發布日期：2022-10-09 點擊率：43
摘要：本文在分析了傳感器在汽車電子中的應用現狀的基礎上，介紹了一種新型的流量傳感器LMM-01，并以汽車電噴系統為例，對該流量傳感器的應用研究做了闡述。
關鍵詞：汽車電子，傳感器，電噴系統
1. 引言
隨著我國經濟建設步伐的加快，汽車開始越來越多的進入現代家庭，汽車電子也因此受到更多的重視。近些年來，國內外眾多企業和學術科研機構投入了大量的人力物力，研究和開發新的汽車電子技術，并在某些領域取得了許多突破性的進展。
傳感器技術作為現代工業控制四大支柱產業，在汽車電子的設計研究中占有突出的地位，傳感器已成為汽車控制系統中的一個重要組成部分。通常一輛現代化的汽車，裝備的傳感器數可多達50～60個，而國外有些高級轎車，其裝備的傳感器數已達到數百個，至于概念型汽車裝備的傳感器數就更多了。傳感器已成為世界裝備市場上增長最快的領域之一。[1]
事實上，應用于汽車上的傳感器有很多種，目前主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器以及速度、加速度傳感器等等[2]。這些汽車傳感器的銷售量約占有傳感器總銷售量的三分之一，其中流量傳感器就是非常重要的一種傳感器。
2. LMM-01的工作原理
流量傳感器主要用于檢測發動機的空氣進氣量和燃油噴射量，從而將空燃比控制在最佳值附近，此外流量傳感器還廣泛利用于排氣再循環、防滑驅動、剎車防抱死系統以及電控懸架等許多方面。目前市場上用于檢測燃料流量的傳感器主要有水輪式和循環球式，其動態范圍為0～60kg/h，工作溫度在－40℃～120℃，精度為1％，響應時間為 10ms。
而由于氣體的可壓縮性，通常我們檢測氣體質量流量，市場上主要使用的有熱線式流量傳感器。這種傳感器采用熱耗散原理，將一個熱線式敏感元件安放在空氣入口的旁路中，在輔助熱線元件的溫度補償作用下，檢測空氣質量流量。但是這種傳感器的缺點是不能檢測空氣流量的回流波動。此外檢測氣體流量的傳感器還有熱膜式流量傳感器、卡爾曼旋渦式傳感器和壓力式傳感器。[3]
LMM-01流量傳感器是一種基于傳統的熱膜片風力計原理的新型傳感器。該傳感器是借助先進的薄膜片技術，將性能穩定的薄膜片電阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面縮短了傳感器響應時間，另一方面也能測量出了回流流量。LMM-01的原理電路圖可以參見圖1所示，由于采用了前后橋電路，所以我們可以很方便的判斷出流體流向，從而進一步測量出回流流量。
為了防止溫度變化對測量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對前后橋進行了溫度補償。為了提高精度，兩片用于測量溫度的熱敏電阻6、7與流體流向9平行布置，而用于測量流體流量的兩片熱電阻傳感器4、5互相平行并與流向9垂直布置（如圖2所示），其中3為傳感部件，17、18都是 數量級的SiO2薄膜，19為Si底層，20為帶狀電導。
3. LMM-01在電噴系統中的應用研究
汽車電子技術是從電子控制燃油噴射技術開始的。隨著電子技術的發展，電控燃油噴射經歷了從電子管、晶體管、集成電路到微處理器控制，從模擬電子噴射到數字電子噴射的發展過程。[4]
電控燃油噴射的目的是將空燃比控制在最佳值。所謂空燃比是指吸入到氣缸里的工作混合氣體中，空氣質量和燃油質量的比值，通常最佳值在14.7左右。將空燃比控制在最佳值附近不僅能夠減少有害廢氣的排放，而且能夠提高燃油的經濟性和車輛的動力性[5]。顯而易見，控制空燃比最主要的是要檢測并控制到空氣質量流量和燃油質量流量，因此流量傳感器在電噴系統中是非常重要的傳感器，其產品性能的優劣直接影響到控制效果的好壞。
由于LMM-01僅僅是敏感部件，所以我們首先需要設計外圍電路（如圖3所示），再將LMM-01與外圍電路加工到流量計的機械部件中，從而生產出流量計。
圖3中，21和22為跟隨器，它可以提供給6穩定的電壓，起解耦的作用，而23和24為工作放大器，其作用是分別放大前后橋輸出電壓 和 ，從而放大它們的差值信號。
6和7分別為前后橋的溫度傳感器，起溫度補償作用，4和5則分別為前后橋的熱傳感器，它們和微處理器16均為流量計的核心部件。工作時，由于流體對4和5的冷卻不一致，導致了它們的阻值變化不同，從而可以得到不同的輸出信號。根據這些信號，我們可以確定流量的方向和大小。
此外，前橋電路中，電阻R6和R7起分壓作用，可以使跟隨器21的輸入電壓鉗制在一個穩定值，同理R16和R17也是起到在后橋電路的分壓作用，而R4和R14分別協同4和5工作。
微處理器16的作用主要是修正測量值，并進一步提供溫度補償。通過標定，我們可以確定算法程序中的參數值，并能確定特征曲線方程和特征曲面的表。
由于微處理器16是直接給電噴系統的ECU輸出信號的部件，而前后橋輸出的信號是模擬量，所以微處理器16硬件設計中包含了ADC。軟件設計中，程序包括了以下幾個子程序：
a. 溫度測量子程序ST1；
b. 正向流量修正子程序ST2；
c. 反向流量修正子程序ST3；
d. 溫度補償子程序ST4。
其中a、b、c均為單個自變量確定的特征曲線，而d卻為兩個自變量確定的特征曲面。因為兩個自變量確定的特征曲面的測量和函數表示都非常困難，且計算量很大，所以該子程用增多測量點和線性插值的方法，來減小計算量，從而減少了響應時間。
在微處理器16，軟件結構主控程序的流程圖如圖4所示。其中 為常數輸出， 為輸入電壓， 和 分別為 的上下限。
將流量傳感器LMM-01安裝于發動機進氣口處，用于測量電噴系統的進氣量，通過數據記錄，我們得到了如圖5所示的波形圖。其中，f和b分別表示氣流狀態是前向進氣和氣流回流，縱向坐標為輸出電壓（V），橫向坐標為時間（t）。從圖中，我們不難能夠發現LMM-01能有效的識別出氣流方向，并能如實的反映出氣流量的大小變化情況。
4. 結束語
隨著設計技術、材料技術以及新型的加工技術的產生和發展，未來流量傳感器的趨勢主要是朝著微型化、多功能化、集成化以及智能化的方向發展。特別是MEMS的出現，使得加工精度和生產效率得到了提高，從而大大降低了成本，對傳感器市場的擴大起到了積極的作用。
由于流量傳感器在汽車電子市場中占有重要比重，因此隨著成本的降低和性能的提高，發展和應用流量傳感器是汽車電子發展的必然，也是其他工業控制中無可置疑的發展趨勢。
參考文獻：
[1] 陳道炯，孫躍東；汽車電子系統集成化和傳感器智能化[J]；儀器儀表與傳感器，2003：44；
[2] 范茂軍，汽車傳感器的現狀、發展趨勢和產業對策[J]；儀器儀表與傳感器，2003：22～26；
[3] 劉迎春，傳感器原理、設計與應用[M]；國防科技大學出版社，1998，5；
[4] 郗沭平，汽車電控技術簡明教程[M]；北京理工大學出版社，1997，1；
[5] 黃河，汽車電噴系統[M]；上海交通大學出版社，2003，1。 （end）。
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