昝昕武，胡 騰，符欲梅

(重慶大學光電工程學院光電技術教育部重點實驗室，重慶400044)

0 引言

隨著汽車保有量日漸增大，汽車尾氣帶來的污染日漸嚴重。為減少尾氣污染，節(jié)約能源，汽車電噴系統(tǒng)于20世紀50年代起逐漸取代了化油器系統(tǒng)，中國也在2001年9月1日起全面禁止生產化油器汽車。

汽車電噴系統(tǒng)由多種傳感器、電子控制單元(electronic control unit，ECU)和執(zhí)行器(噴油和點火系統(tǒng))組成。ECU是電噴系統(tǒng)的核心，它對傳感器收集到的汽車和發(fā)動機運行工況以及環(huán)境等相關的信息進行判斷、運算、處理，然后向相應的執(zhí)行器發(fā)出控制指令，從而完成對噴油量和點火時間的精確控制，最終使得汽車在不同環(huán)境的各運行工況下實現(xiàn)更好的安全性、經濟性、動力性以及更低的廢氣排放。

電噴系統(tǒng)實現(xiàn)噴油量和點火時間精確控制的理論基礎是理論空燃比，即將燃料完全燃燒所需要的空氣質量和燃料質量之比。ECU以理論空燃比為依據，通過空氣流量傳感器獲得的進氣量(空氣質量)計算出所需的噴油量(燃料質量)，進氣量的任何偏差都將直接影響到噴油量這一電噴系統(tǒng)最主要的控制目標。因此，汽車電噴系統(tǒng)對空氣流量傳感器的精度、靈敏度、響應時間等都有很高的要求。汽車空氣流量傳感技術是實現(xiàn)汽車電噴系統(tǒng)功能的基礎和關鍵技術，對其進行研究具有非常重要的意義。

1 汽車空氣流量傳感技術現(xiàn)狀

與電噴系統(tǒng)的使用同步，汽車空氣流量傳感技術的相關研究開始于20世紀50年代。最早采用旋轉翼片式傳感技術，之后，熱線式傳感技術憑借其價格低、抗振性好等優(yōu)點成為應用最廣泛的技術。20世紀80年代，日本公司最早將超聲式渦街流量傳感技術應用到汽車上。20世紀90年代，隨著生產工藝的進步出現(xiàn)了采用厚膜工藝的熱膜式傳感技術。進入21世紀，原有熱膜式傳感技術得到進一步改進，如博世公司就研究出具有流體分離元件的熱膜式傳感技術，通過在測量前對空氣流進行穩(wěn)定和分離處理進一步提高測量精度。

國內企業(yè)從20世紀90年代才開始熱線式傳感技術的研究。進入21世紀后，少數國內企業(yè)掌握了熱膜式傳感技術并形成生產力?？傮w來說，國內對于相關技術的研究很少，產品大都是對國外產品的模仿，無論產品質量還是測量精度都與國外產品存在很大的差距。

目前，空氣流量傳感技術按測量原理和結構的不同可分為:差壓式、容積式、浮子式、葉輪式、電磁式、流體振蕩式等11大類，實際上由于汽車空氣流量傳感技術的特點與高要求使得目前僅有三大類技術得到實際應用。

1.1 旋轉翼片式傳感技術

旋轉翼片式傳感器由翼(葉)片、回位彈簧、電位器以及外圍信號處理電路等部分組成。由于溫度、靜態(tài)氣壓不變時，空氣流量與氣流動態(tài)壓力成正比，氣流動態(tài)壓力大小即可反映空氣流量大小。翼片受進氣氣流的動態(tài)壓力和回位彈簧的彈力共同作用，處于力平衡狀態(tài)時旋轉到某個角度。當進氣量增大時，氣流動態(tài)壓力增大使得翼片偏轉到另一個角度，回位彈簧彈力相應增大直到兩力平衡為止。同時，電位計滑臂隨翼片偏轉并改變電阻值，進而改變輸出電壓，檢測輸出電壓即可得到空氣流量。從而使旋轉翼片式傳感器實現(xiàn)了將流動空氣的流量轉換為翼片的偏移量，再將偏移量轉換為電位器電阻值的改變最終以電壓形式輸出［1～10］，如圖1。

圖1 旋轉翼片式結構Fig 1 Stucture of blade type

旋轉翼片式結構原理簡單，價格便宜，但其精度較低(一般在3%左右)、體積大、壓力損失極大、急加速響應時間長(超過1 s)、長期使用易磨損，并且需要溫度和壓力補償，通常只應用在早期的汽車上，目前實際應用較少。

1.2 渦街式傳感技術

流體繞過非流線型柱體時，在柱體兩側開始分離產生旋渦。當流體狀態(tài)、管道內徑和柱體形狀滿足一定條件時，可以在柱體兩側形成交替的、有規(guī)律的旋渦列，這就是渦街。其中，渦街頻率與流速成正比，通過檢測旋渦的交替頻率即可得到空氣流速，再根據流速與流量的關系式得到空氣流量，這就是渦街式傳感技術的核心［11］。

旋渦頻率的傳感方法有熱敏、壓電、超聲、應變、電容等［11］。由于汽車流量傳感的特點，目前在汽車空氣流量傳感中得到應用的只有光電檢測和超聲檢測2種。

1)光電檢測法

光電檢測法采用三角柱發(fā)生體，在管道適當位置開孔(導壓孔)，旋渦造成壓力的變化通過導壓孔作用到反光膜上，使得反光膜隨渦街頻率振動。發(fā)光二極管發(fā)出的光經反光膜反射到光敏三極管上，光敏三極管在反射光作用下產生電流。反光膜振動時，反射光的光能強度發(fā)生變化，使得光敏三極管產生的電流發(fā)生變化。將電流變化情況以電壓形式輸出，檢測電壓變化的頻率即可得到渦街頻率，最后根據渦街頻率計算出空氣流量［1～14］。其原理如圖2。

圖2 光電檢測法Fig 2 Photoelectric detection method

2)超聲波檢測法

超聲式檢測法在旋渦發(fā)生體下游管路兩側相對安裝有超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波(一般40 kHz)穿過氣流到達超聲波接收器時，受到氣流流動速度和壓力變化的影響，接收到的超聲波信號相位和相位差會發(fā)生變化，根據相位和相位差的變化情況即可計算出渦街的頻率(圖3)。該方法也采用三角柱發(fā)生體，但頂角卻是朝向來流方向，以此減小阻力。由此產生的渦街信號較弱、穩(wěn)定性較差，需要在下游增加兩塊渦街穩(wěn)定板［1～13］。

圖3 超聲檢測法Fig 3 Ultrasonic detection method

渦街測量技術興起于20世紀80年代，是目前發(fā)展最迅速的一類流量計。它通過檢測旋渦頻率得到空氣流量，具有高精度、高靈敏度、低壓損等優(yōu)點，且由于檢測的是頻率信號，因而不存在零漂等問題。但是，光電檢測法的反光膜易受振動和油污等影響從而精度降低，實際應用很少。超聲檢測法的各項性能均非常優(yōu)異:精度能達到0.5%，響應時間能達到毫秒級、抗振性好、范圍度大;但其造價昂貴，屬于高端產品不易普及，目前只應用于日本三菱、豐田和韓國現(xiàn)代公司生產的部分高檔轎車上。

1.3 熱線(膜)式傳感技術

熱線式傳感技術以熱線電阻、冷線電阻和2個線橋電阻組成電橋，通過放大器調節(jié)電橋平衡?？諝饬鬟^熱線電阻使其熱量散失，電阻阻值變化，電橋失去平衡。此時放大器增大電流直到熱線電阻恢復初始溫度和電阻值，電橋重新平衡?？諝饬魉僭娇?，熱量散失越多，阻值變化越大，電流的變化也越大。電流的改變造成線橋電阻上的電壓改變，這一電壓的改變即可反映空氣流量的變化。實際應用中，空氣自身溫度的改變會影響測量精度，因此，額外設置冷線電阻以感知外界空氣溫度，對熱線電阻溫度值的恒定控制也轉變?yōu)槭蛊渑c冷線電阻保持恒定的溫度差。熱線(膜)式傳感技術利用流動空氣對熱金屬線的冷卻作用實現(xiàn)流量測量，得到空氣的質量流量。熱膜式傳感技術的工作原理與熱線式一樣，只是將熱線電阻、補償電阻和線橋電阻采用厚膜工藝集成到一塊陶瓷片上［1～10］。

熱線式傳感技術將流量信號轉換為電熱絲的溫度改變，再將溫度改變轉換為電壓信號。其精度能優(yōu)于1%，壓損小、抗振性好、范圍度等其他參數均能滿足電噴系統(tǒng)要求，而且，由于是質量流量測量，不需要額外的溫度和壓力補償;但是，熱滯后使得測量的響應時間在幾十到幾百毫秒，而且，測量流速分布不均的脈動流時誤差較大，也容易出現(xiàn)斷絲、結垢等情況，從而影響產品可靠性。熱膜式傳感技術繼承了熱線式的優(yōu)點，且由于體積大幅減小，產品成本降低，非常適合大規(guī)模生產。熱線(膜)式傳感技術憑借其較好的精度、靈敏度、較強的抗振能力，以及低廉的價格成為了汽車流量傳感器市場的主流。

幾種傳感技術的特點對比如表1所示。

表1 常用汽車流量傳感技術對比Tab 1 Contrast of common automotive flow sensing technology

由表1不難看出:旋轉翼片式已經是處于淘汰階段的產品。而熱線(膜)式盡管還有響應慢、產品穩(wěn)定性不夠等缺點，但良好的精度和低廉的成本使其處于市場的上升期?？ㄩT渦街式則屬于高端產品，只要解決了成本問題，其前景將變得非常廣闊。

2 汽車空氣流量傳感技術的發(fā)展趨勢

現(xiàn)有的汽車空氣流量傳感技術在一定程度上實現(xiàn)了電噴系統(tǒng)對空氣流量測量高精度、高靈敏度、響應迅速以及低成本的要求，但隨著市場和消費者對汽車性能要求的提高，對電噴系統(tǒng)和汽車空氣流量測量的要求也日益提高。綜合汽車空氣流量測量的特點與技術現(xiàn)狀，汽車空氣流量傳感技術主要有以下發(fā)展趨勢［4，6，7，15，16］:

1)更高精度、靈敏度、響應時間等

精度、靈敏度、響應時間等基本性能的提高是汽車空氣流量傳感技術一直追求的目標。

2)零壓損測量

壓力損失會降低汽車進氣系統(tǒng)的吸氣效率，而且，高速氣流與測試部件的摩擦會產生大量熱量，影響測量精度，而零壓損測量可以很好地避免這些問題。追求零壓損意味著不能存在接觸部件，因此，需要摒棄機械原理，更多地關注聲光電的特性，從中找出合適的原理應用到汽車空氣流量傳感技術中。

3)質量流量的直接測量

汽車電噴系統(tǒng)需要的是空氣的質量流量，直接測量質量流量可以避免壓力、溫度的影響，減少壓力和溫度補償帶來的精度損失。

3 汽車空氣流量傳感新技術

近年來，流量傳感技術并沒有在原理上取得重大突破。在相當長的一段時間內，汽車空氣流量傳感技術的進步將很大程度上依賴于熱線(膜)式和渦街式傳感技術的改進。

3.1 熱線(膜)式傳感技術的進一步改進

熱線(膜)式傳感技術的改進目標是進一步提高產品的穩(wěn)定性、減少響應時間以及減小脈動流對精度的影響。因此，需要進一步優(yōu)化外圍電路、對管道中的空氣流進行穩(wěn)定處理和尋找更適合的熱絲材料。

3.2 渦街式傳感技術的進一步改進

超聲式渦街傳感技術性能最好，卻因超聲設備的高昂價格限制了其發(fā)展。但是，渦街頻率的檢測方法還有熱敏、電容、應變等多種實現(xiàn)方式，這些都有可能在取得不低于超聲式檢測法效果的同時規(guī)避超聲檢測設備的高昂成本。因而，渦街傳感技術的改進就是對頻率檢測方法的改進，筆者正努力將電容傳感技術應用到汽車空氣流量傳感中。

電容式檢測法也將采用三角柱發(fā)生體，但底邊朝向來流方向以增大旋渦信號。電容裝置在發(fā)生體側面，定極板固定在發(fā)生體內，動極板位于發(fā)生體側表面(圖4)。動極板在旋渦產生的壓力變化下移動，造成電容量變化，電容量的峰值變化頻率即為渦街的頻率［11，13，17］(圖5)。

圖4 電容式檢測法Fig 4 Capacitive detection method

圖5 極板間距和電容量隨旋渦變化Fig 5 Plate spacing and capacitance change with the vortex

電容式渦街傳感技術已經在許多工業(yè)領域得到應用(空氣、蒸汽、液氮流量測量等)，其各項性能優(yōu)異，對外界環(huán)境適應力強，能在超過2 gn的振動加速度下正常工作，適合測量中小管徑、高流速流體。將這一技術應用到汽車空氣流量傳感中，既可以達到超聲檢測法類似的效果，又可以避免高昂的成本。

然而，要將這一方法應用到汽車空氣流量的測量中，仍有許多問題亟待解決:

1)為達到更高的靈敏度，需要盡量增大靜態(tài)電容，即盡量減小間距，增大工作面積;

2)動極板作為力敏元件，抗振能力相對較弱，需要特殊的物理結構或采用加裝補償電容的方式減小振動影響;

3)如何選擇適當的動極板尺寸和材料以達到需要的振動頻率，并延長結構使用壽命等。

4 結束語

更高精度、靈敏度、零壓損測量以及直接測量質量流量是汽車空氣流量傳感技術的主要發(fā)展趨勢。以熱線(膜)式為主流的汽車空氣流量傳感技術在精度、靈敏度、抗振性以及價格上具有很大的優(yōu)勢，但是其響應時間和產品可靠性上的缺陷正逐漸成為電噴系統(tǒng)性能提高的瓶頸。隨著汽車空氣流量傳感技術研究和工程化的不斷深入與完善，在流量測量原理沒有重大突破的前提下，以電容式渦街傳感技術為代表的新一代汽車空氣流量傳感技術將在不久的將來成為主流的技術。

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