流量传感器在汽车电子行业中的应用

　　1.引言
　　
　　传感器技术作为现代工业控制四大支柱产业，在汽车电子的设计研究中占有突出的地位，传感器已成为汽车控制系统中的一个重要组成部分。通常一辆现代化的汽车，装备的传感器数可多达50~60个，而国外有些轿车，其装备的传感器数已达到数百个，至于概念型汽车装备的传感器数就更多了。传感器已成为世界装备市场上增长zui快的领域之一。[1]
　　
　　事实上，应用于汽车上的传感器有很多种，目前主要有：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器以及速度、加速度传感器等等[2]。这些汽车传感器的销售量约占有传感器总销售量的三分之一，其中流量传感器就是非常重要的一种传感器。
　　
　　2.LMM-01的工作原理
　　
　　流量传感器主要用于检测发动机的空气进气量和燃油喷射量，从而将空燃比控制在*值附近，此外流量传感器还广泛利用于排气再循环、防滑驱动、刹车防抱死系统以及电控悬架等许多方面。目前市场上用于检测燃料流量的传感器主要有水轮式和循环球式，其动态范围为0～60kg/h，工作温度在－40℃～120℃，精度为1％，响应时间为10ms。　　
　　而由于气体的可压缩性，通常我们检测气体质量流量，市场上主要使用的有式流量传感器。这种传感器采用热耗散原理，将一个式敏感元件安放在空气入口的旁路中，在辅助元件的温度补偿作用下，检测空气质量流量。但是这种传感器的缺点是不能检测空气流量的回流波动。此外检测气体流量的传感器还有热膜式流量传感器、卡尔曼旋涡式传感器和压力式传感器。[3]
　　
　　LMM-01流量传感器是一种基于传统的热膜片风力计原理的新型传感器。该传感器是借助*的薄膜片技术，将性能稳定的薄膜片电阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面缩短了传感器响应时间，另一方面也能测量出了回流流量。LMM-01的原理电路图可以参见图1所示，由于采用了前后桥电路，所以我们可以很方便的判断出流体流向，从而进一步测量出回流流量。　　
　　为了防止温度变化对测量精度的影响，传感器中采用了两片热敏电阻分别对前后桥进行了温度补偿。为了提高精度，两片用于测量温度的热敏电阻6、7与流体流向9平行布置，而用于测量流体流量的两片热电阻传感器4、5互相平行并与流向9垂直布置（如图2所示），其中3为传感部件，17、18都是数量级的SiO2薄膜，19为Si底层，20为带状电导。
　　
　　3.LMM-01在电喷系统中的应用研究
　　
　　汽车电子技术是从电子控制燃油喷射技术开始的。随着电子技术的发展，电控燃油喷射经历了从电子管、晶体管、集成电路到微处理器控制，从模拟电子喷射到数字电子喷射的发展过程。[4]
　　
　　电控燃油喷射的目的是将空燃比控制在*值。所谓空燃比是指吸入到气缸里的工作混合气体中，空气质量和燃油质量的比值，通常*值在14.7左右。将空燃比控制在*值附近不仅能够减少有害废气的排放，而且能够提高燃油的经济性和车辆的动力性[5]。显而易见，控制空燃比zui主要的是要检测并控制到空气质量流量和燃油质量流量，因此流量传感器在电喷系统中是非常重要的传感器，其产品性能的优劣直接影响到控制效果的好坏。
　　
　　由于LMM-01仅仅是敏感部件，所以我们首先需要设计外围电路（如图3所示），再将LMM-01与外围电路加工到流量计的机械部件中，从而生产出流量计。　　
　　图3中，21和22为跟随器，它可以提供给6稳定的电压，起解耦的作用，而23和24为工作放大器，其作用是分别放大前后桥输出电压和，从而放大它们的差值信号。
　　
　　6和7分别为前后桥的温度传感器，起温度补偿作用，4和5则分别为前后桥的热传感器，它们和微处理器16均为流量计的核心部件。工作时，由于流体对4和5的冷却不一致，导致了它们的阻值变化不同，从而可以得到不同的输出信号。根据这些信号，我们可以确定流量的方向和大小。
　　
　　此外，前桥电路中，电阻R6和R7起分压作用，可以使跟随器21的输入电压钳制在一个稳定值，同理R16和R17也是起到在后桥电路的分压作用，而R4和R14分别协同4和5工作。
　　
　　微处理器16的作用主要是修正测量值，并进一步提供温度补偿。通过标定，我们可以确定算法程序中的参数值，并能确定特征曲线方程和特征曲面的表。
　　
　　由于微处理器16是直接给电喷系统的ECU输出信号的部件，而前后桥输出的信号是模拟量，所以微处理器16硬件设计中包含了ADC。软件设计中，程序包括了以下几个子程序：
　　
　　a.温度测量子程序ST1；
　　
　　b.正向流量修正子程序ST2；
　　
　　c.反向流量修正子程序ST3；
　　
　　d.温度补偿子程序ST4。
　　
　　其中a、b、c均为单个自变量确定的特征曲线，而d却为两个自变量确定的特征曲面。因为两个自变量确定的特征曲面的测量和函数表示都非常困难，且计算量很大，所以该子程用增多测量点和线性插值的方法，来减小计算量，从而减少了响应时间。
　　
　　在微处理器16，软件结构主控程序的流程图如图4所示。其中为常数输出，为输入电压，和分别为的上下限。
　　
　　将流量传感器LMM-01安装于发动机进气口处，用于测量电喷系统的进气量，通过数据记录，我们得到了如图5所示的波形图。其中，f和b分别表示气流状态是前向进气和气流回流，纵向坐标为输出电压（V），横向坐标为时间（t）。从图中，我们不难能够发现LMM-01能有效的识别出气流方向，并能如实的反映出气流量的大小变化情况。　　
　　4.结束语
　　
　　随着设计技术、材料技术以及新型的加工技术的产生和发展，未来流量传感器的趋势主要是朝着微型化、多功能化、集成化以及智能化的方向发展。特别是MEMS的出现，使得加工精度和生产效率得到了提高，从而大大降低了成本，对传感器市场的扩大起到了积极的作用。
　　
　　由于流量传感器在汽车电子市场中占有重要比重，因此随着成本的降低和性能的提高，发展和应用流量传感器是汽车电子发展的必然，也是其他工业控制中无可置疑的发展趋势。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1]陈道炯，孙跃东；汽车电子系统集成化和传感器智能化[J]；仪器仪表与传感器，2003：44；
　　
　　[2]范茂军，汽车传感器的现状、发展趋势和产业对策[J]；仪器仪表与传感器，2003：22～26；
　　
　　[3]刘迎春，传感器原理、设计与应用[M]；国防科技大学出版社，1998，5；
　　
　　[4]郗沭平，汽车电控技术简明教程[M]；北京理工大学出版社，1997，1；
　　
　　[5]黄河，汽车电喷系统[M]；上海交通大学出版社，2003，1。