汽车空气流量传感技术现状与发展趋势*

昝昕武，胡 腾，符欲梅

(重庆大学光电工程学院光电技术教育部重点实验室，重庆400044)

0 引言

随着汽车保有量日渐增大，汽车尾气带来的污染日渐严重。为减少尾气污染，节约能源，汽车电喷系统于20世纪50年代起逐渐取代了化油器系统，中国也在2001年9月1日起全面禁止生产化油器汽车。

汽车电喷系统由多种传感器、电子控制单元(electronic control unit，ECU)和执行器(喷油和点火系统)组成。ECU是电喷系统的核心，它对传感器收集到的汽车和发动机运行工况以及环境等相关的信息进行判断、运算、处理，然后向相应的执行器发出控制指令，从而完成对喷油量和点火时间的精确控制，最终使得汽车在不同环境的各运行工况下实现更好的安全性、经济性、动力性以及更低的废气排放。

电喷系统实现喷油量和点火时间精确控制的理论基础是理论空燃比，即将燃料完全燃烧所需要的空气质量和燃料质量之比。ECU以理论空燃比为依据，通过空气流量传感器获得的进气量(空气质量)计算出所需的喷油量(燃料质量)，进气量的任何偏差都将直接影响到喷油量这一电喷系统最主要的控制目标。因此，汽车电喷系统对空气流量传感器的精度、灵敏度、响应时间等都有很高的要求。汽车空气流量传感技术是实现汽车电喷系统功能的基础和关键技术，对其进行研究具有非常重要的意义。

1 汽车空气流量传感技术现状

与电喷系统的使用同步，汽车空气流量传感技术的相关研究开始于20世纪50年代。最早采用旋转翼片式传感技术，之后，热线式传感技术凭借其价格低、抗振性好等优点成为应用最广泛的技术。20世纪80年代，日本公司最早将超声式涡街流量传感技术应用到汽车上。20世纪90年代，随着生产工艺的进步出现了采用厚膜工艺的热膜式传感技术。进入21世纪，原有热膜式传感技术得到进一步改进，如博世公司就研究出具有流体分离元件的热膜式传感技术，通过在测量前对空气流进行稳定和分离处理进一步提高测量精度。

国内企业从20世纪90年代才开始热线式传感技术的研究。进入21世纪后，少数国内企业掌握了热膜式传感技术并形成生产力。总体来说，国内对于相关技术的研究很少，产品大都是对国外产品的模仿，无论产品质量还是测量精度都与国外产品存在很大的差距。

目前，空气流量传感技术按测量原理和结构的不同可分为:差压式、容积式、浮子式、叶轮式、电磁式、流体振荡式等11大类，实际上由于汽车空气流量传感技术的特点与高要求使得目前仅有三大类技术得到实际应用。

1.1 旋转翼片式传感技术

旋转翼片式传感器由翼(叶)片、回位弹簧、电位器以及外围信号处理电路等部分组成。由于温度、静态气压不变时，空气流量与气流动态压力成正比，气流动态压力大小即可反映空气流量大小。翼片受进气气流的动态压力和回位弹簧的弹力共同作用，处于力平衡状态时旋转到某个角度。当进气量增大时，气流动态压力增大使得翼片偏转到另一个角度，回位弹簧弹力相应增大直到两力平衡为止。同时，电位计滑臂随翼片偏转并改变电阻值，进而改变输出电压，检测输出电压即可得到空气流量。从而使旋转翼片式传感器实现了将流动空气的流量转换为翼片的偏移量，再将偏移量转换为电位器电阻值的改变最终以电压形式输出［1～10］，如图1。

图1 旋转翼片式结构Fig 1 Stucture of blade type

旋转翼片式结构原理简单，价格便宜，但其精度较低(一般在3%左右)、体积大、压力损失极大、急加速响应时间长(超过1 s)、长期使用易磨损，并且需要温度和压力补偿，通常只应用在早期的汽车上，目前实际应用较少。

1.2 涡街式传感技术

流体绕过非流线型柱体时，在柱体两侧开始分离产生旋涡。当流体状态、管道内径和柱体形状满足一定条件时，可以在柱体两侧形成交替的、有规律的旋涡列，这就是涡街。其中，涡街频率与流速成正比，通过检测旋涡的交替频率即可得到空气流速，再根据流速与流量的关系式得到空气流量，这就是涡街式传感技术的核心［11］。

旋涡频率的传感方法有热敏、压电、超声、应变、电容等［11］。由于汽车流量传感的特点，目前在汽车空气流量传感中得到应用的只有光电检测和超声检测2种。

1)光电检测法

光电检测法采用三角柱发生体，在管道适当位置开孔(导压孔)，旋涡造成压力的变化通过导压孔作用到反光膜上，使得反光膜随涡街频率振动。发光二极管发出的光经反光膜反射到光敏三极管上，光敏三极管在反射光作用下产生电流。反光膜振动时，反射光的光能强度发生变化，使得光敏三极管产生的电流发生变化。将电流变化情况以电压形式输出，检测电压变化的频率即可得到涡街频率，最后根据涡街频率计算出空气流量［1～14］。其原理如图2。

图2 光电检测法Fig 2 Photoelectric detection method

2)超声波检测法

超声式检测法在旋涡发生体下游管路两侧相对安装有超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头发出的超声波(一般40 kHz)穿过气流到达超声波接收器时，受到气流流动速度和压力变化的影响，接收到的超声波信号相位和相位差会发生变化，根据相位和相位差的变化情况即可计算出涡街的频率(图3)。该方法也采用三角柱发生体，但顶角却是朝向来流方向，以此减小阻力。由此产生的涡街信号较弱、稳定性较差，需要在下游增加两块涡街稳定板［1～13］。

图3 超声检测法Fig 3 Ultrasonic detection method

涡街测量技术兴起于20世纪80年代，是目前发展最迅速的一类流量计。它通过检测旋涡频率得到空气流量，具有高精度、高灵敏度、低压损等优点，且由于检测的是频率信号，因而不存在零漂等问题。但是，光电检测法的反光膜易受振动和油污等影响从而精度降低，实际应用很少。超声检测法的各项性能均非常优异:精度能达到0.5%，响应时间能达到毫秒级、抗振性好、范围度大;但其造价昂贵，属于高端产品不易普及，目前只应用于日本三菱、丰田和韩国现代公司生产的部分高档轿车上。

1.3 热线(膜)式传感技术

热线式传感技术以热线电阻、冷线电阻和2个线桥电阻组成电桥，通过放大器调节电桥平衡。空气流过热线电阻使其热量散失，电阻阻值变化，电桥失去平衡。此时放大器增大电流直到热线电阻恢复初始温度和电阻值，电桥重新平衡。空气流速越快，热量散失越多，阻值变化越大，电流的变化也越大。电流的改变造成线桥电阻上的电压改变，这一电压的改变即可反映空气流量的变化。实际应用中，空气自身温度的改变会影响测量精度，因此，额外设置冷线电阻以感知外界空气温度，对热线电阻温度值的恒定控制也转变为使其与冷线电阻保持恒定的温度差。热线(膜)式传感技术利用流动空气对热金属线的冷却作用实现流量测量，得到空气的质量流量。热膜式传感技术的工作原理与热线式一样，只是将热线电阻、补偿电阻和线桥电阻采用厚膜工艺集成到一块陶瓷片上［1～10］。

热线式传感技术将流量信号转换为电热丝的温度改变，再将温度改变转换为电压信号。其精度能优于1%，压损小、抗振性好、范围度等其他参数均能满足电喷系统要求，而且，由于是质量流量测量，不需要额外的温度和压力补偿;但是，热滞后使得测量的响应时间在几十到几百毫秒，而且，测量流速分布不均的脉动流时误差较大，也容易出现断丝、结垢等情况，从而影响产品可靠性。热膜式传感技术继承了热线式的优点，且由于体积大幅减小，产品成本降低，非常适合大规模生产。热线(膜)式传感技术凭借其较好的精度、灵敏度、较强的抗振能力，以及低廉的价格成为了汽车流量传感器市场的主流。

几种传感技术的特点对比如表1所示。

表1 常用汽车流量传感技术对比Tab 1 Contrast of common automotive flow sensing technology

由表1不难看出:旋转翼片式已经是处于淘汰阶段的产品。而热线(膜)式尽管还有响应慢、产品稳定性不够等缺点，但良好的精度和低廉的成本使其处于市场的上升期。卡门涡街式则属于高端产品，只要解决了成本问题，其前景将变得非常广阔。

2 汽车空气流量传感技术的发展趋势

现有的汽车空气流量传感技术在一定程度上实现了电喷系统对空气流量测量高精度、高灵敏度、响应迅速以及低成本的要求，但随着市场和消费者对汽车性能要求的提高，对电喷系统和汽车空气流量测量的要求也日益提高。综合汽车空气流量测量的特点与技术现状，汽车空气流量传感技术主要有以下发展趋势［4，6，7，15，16］:

1)更高精度、灵敏度、响应时间等

精度、灵敏度、响应时间等基本性能的提高是汽车空气流量传感技术一直追求的目标。

2)零压损测量

压力损失会降低汽车进气系统的吸气效率，而且，高速气流与测试部件的摩擦会产生大量热量，影响测量精度，而零压损测量可以很好地避免这些问题。追求零压损意味着不能存在接触部件，因此，需要摒弃机械原理，更多地关注声光电的特性，从中找出合适的原理应用到汽车空气流量传感技术中。

3)质量流量的直接测量

汽车电喷系统需要的是空气的质量流量，直接测量质量流量可以避免压力、温度的影响，减少压力和温度补偿带来的精度损失。

3 汽车空气流量传感新技术

近年来，流量传感技术并没有在原理上取得重大突破。在相当长的一段时间内，汽车空气流量传感技术的进步将很大程度上依赖于热线(膜)式和涡街式传感技术的改进。

3.1 热线(膜)式传感技术的进一步改进

热线(膜)式传感技术的改进目标是进一步提高产品的稳定性、减少响应时间以及减小脉动流对精度的影响。因此，需要进一步优化外围电路、对管道中的空气流进行稳定处理和寻找更适合的热丝材料。

3.2 涡街式传感技术的进一步改进

超声式涡街传感技术性能最好，却因超声设备的高昂价格限制了其发展。但是，涡街频率的检测方法还有热敏、电容、应变等多种实现方式，这些都有可能在取得不低于超声式检测法效果的同时规避超声检测设备的高昂成本。因而，涡街传感技术的改进就是对频率检测方法的改进，笔者正努力将电容传感技术应用到汽车空气流量传感中。

电容式检测法也将采用三角柱发生体，但底边朝向来流方向以增大旋涡信号。电容装置在发生体侧面，定极板固定在发生体内，动极板位于发生体侧表面(图4)。动极板在旋涡产生的压力变化下移动，造成电容量变化，电容量的峰值变化频率即为涡街的频率［11，13，17］(图5)。

图4 电容式检测法Fig 4 Capacitive detection method

图5 极板间距和电容量随旋涡变化Fig 5 Plate spacing and capacitance change with the vortex

电容式涡街传感技术已经在许多工业领域得到应用(空气、蒸汽、液氮流量测量等)，其各项性能优异，对外界环境适应力强，能在超过2 gn的振动加速度下正常工作，适合测量中小管径、高流速流体。将这一技术应用到汽车空气流量传感中，既可以达到超声检测法类似的效果，又可以避免高昂的成本。

然而，要将这一方法应用到汽车空气流量的测量中，仍有许多问题亟待解决:

1)为达到更高的灵敏度，需要尽量增大静态电容，即尽量减小间距，增大工作面积;

2)动极板作为力敏元件，抗振能力相对较弱，需要特殊的物理结构或采用加装补偿电容的方式减小振动影响;

3)如何选择适当的动极板尺寸和材料以达到需要的振动频率，并延长结构使用寿命等。

4 结束语

更高精度、灵敏度、零压损测量以及直接测量质量流量是汽车空气流量传感技术的主要发展趋势。以热线(膜)式为主流的汽车空气流量传感技术在精度、灵敏度、抗振性以及价格上具有很大的优势，但是其响应时间和产品可靠性上的缺陷正逐渐成为电喷系统性能提高的瓶颈。随着汽车空气流量传感技术研究和工程化的不断深入与完善，在流量测量原理没有重大突破的前提下，以电容式涡街传感技术为代表的新一代汽车空气流量传感技术将在不久的将来成为主流的技术。

［1］冯崇毅，鲁植雄，何丹娅.汽车电子控制技术［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］巨永锋，李令举，郭兰英.汽车传感器连载六空气流量传感器［J］.传感器技术，1992(6):61－64.

［3］Dominguez M，Masana F N，Jimenez V.Low-cost thermalΣ-Δ air flow sensor［J］.Sensors Journal，IEEE.2002，2(5):453－462.

［4］Fleming W J.New automotive sensors—A review［J］.Sensors Journal，IEEE，2008 8(11):1900－1921.

［5］Aleksic OS，Nikolic PM，Lukovic D，et al.A thick film NTCthermistor air flow sensor［C］∥2004 24th International Conference，Microelectronics，2004:185－188.

［6］Fleming W J.Overview of automotive sensors［J］.IEEE Sensors Journal，2001，1(4):296－308.

［7］Dopheide D，Mickan B.The harmonized high pressure natural gas cubic meter in Europe and its benefit for the user and metrology，PTB［C］∥Nmi-VSL，MSC，2004.

［8］Russell M E，Drubin C A，Marinilli A S，et al.Integrated automotive sensors［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3):674－677.

［9］Gogoi B P，Mladenovic D.Integration technology for MEMS automotive sensors［C］∥IEEE 2002 28th Annual Conference，IECON 02 Industrial Electronics Society，2002:2712－2717.

［10］Van D M，De M F，Peremans H.A computational study of biomimetic mechanosensor array processing for air flow sensing［C］∥2007 IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing，2007:1－6.

［11］姜仲霞，姜川涛，刘桂芳.涡街流量计［M］.北京:中国石化出版社，2006.

［12］Aljuwayhel N F，Nellis G F，Klein S A.Parametric and internal study of thevortex tube usinga CFDmodel［J］.International Journal of Refrigeration，2005，28:442－450.

［13］Frohingsdorf W，Unger H.Numerical investigations of the compressible flow and the energy separation in the Ranque-Hislsch vortex tube using a CFD model［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1999，42:415－422.

［14］Smith D S，Jackman P R.Optical sensors for automotive applications［C］∥IEE Colloquium on Automotive Sensors，1992:1－3.

［15］李元东，孙德新.流量仪表的发展趋势及探讨［C］∥山东电机工程学会第七届发电专业学术交流会论文集，济南，2008:239－243.

［16］蔡武昌.流量仪表应用和发展若干动态［C］∥第七届工业仪表与自动化学术会议论文集，上海，2006:60－65.

［17］高 峰，曲建玲，李富荣，等.高精度气体流量测控仪设计［J］.仪器仪表学报，2001，22(4):89－90.