热膜式空气质量流量传感器

1、热膜式空气质量流量传感器1热膜式空气质量流量传感器的基本原理11.1传感器的理论基础11.2传感器的基本工作原理11.3流量传感器的信号处理11.4流量计的特点22热膜式空气质量流量传感器的基本工作原理分析23测量电桥及其电路原理33.1测量电桥43.2测量电桥的电路原理44传感器的特性分析54.1静态特性54.2动态特性64.3灵敏度64.4工作温度61热膜式空气质量流量传感器的基本原理1.1传感器的理论基础热膜式空气流量计传感器属于量热式传感器，根据托马斯(Thomas)提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论，利用外热源对传感器探头加热，气体流动时会带走一部分热量，使

2、探头温度改变，通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体的质量流量。1.2传感器的基本工作原理采用热膜式空气质量流量传感器对空气的质量流量进行直接测量。空气流量计中的传感元件是热膜，热膜的电阻值随温度而变化，将其作为桥式测量电路的一部分，通过控制流过热膜的电流，使热膜的温度比空气温度高出一定值，由于进气流经热膜时会对其产生冷却作用，所以，根据由测量桥式电路的加热电流转换得到的电压信号，就可以直接测定发动机的进气质量流量。1.3流量传感器的信号处理热膜式空气质量流量传感器的信号经过控制单元中微处理器的处理，就可计算出发动机每一个工作循环吸入的空气质量。1.4流量计的特点热膜式空气质量流量传感器

3、是能真正测量空气质量流量的一种量热式测量方法，该流量传感器没有机械运动件，能快速反应空气质量流量的变化。2热膜式空气质量流量传感器的基本工作原理分析图1是热膜式空气质量流量传感器的工作原理图。两个热膜电阻错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。和另外两个固定电阻错误!未找到引用源。组成恒温差加热检测电桥，错误!未找到引用源。是加热电阻：错误!未找到引用源。处于气流的上游，并且远离加热电阻，检测进气空气温度；错误!未找到引用源。紧贴加热电阻，检测加热热膜温度。当进气空气温度变化时，电桥发生变化，通过电桥放大器错误!未找到引用源。将信号放大，控制通过加热电阻错误!未找到引用源。的电流，维持恒温差

4、加热的要求。温差保持在100°C左右比较合适，温差过低会使灵敏度降低，温差过高会使传感器寿命降低、耗电增加。气流图1热膜空气质量流量传感器的工作原理图由具有正温度系数的金属制成的两个热膜传感电阻错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。和另外两个固定电阻组成空气质量流量温差检测电桥，当有空气流过热膜传感电阻时，由于传热使热量散失，导致热膜传感电阻温度降低，电阻值随之降低，错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。的变化幅度不同，电桥的平衡被破坏，经电桥放大器错误!未找到引用源。放大后，对外输出与空气|/iiL.Rb_-.-Rt1Ra.h2.J传感器探头由图1所示的热膜式空气流量传感器

5、的工作原理可推出输出电压和热膜电阻变化的关系表达式。假定，当空气流量为零时错误!未找到引用源。，电桥的电源电压为错误!未找到引用源。，电桥放大器错误!未找到引用源。的放大倍数为错误!未找到引用源。，则输出电压错误!未找到引用源。为R-Re=ke丸q(tl-RJ(4-1)采用金属铂作为热膜传感电阻时，电阻值足与温度的关系为错误!未找到引用源。当有空气流动时，热膜传感电阻温度降低，电阻值随之降低，两者为正比关系，即错误!未找到引用源。由此，可得输出电压错误!未找到引用源。，与热膜电阻温度差的关系式U=-tw2）（4.2）当气流静止时，错误!未找到引用源。的加热热量通过基板导热传至传感电阻错误!未找

6、到引用源。和错误!未找到引用源。，与空气自然对流换热，达到热平衡，由于错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。对称分布，传感器输出为零：同时还可抵消环境温度或气流温度变化对输出的影响。当气流流动时，气流与传感电阻的换热以强迫对流的形式为主，处于气流上游的热膜传感电阻错误!未找到引用源。温度下降幅度大于处于气流下游的传感电阻错误!未找到引用源。的，造成温差，传感电阻错误!未找到引用源。由上述分析可导出输出电压与空气质量流量的关系式：上式中的错误!未找到引用源。是一个与电桥电压、热膜电阻结构、测量通道有效截面积、电桥放大器放大倍数和空气物性参数等有关的常数，错误!未找到引用源。也是一个常数。对于

7、辐射传热，由于错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。的温差不会很大，在理论分析中忽略不计。3测量电桥及其电路原理图2热膜式空气质量流量传感器电路原理Rk错误味找到引用源。-温度补偿电阻；Rh错误味找到引用源。-加热电阻；错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。-电桥电阻；错误！3.1测量电桥引用源。-测量电阻；错误!未找到引用源。-输出信号电压；错误！未找到引用源。-电桥电压热膜式空气质量流量传感器电路是一个电桥，见图2。图中主要电器元件的说明：1）错误!未找到引用源。为测量电阻。错误!未找到引用源。两端的电压作为信号电压输出。2）错误!未找到引用源。是铂热电阻，安置在气流中，其特点是：

8、a. 具有正温度系数，电阻值随温度升高而增大；b. 电路设计成电功率主要消耗在错误!未找到引用源。上，所以错误!未找到引用源。温度高于环境空气温度错误!未找到引用源。3）错误!未找到引用源。为环境空气温度补偿电阻，用于补偿环境空气温度变化对测试结果的影响。错误!未找到引用源。也安置在气流中，它的特点是：a. 正温度系数；b. 温度系数很高；电阻值很高；c. 因为错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。之和很大，通过的电流很小（流过的电流一般不超过错误!未找到引用源。），所以错误!未找到引用源。所消耗的电功率极低，错误!未找到引用源。的温度等于环境空气温度错误!未找到引用

9、源。4）错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。为电桥的平衡电阻。错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。的温度系数很低，其阻值可看作常数。满足下式时电桥达到平衡：=（4A）3.2测量电桥的电路原理这个电路有自动趋于平衡的趋势，即错误!未找到引用源。点与错误!未找到引用源。点之间的电位差自动趋于零。伴随着电桥的平衡，还发生一个传感电阻热平衡过程。在环境空气温度错误!未找到引用源。保持恒定的情况下，假定在某一气流流量下电桥达到平衡，贝V铂电阻错误!未找到引用源。的温度错误!未找到引用源。必然稳定，错误!未找到引用源。阻值也不发生变化，错误!未找到引用源。点的电位保持不变

10、。这时，错误!未找到引用源。如果流过传感器的气流增强，增强的气流吹在铂电阻错误!未找到引用源。上,使错误!未找到引用源。的温度错误!未找到引用源。降低，则错误!未找到引用源。阻值也必然降低，错误!未找到引用源。点的电位就会升高。错误!未找到引用源。点和错误!未找到引用源。点的电位差经运算放大器放大后使电桥供电电压增大。这时，因错误!未找到引用源。电阻值很高，错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。的温度系数很低，其阻值可看作常数。因此使得通过错误!未找到引用源。的电流增大，其温度错误!未找到引用源。也回升到原来的数值并保持错误!未找到引用源。电桥再次恢复平衡状态。在这个

11、过程中，输出信号电压错误味找到引用源。和电桥不平衡时加在电桥上的电压错误!未找到引用源。都随着气流的增强而升高了，所以，错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。均可反映出气流流量的变化（见图3）。图3热膜式空气质量流量传感器的输出电压特性错误!未找到引用源。-电压输出，错误!未找到引用源。-空气流量顺便指出，在温度错误!未找到引用源。保持恒定的情况下，电桥恢复平衡后，错误!未找到引用源。将与气流增强前的保持相同：ThTa=const4.5）如果错误!未找到引用源。变动，则错误!未找到引用源。的温度跟着变动，电桥的平衡被破坏，错误!未找到引用源。点和错误!未找到引用源。点产生电位差，此电位差经

12、过运算放大器放大后使电桥供电电压改变，电桥达到新的平衡时,错误!未找到引用源。上的温度错误!未找到引用源。随之改变，保证式（4.5）成立。错误!未找到引用源。设计成具有很高的正温度系数。正是利用这一点，可以实现温度补偿。这里的电路原理采用的是恒温差法电桥放大测量（简称恒温法）。还有些其他方法，如恒加热电流测量（简称恒流法）。这个电路有自动趋于平衡的趋势，即M点与N点之间的电位差自动趋于零。伴随着电桥的平衡，还发生一个传感电阻热平衡过程。4传感器的特性分析4.1静态特性在静态情况下，热膜和空气流之间的热交换处于平衡状态，热膜所放出的热量等于气流所带走的热量。恒温法和恒流法的静态工作特性一一均为在

13、测量低流速气流时的灵敏度高于测量高流速时的灵敏度。其静态特性的曲线，如图3所示。图4恒温法和恒流法的静态特性曲线4.2动态特性动态响应的主要问题在于：热膜向气流传递热量的速率常常跟不上气流流量的变化率。也就是说热膜的热产生并不等于热耗散，它们之间的热交换处于不平衡状态。当气流流量由小变大时，热膜将贮藏部分热量。这个现象习惯上称为热滞后或热惯性，反映在输出的信号上将引起幅度衰减和相位滞后。一般用热滞后时间常数来表示，其值越小，所引起的衰减和滞后也越小。4.3灵敏度这里所说的灵敏度是指图4-2中电桥部分的灵敏度。就是针对电桥不平衡时，一个臂错误!未找到引用源。的阻值发生变化错误!未找到引用源。，电桥失衡电压（放大器的输入电压）而言的。相对于阻值变化错误!未找到引用源。来说，失衡电压越大，其灵敏度越高。在实际的传感器单元设计中，为了使错误!未找到引用源。的自热很小，尽可能地使其对整个传感器单元的影响减少到最小，以便实现错误!未找到引用源。只对气流的温度变化进行补偿，因此，采取使错误!未找到引用源。的方法来保证。4.4工作温度这里所说的工作温度是指测量热膜工作时的恒定温度。由于随气流温度的变化，测量热膜的工作温度也是随之变化的。因此，要确切地表示