膜或隔熱橋，可直接在玻璃襯底上濺射薄膜電阻，因此，該傳感器具有制備工藝簡(jiǎn)單和耐流體沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是其工作功耗大，測(cè)試精度也相應(yīng)的降低。采用流體軟件模擬了各種情況下的溫度場(chǎng)，得到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管的質(zhì)量流量與輸出信號(hào)電壓的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了模擬趨勢(shì)的正確性，確認(rèn)該模擬具有一定實(shí)踐指導(dǎo)性。芯片的流速

5、測(cè)試范圍可達(dá)到10m/s，在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量為8～370Kg/h時(shí)，輸出電壓為0V～1.4V。 創(chuàng)新性的提出了一種新穎的集成微溝道的流量傳感器，通過(guò)微溝道的導(dǎo)向作用，達(dá)到增加橫膈膜上的強(qiáng)迫對(duì)流換熱效果，從而提高傳感器的測(cè)試精度。通過(guò)降低取樣流道中的流速與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管中的流速比，實(shí)現(xiàn)降低流體的擊波壓力，且保證了測(cè)試精度。模擬了流量傳感器在各種狀態(tài)下的溫度分布、測(cè)試范圍和測(cè)試精度，得到了理想的電阻布局方式和芯片結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)熱膜式

6、流量傳感器相比，其最大信號(hào)輸出提高了25％，在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量為370Kg/h時(shí)，輸出信號(hào)電壓可以達(dá)到3.86V。但其測(cè)試范圍有一定程度的縮小，其芯片表面最大測(cè)試流速為3m/s。 分析了各種流量傳感器在測(cè)試過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特征。內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管中的流動(dòng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，呈周期型變化。本文中模擬了正負(fù)階躍脈沖氣流下三種傳感器的延遲特性。非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中，影響傳感器響應(yīng)時(shí)間的主要因素為流場(chǎng)穩(wěn)定分布的延遲時(shí)間、襯底（或者橫膈膜）熱平衡分布的延遲

7、時(shí)間和加熱電阻溫度補(bǔ)償延遲時(shí)間。在正階躍脈沖氣流下，三種傳感器的響應(yīng)時(shí)間分別1.4ms，2.5ms和1.2ms。在負(fù)階躍脈沖氣流下，三種傳感器的響應(yīng)時(shí)間分別1.5ms，2.5ms和1.5ms。 研究了環(huán)境溫度對(duì)流量傳感器的輸出電壓信號(hào)的影響。隨著環(huán)境溫度的增加，電壓信號(hào)明顯減弱，這會(huì)給流量計(jì)中作過(guò)程中帶來(lái)很大的誤差。隨著環(huán)境溫度的降低其飽和現(xiàn)象越顯著，甚至影響到傳感器的測(cè)試量程。本文中提出了環(huán)境溫度的補(bǔ)償方案，在傳感器芯片最上游