熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器

1、熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器1熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的基本原理11.1傳感器的理論基礎(chǔ)11.2傳感器的基本工作原理11.3流量傳感器的信號處理11.4流量計的特點22熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的基本工作原理分析23測量電橋及其電路原理33.1測量電橋43.2測量電橋的電路原理44傳感器的特性分析54.1靜態(tài)特性54.2動態(tài)特性64.3靈敏度64.4工作溫度61熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的基本原理1.1傳感器的理論基礎(chǔ)熱膜式空氣流量計傳感器屬于量熱式傳感器，根據(jù)托馬斯(Thomas)提出的“氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”的理論，利用外熱源對傳感器探頭加熱，氣體流動時會帶走一部分熱量，使

2、探頭溫度改變，通過測量因氣體流動而造成的溫度變化來反映氣體的質(zhì)量流量。1.2傳感器的基本工作原理采用熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器對空氣的質(zhì)量流量進行直接測量?？諝饬髁坑嬛械膫鞲性菬崮?，熱膜的電阻值隨溫度而變化，將其作為橋式測量電路的一部分，通過控制流過熱膜的電流，使熱膜的溫度比空氣溫度高出一定值，由于進氣流經(jīng)熱膜時會對其產(chǎn)生冷卻作用，所以，根據(jù)由測量橋式電路的加熱電流轉(zhuǎn)換得到的電壓信號，就可以直接測定發(fā)動機的進氣質(zhì)量流量。1.3流量傳感器的信號處理熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的信號經(jīng)過控制單元中微處理器的處理，就可計算出發(fā)動機每一個工作循環(huán)吸入的空氣質(zhì)量。1.4流量計的特點熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器

3、是能真正測量空氣質(zhì)量流量的一種量熱式測量方法，該流量傳感器沒有機械運動件，能快速反應(yīng)空氣質(zhì)量流量的變化。2熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的基本工作原理分析圖1是熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的工作原理圖。兩個熱膜電阻錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和另外兩個固定電阻錯誤!未找到引用源。組成恒溫差加熱檢測電橋，錯誤!未找到引用源。是加熱電阻：錯誤!未找到引用源。處于氣流的上游，并且遠離加熱電阻，檢測進氣空氣溫度；錯誤!未找到引用源。緊貼加熱電阻，檢測加熱熱膜溫度。當進氣空氣溫度變化時，電橋發(fā)生變化，通過電橋放大器錯誤!未找到引用源。將信號放大，控制通過加熱電阻錯誤!未找到引用源。的電流，維持恒溫差

4、加熱的要求。溫差保持在100°C左右比較合適，溫差過低會使靈敏度降低，溫差過高會使傳感器壽命降低、耗電增加。氣流圖1熱膜空氣質(zhì)量流量傳感器的工作原理圖由具有正溫度系數(shù)的金屬制成的兩個熱膜傳感電阻錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和另外兩個固定電阻組成空氣質(zhì)量流量溫差檢測電橋，當有空氣流過熱膜傳感電阻時，由于傳熱使熱量散失，導致熱膜傳感電阻溫度降低，電阻值隨之降低，錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的變化幅度不同，電橋的平衡被破壞，經(jīng)電橋放大器錯誤!未找到引用源。放大后，對外輸出與空氣|/iiL.Rb_-.-Rt1Ra.h2.J傳感器探頭由圖1所示的熱膜式空氣流量傳感器

5、的工作原理可推出輸出電壓和熱膜電阻變化的關(guān)系表達式。假定，當空氣流量為零時錯誤!未找到引用源。，電橋的電源電壓為錯誤!未找到引用源。，電橋放大器錯誤!未找到引用源。的放大倍數(shù)為錯誤!未找到引用源。，則輸出電壓錯誤!未找到引用源。為R-Re=ke丸q(tl-RJ(4-1)采用金屬鉑作為熱膜傳感電阻時，電阻值足與溫度的關(guān)系為錯誤!未找到引用源。當有空氣流動時，熱膜傳感電阻溫度降低，電阻值隨之降低，兩者為正比關(guān)系，即錯誤!未找到引用源。由此，可得輸出電壓錯誤!未找到引用源。，與熱膜電阻溫度差的關(guān)系式U=-tw2）（4.2）當氣流靜止時，錯誤!未找到引用源。的加熱熱量通過基板導熱傳至傳感電阻錯誤!未找

6、到引用源。和錯誤!未找到引用源。，與空氣自然對流換熱，達到熱平衡，由于錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。對稱分布，傳感器輸出為零：同時還可抵消環(huán)境溫度或氣流溫度變化對輸出的影響。當氣流流動時，氣流與傳感電阻的換熱以強迫對流的形式為主，處于氣流上游的熱膜傳感電阻錯誤!未找到引用源。溫度下降幅度大于處于氣流下游的傳感電阻錯誤!未找到引用源。的，造成溫差，傳感電阻錯誤!未找到引用源。由上述分析可導出輸出電壓與空氣質(zhì)量流量的關(guān)系式：上式中的錯誤!未找到引用源。是一個與電橋電壓、熱膜電阻結(jié)構(gòu)、測量通道有效截面積、電橋放大器放大倍數(shù)和空氣物性參數(shù)等有關(guān)的常數(shù)，錯誤!未找到引用源。也是一個常數(shù)。對于

7、輻射傳熱，由于錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的溫差不會很大，在理論分析中忽略不計。3測量電橋及其電路原理圖2熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器電路原理Rk錯誤味找到引用源。-溫度補償電阻；Rh錯誤味找到引用源。-加熱電阻；錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。-電橋電阻；錯誤！3.1測量電橋引用源。-測量電阻；錯誤!未找到引用源。-輸出信號電壓；錯誤！未找到引用源。-電橋電壓熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器電路是一個電橋，見圖2。圖中主要電器元件的說明：1）錯誤!未找到引用源。為測量電阻。錯誤!未找到引用源。兩端的電壓作為信號電壓輸出。2）錯誤!未找到引用源。是鉑熱電阻，安置在氣流中，其特點是：

8、a. 具有正溫度系數(shù)，電阻值隨溫度升高而增大；b. 電路設(shè)計成電功率主要消耗在錯誤!未找到引用源。上，所以錯誤!未找到引用源。溫度高于環(huán)境空氣溫度錯誤!未找到引用源。3）錯誤!未找到引用源。為環(huán)境空氣溫度補償電阻，用于補償環(huán)境空氣溫度變化對測試結(jié)果的影響。錯誤!未找到引用源。也安置在氣流中，它的特點是：a. 正溫度系數(shù)；b. 溫度系數(shù)很高；電阻值很高；c. 因為錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。之和很大，通過的電流很?。鬟^的電流一般不超過錯誤!未找到引用源。），所以錯誤!未找到引用源。所消耗的電功率極低，錯誤!未找到引用源。的溫度等于環(huán)境空氣溫度錯誤!未找到引用

9、源。4）錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。為電橋的平衡電阻。錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的溫度系數(shù)很低，其阻值可看作常數(shù)。滿足下式時電橋達到平衡：=（4A）3.2測量電橋的電路原理這個電路有自動趨于平衡的趨勢，即錯誤!未找到引用源。點與錯誤!未找到引用源。點之間的電位差自動趨于零。伴隨著電橋的平衡，還發(fā)生一個傳感電阻熱平衡過程。在環(huán)境空氣溫度錯誤!未找到引用源。保持恒定的情況下，假定在某一氣流流量下電橋達到平衡，貝V鉑電阻錯誤!未找到引用源。的溫度錯誤!未找到引用源。必然穩(wěn)定，錯誤!未找到引用源。阻值也不發(fā)生變化，錯誤!未找到引用源。點的電位保持不變

10、。這時，錯誤!未找到引用源。如果流過傳感器的氣流增強，增強的氣流吹在鉑電阻錯誤!未找到引用源。上,使錯誤!未找到引用源。的溫度錯誤!未找到引用源。降低，則錯誤!未找到引用源。阻值也必然降低，錯誤!未找到引用源。點的電位就會升高。錯誤!未找到引用源。點和錯誤!未找到引用源。點的電位差經(jīng)運算放大器放大后使電橋供電電壓增大。這時，因錯誤!未找到引用源。電阻值很高，錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的溫度系數(shù)很低，其阻值可看作常數(shù)。因此使得通過錯誤!未找到引用源。的電流增大，其溫度錯誤!未找到引用源。也回升到原來的數(shù)值并保持錯誤!未找到引用源。電橋再次恢復平衡狀態(tài)。在這個

11、過程中，輸出信號電壓錯誤味找到引用源。和電橋不平衡時加在電橋上的電壓錯誤!未找到引用源。都隨著氣流的增強而升高了，所以，錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。均可反映出氣流流量的變化（見圖3）。圖3熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的輸出電壓特性錯誤!未找到引用源。-電壓輸出，錯誤!未找到引用源。-空氣流量順便指出，在溫度錯誤!未找到引用源。保持恒定的情況下，電橋恢復平衡后，錯誤!未找到引用源。將與氣流增強前的保持相同：ThTa=const4.5）如果錯誤!未找到引用源。變動，則錯誤!未找到引用源。的溫度跟著變動，電橋的平衡被破壞，錯誤!未找到引用源。點和錯誤!未找到引用源。點產(chǎn)生電位差，此電位差經(jīng)

12、過運算放大器放大后使電橋供電電壓改變，電橋達到新的平衡時,錯誤!未找到引用源。上的溫度錯誤!未找到引用源。隨之改變，保證式（4.5）成立。錯誤!未找到引用源。設(shè)計成具有很高的正溫度系數(shù)。正是利用這一點，可以實現(xiàn)溫度補償。這里的電路原理采用的是恒溫差法電橋放大測量（簡稱恒溫法）。還有些其他方法，如恒加熱電流測量（簡稱恒流法）。這個電路有自動趨于平衡的趨勢，即M點與N點之間的電位差自動趨于零。伴隨著電橋的平衡，還發(fā)生一個傳感電阻熱平衡過程。4傳感器的特性分析4.1靜態(tài)特性在靜態(tài)情況下，熱膜和空氣流之間的熱交換處于平衡狀態(tài)，熱膜所放出的熱量等于氣流所帶走的熱量。恒溫法和恒流法的靜態(tài)工作特性一一均為在

13、測量低流速氣流時的靈敏度高于測量高流速時的靈敏度。其靜態(tài)特性的曲線，如圖3所示。圖4恒溫法和恒流法的靜態(tài)特性曲線4.2動態(tài)特性動態(tài)響應(yīng)的主要問題在于：熱膜向氣流傳遞熱量的速率常常跟不上氣流流量的變化率。也就是說熱膜的熱產(chǎn)生并不等于熱耗散，它們之間的熱交換處于不平衡狀態(tài)。當氣流流量由小變大時，熱膜將貯藏部分熱量。這個現(xiàn)象習慣上稱為熱滯后或熱慣性，反映在輸出的信號上將引起幅度衰減和相位滯后。一般用熱滯后時間常數(shù)來表示，其值越小，所引起的衰減和滯后也越小。4.3靈敏度這里所說的靈敏度是指圖4-2中電橋部分的靈敏度。就是針對電橋不平衡時，一個臂錯誤!未找到引用源。的阻值發(fā)生變化錯誤!未找到引用源。，電橋失衡電壓（放大器的輸入電壓）而言的。相對于阻值變化錯誤!未找到引用源。來說，失衡電壓越大，其靈敏度越高。在實際的傳感器單元設(shè)計中，為了使錯誤!未找到引用源。的自熱很小，盡可能地使其對整個傳感器單元的影響減少到最小，以便實現(xiàn)錯誤!未找到引用源。只對氣流的溫度變化進行補償，因此，采取使錯誤!未找到引用源。的方法來保證。4.4工作溫度這里所說的工作溫度是指測量熱膜工作時的恒定溫度。由于隨氣流溫度的變化，測量熱膜的工作溫度也是隨之變化的。因此，要確切地表示