摘要：本文在分析了傳感器在汽車電子中的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的流量傳感器LMM-01，并以汽車電噴系統(tǒng)為例，對(duì)該流量傳感器的應(yīng)用研究做了闡述。
關(guān)鍵詞：汽車電子，傳感器，電噴系統(tǒng)
1. 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，汽車開始越來(lái)越多的進(jìn)入現(xiàn)代家庭，汽車電子也因此受到更多的重視。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)和學(xué)術(shù)科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力物力，研究和開發(fā)新的汽車電子技術(shù)，并在某些領(lǐng)域取得了許多突破性的進(jìn)展。
傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)控制四大支柱產(chǎn)業(yè)，在汽車電子的設(shè)計(jì)研究中占有突出的地位，傳感器已成為汽車控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。通常一輛現(xiàn)代化的汽車，裝備的傳感器數(shù)可多達(dá)50～60個(gè)，而國(guó)外有些高級(jí)轎車，其裝備的傳感器數(shù)已達(dá)到數(shù)百個(gè)，至于概念型汽車裝備的傳感器數(shù)就更多了。傳感器已成為世界裝備市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。[1]
事實(shí)上，應(yīng)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)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(huán)、防滑驅(qū)動(dòng)、剎車防抱死系統(tǒng)以及電控懸架等許多方面。目前市場(chǎng)上用于檢測(cè)燃料流量的傳感器主要有水輪式和循環(huán)球式，其動(dòng)態(tài)范圍為0～60kg/h，工作溫度在－40℃～120℃，精度為1％，響應(yīng)時(shí)間為 10ms。
而由于氣體的可壓縮性，通常我們檢測(cè)氣體質(zhì)量流量，市場(chǎng)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(gè)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(bǔ)償作用下，檢測(cè)空氣質(zhì)量流量。但是這種傳感器的缺點(diǎn)是不能檢測(cè)空氣流量的回流波動(dòng)。此外檢測(cè)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(tǒng)的熱膜片風(fēng)力計(jì)原理的新型傳感器。該傳感器是借助先進(jìn)的薄膜片技術(shù)，將性能穩(wěn)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(yīng)時(shí)間，另一方面也能測(cè)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(jìn)一步測(cè)量出回流流量。
為了防止溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對(duì)前后橋進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。為了提高精度，兩片用于測(cè)量溫度的熱敏電阻6、7與流體流向9平行布置，而用于測(cè)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(shù)量級(jí)的SiO2薄膜，19為Si底層，20為帶狀電導(dǎo)。
3. LMM-01在電噴系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
汽車電子技術(shù)是從電子控制燃油噴射技術(shù)開始的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電控燃油噴射經(jīng)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(shù)字電子噴射的發(fā)展過(guò)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(zhì)量和燃油質(zhì)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(jīng)濟(jì)性和車輛的動(dòng)力性[5]。顯而易見，控制空燃比最主要的是要檢測(cè)并控制到空氣質(zhì)量流量和燃油質(zhì)量流量，因此流量傳感器在電噴系統(tǒng)中是非常重要的傳感器，其產(chǎn)品性能的優(yōu)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(shè)計(jì)外圍電路（如圖3所示），再將LMM-01與外圍電路加工到流量計(jì)的機(jī)械部件中，從而生產(chǎn)出流量計(jì)。
圖3中，21和22為跟隨器，它可以提供給6穩(wěn)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(hào)。
6和7分別為前后橋的溫度傳感器，起溫度補(bǔ)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(jì)的核心部件。工作時(shí)，由于流體對(duì)4和5的冷卻不一致，導(dǎo)致了它們的阻值變化不同，從而可以得到不同的輸出信號(hào)。根據(jù)這些信號(hào)，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(gè)穩(wěn)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(xié)同4和5工作。
微處理器16的作用主要是修正測(cè)量值，并進(jìn)一步提供溫度補(bǔ)償。通過(guò)標(biāo)定，我們可以確定算法程序中的參數(shù)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(tǒng)的ECU輸出信號(hào)的部件，而前后橋輸出的信號(hào)是模擬量，所以微處理器16硬件設(shè)計(jì)中包含了ADC。軟件設(shè)計(jì)中，程序包括了以下幾個(gè)子程序：
a. 溫度測(cè)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(bǔ)償子程序ST4。
其中a、b、c均為單個(gè)自變量確定的特征曲線，而d卻為兩個(gè)自變量確定的特征曲面。因?yàn)閮蓚€(gè)自變量確定的特征曲面的測(cè)量和函數(shù)表示都非常困難，且計(jì)算量很大，所以該子程用增多測(cè)量點(diǎn)和線性插值的方法，來(lái)減小計(jì)算量，從而減少了響應(yīng)時(shí)間。
在微處理器16，軟件結(jié)構(gòu)主控程序的流程圖如圖4所示。其中 為常數(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處，用于測(cè)量電噴系統(tǒng)的進(jìn)氣量，通過(guò)數(shù)據(jù)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(tài)是前向進(jìn)氣和氣流回流，縱向坐標(biāo)為輸出電壓（V），橫向坐標(biāo)為時(shí)間（t）。從圖中，我們不難能夠發(fā)現(xiàn)LMM-01能有效的識(shí)別出氣流方向，并能如實(shí)的反映出氣流量的大小變化情況。
4. 結(jié)束語(yǔ)
隨著設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)以及新型的加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，未來(lái)流量傳感器的趨勢(shì)主要是朝著微型化、多功能化、集成化以及智能化的方向發(fā)展。特別是MEMS的出現(xiàn)，使得加工精度和生產(chǎn)效率得到了提高，從而大大降低了成本，對(duì)傳感器市場(chǎng)的擴(kuò)大起到了積極的作用。
由于流量傳感器在汽車電子市場(chǎng)中占有重要比重，因此隨著成本的降低和性能的提高，發(fā)展和應(yīng)用流量傳感器是汽車電子發(fā)展的必然，也是其他工業(yè)控制中無(wú)可置疑的發(fā)展趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳道炯，孫躍東；汽車電子系統(tǒng)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(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)對(duì)策[J]；儀器儀表與傳感器，2003：22～26；
[3] 劉迎春，傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]；國(guó)防科技大學(xué)出版社，1998，5；
[4] 郗沭平，汽車電控技術(shù)簡(jiǎn)明教程[M]；北京理工大學(xué)出版社，1997，1；
[5] 黃河，汽車電噴系統(tǒng)[M]；上海交通大學(xué)出版社，2003，1。 （end）。
