應(yīng)用于汽車的溫差式空氣流量傳感器的研究.pdf

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

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

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試電阻信號輸出。通過測試分析初步驗證了理論分析的正確性。并在內(nèi)燃機的進氣質(zhì)量流量為8～370Kg/h時，得到放大后信號電壓為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測試精度和測試范圍的影響。本文中還針對帶有橫膈的膜熱膜式流量傳感器的測試范圍較窄的問題，提出二次差分的測

4、試方法，該方法大大擴大了流量的測試范圍，但同時降低了其測試精度。 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單和耐流體沖擊能力強的優(yōu)點。但是其工作功耗大，測試精度也相應(yīng)的降低。采用流體軟件模擬了各種情況下的溫度場，得到內(nèi)燃機進氣管的質(zhì)量流量與輸出信號電壓的關(guān)系。在實驗上驗證了模擬趨勢的正確性，確認該模擬具有一定實踐指導(dǎo)性。芯片的流速

5、測試范圍可達到10m/s，在內(nèi)燃機的進氣質(zhì)量流量為8～370Kg/h時，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，通過微溝道的導(dǎo)向作用，達到增加橫膈膜上的強迫對流換熱效果，從而提高傳感器的測試精度。通過降低取樣流道中的流速與內(nèi)燃機進氣管中的流速比，實現(xiàn)降低流體的擊波壓力，且保證了測試精度。模擬了流量傳感器在各種狀態(tài)下的溫度分布、測試范圍和測試精度，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，其最大信號輸出提高了25％，在內(nèi)燃機的進氣質(zhì)量流量為370Kg/h時，輸出信號電壓可以達到3.86V。但其測試范圍有一定程度的縮小，其芯片表面最大測試流速為3m/s。 分析了各種流量傳感器在測試過程中的動態(tài)特征。內(nèi)燃機進氣管中的流動處于非穩(wěn)定狀態(tài)，呈周期型變化。本文中模擬了正負階躍脈沖氣流下三種傳感器的延遲特性。非穩(wěn)態(tài)流動中，影響傳感器響應(yīng)時間的主要因素為流場穩(wěn)定分布的延遲時間、襯底（或者橫膈膜）熱平衡分布的延遲

7、時間和加熱電阻溫度補償延遲時間。在正階躍脈沖氣流下，三種傳感器的響應(yīng)時間分別1.4ms，2.5ms和1.2ms。在負階躍脈沖氣流下，三種傳感器的響應(yīng)時間分別1.5ms，2.5ms和1.5ms。 研究了環(huán)境溫度對流量傳感器的輸出電壓信號的影響。隨著環(huán)境溫度的增加，電壓信號明顯減弱，這會給流量計中作過程中帶來很大的誤差。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試量程。本文中提出了環(huán)境溫度的補償方案，在傳感器芯片最上游