一、摘 要

通过对传感器输出信号进行温度补偿、放大及线性化处理，其输出电压与质量流量近似呈线性关系。利用热式空气流量传感器直接测量空气质量流量的特点，设计了一种应用于测量内燃机进气系统进气量的“热线式空气流量传感器”。试验结果表明：热线式空气流量传感器应于汽车电喷系统中，可以为发动机提供准确的进气质量流量。

二、引 言

空气流量传感器用于现代汽车汽油喷射系统中，安装在空气滤清器和节气门之间，用来测定吸入发动机中的空气量的多少，作为决定基本喷油量的参数。电子控制汽油喷射式发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度(空燃比)的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸人发动机的空气量，作为电控单元(ECU)计算并控制喷油量的主要依据。目前，应用于汽车发动机的空气流量传感器大致可分为两大类。由于热线(膜)式质量型空气流量传感器能直接测出空气质量流量，具有测量准确度高、响应时间短等优点，因此，该类型空气流量传感器已在现代汽车发动机上广泛应用。由于热线式和热膜式的工作原理相同，本文仅对热线式空气流量计的工作原理、温度补偿和输出特性进行探讨。

三、热线式空气流量传感器基本原理

(一)工作原理

热线式空气流量传感器是建立在热平衡原理基础上的。其工作原理如（一）所示。在空气通道中放置热线(铂丝)RH，当空气通过流量计时，热线被冷却，工作温度下降，其电阻值随之减小，电桥失去平衡，此时集成运算放大器会自动增加供给热线的电流，使热线恢复原来的工作温度和电阻值，直至电桥恢复平衡。

1进气；2集成运算放大器；3输出信号(E)； R1、R2、R3电阻器；Rc补偿电阻器；Rh热线电阻器；

热线式空气流量传感器电路原理图（Fig 1 Priciple diagram of hot-wire air now sensor circu）

(二)数学模型

根据热平衡原理，热线中的热产生应该等于热耗散。即在热线没有热传导的情况下，加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量。

对于有限长的热线，在稳定情况下总的热耗散率为：H=Qc+Qk+Qr

式中 H为热线总的热耗散率；Qc为对流引起的热耗散率；QK为热线对支杆的热传导引起的热耗散率；QR为热线的热辐射引起的热耗散率：由于大多数场合，热线与周围的流体温度差小于300℃，辐射热QR可以忽略；且热线的长细比很大的情况下(1／d=x)，热线对支架的热传导0K与Qc相比可以忽略不计，所以，热线的热耗散主要是由对流引起的。由热线热耗散规律，Qc可以表示为

因此，当热线和空气的温度差(Th-T∞)一定时，供给热线的电能就是空气质量流量的衡量尺度。热线式空气流量传感器的输出信号E可以表示为：E=c+kqnm (2)

式中E为热线式空气流量传感器输出信号，V；qm为空气质量流量，g／s；c，k，n均为常数。

(三)热线式空气流量传感器的温度补偿

尽管热线式空气流量传感器的输出信号（E）直接反映了空气质量流量，但由于空气的热传导、密度、粘性以及空气与热线之间的温差都和空气的温度紧密相关，因此，空气温度的改变必然会导致热线式空气流量传感器的输出信号的改变。由式（1）可知，在相同的空气质量流速pv下，环境温度的变化会影响热线的热耗散率，进而影响传感器的输出电压，因而有必要对由于环境温度变化而引起流量传感器输出信号变化的情况进行修正，即温度补偿。

温度补偿的基本思想就是人为地或自动地改变敏感元件的温度，以便对相同的流体流量给出与温度变化无关的相同输出；或者说敏感元件的温度总是被调整到使空气流量传感器的输出与温度无关的温度上。对于热线式空气流量传感器来说，常用的温度补偿方法是将惠斯登电桥中与热线斜对的电阻改成串联并联电路，如图2所示。其中，Rc为具有负温度系数的热敏电阻器，将其安放在与热线RH相同的流场中。通过在不同环境温度下热线探头热耗散特性试验，确定使输出电压保持基本恒定的串联电阻器R2和并联电阻器Rb。 图2 温度补偿电路原理图

将经过温度补偿的热线空气流量传感器与未经过温度补偿的热线空气流量传感器作对比试验。温度补偿试验结果表明：热线式空气流量传感器经温度补偿后，大大减少了环境温度对其输出产生的影响。

 (四)热线式空气流量传感器的输出信号线性化

热线式空气流量传感器由两部分组成：一部分是传感探头恒温控制电路（constant　temperature control circu）；另一部分是信号调节电路（signal condi　oningcircuit）。

恒温控制电路主要是保持传感探头（热线）温度与环境温度的温差恒定；信号调节电路主要是对流量传感器的检测信号进行放大和线性化处理。由式（2）可知，热线式空气流量传感器的输出与空气质量流量之间是非线性关系。从测量的角度来看问题，任何非线性关系都是不利的，因为这给使用和标定带来困难，因而有必要对热线式空气流量传感器的输出信号进行线性化处理。

常用的线性化方法有：折线近似法、多项式近似法、微处理机修正等。针对热线式空气流量传感器，采用了多项式近似线性法。

通过对热线式空气流量传感器的输出信号进行多项式线性化处理，利用matlab对试验数据进行线性拟合，得到热线式空气流量传感器输出线性拟合方程为：Vout=1．1+0．11qm，　　式中 Vout为热线式空气流量传感器输出电压，V。

(五)测试结果

将研制的热线式空气流量传感器放在汽车上试验，使用故障阅读器V.A.G1551和汽车系统测试仪V.A.G1552对热线式空气流量传感器进行测试，将测试的结果与标准的BOSCH热膜式空气流量传感器的输出数据进行对比。

四、结 论

1.热线式空气流量传感器可直接测量电喷发动机进气空气质量流量，但需要对空气温度的变化进行修正；

2.传感器响应时间对汽车运行性能有较大影响，其阶跃响应时间应不大于100ms；

3.所研制的传感器动态响应快、测量准确度高、测量重复性好，应用于汽车电喷系统中，其性能指标完全满足要求。