昝昕武，胡 騰，符欲梅

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)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(chǎn)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(guān)的信息進行判斷、運算、處理，然后向相應(yīng)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(jīng)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(chǔ)是理論空燃比，即將燃料完全燃燒所需要的空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量之比。ECU以理論空燃比為依據(jù)，通過空氣流量傳感器獲得的進氣量(空氣質(zhì)量)計算出所需的噴油量(燃料質(zhì)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(yīng)時間等都有很高的要求。汽車空氣流量傳感技術(shù)是實現(xiàn)汽車電噴系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)現(xiàn)狀

與電噴系統(tǒng)的使用同步，汽車空氣流量傳感技術(shù)的相關(guān)研究開始于20世紀50年代。最早采用旋轉(zhuǎn)翼片式傳感技術(shù)，之后，熱線式傳感技術(shù)憑借其價格低、抗振性好等優(yōu)點成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。20世紀80年代，日本公司最早將超聲式渦街流量傳感技術(shù)應(yīng)用到汽車上。20世紀90年代，隨著生產(chǎn)工藝的進步出現(xiàn)了采用厚膜工藝的熱膜式傳感技術(shù)。進入21世紀，原有熱膜式傳感技術(shù)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(shù)，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(nèi)企業(yè)從20世紀90年代才開始熱線式傳感技術(shù)的研究。進入21世紀后，少數(shù)國內(nèi)企業(yè)掌握了熱膜式傳感技術(shù)并形成生產(chǎn)力。總體來說，國內(nèi)對于相關(guān)技術(shù)的研究很少，產(chǎn)品大都是對國外產(chǎn)品的模仿，無論產(chǎn)品質(zhì)量還是測量精度都與國外產(chǎn)品存在很大的差距。

目前，空氣流量傳感技術(shù)按測量原理和結(jié)構(gòu)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(shù)的特點與高要求使得目前僅有三大類技術(shù)得到實際應(yīng)用。

1.1 旋轉(zhuǎn)翼片式傳感技術(shù)

旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)到另一個角度，回位彈簧彈力相應(yīng)增大直到兩力平衡為止。同時，電位計滑臂隨翼片偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)翼片式傳感器實現(xiàn)了將流動空氣的流量轉(zhuǎn)換為翼片的偏移量，再將偏移量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)翼片式結(jié)構(gòu)Fig 1 Stucture of blade type

旋轉(zhuǎn)翼片式結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)用在早期的汽車上，目前實際應(yīng)用較少。

1.2 渦街式傳感技術(shù)

流體繞過非流線型柱體時，在柱體兩側(cè)開始分離產(chǎn)生旋渦。當流體狀態(tài)、管道內(nèi)徑和柱體形狀滿足一定條件時，可以在柱體兩側(cè)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(jù)流速與流量的關(guān)系式得到空氣流量，這就是渦街式傳感技術(shù)的核心［11］。

旋渦頻率的傳感方法有熱敏、壓電、超聲、應(yīng)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(yīng)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(dǎo)壓孔)，旋渦造成壓力的變化通過導(dǎo)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(cè)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(jù)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(chǎn)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)品不易普及，目前只應(yīng)用于日本三菱、豐田和韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的部分高檔轎車上。

1.3 熱線(膜)式傳感技術(shù)

熱線式傳感技術(shù)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(diào)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(fù)初始溫度和電阻值，電橋重新平衡?？諝饬魉僭娇欤瑹崃可⑹г蕉?，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(yīng)用中，空氣自身溫度的改變會影響測量精度，因此，額外設(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(zhì)量流量。熱膜式傳感技術(shù)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(shù)將流量信號轉(zhuǎn)換為電熱絲的溫度改變，再將溫度改變轉(zhuǎn)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(shù)均能滿足電噴系統(tǒng)要求，而且，由于是質(zhì)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(yīng)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(jié)垢等情況，從而影響產(chǎn)品可靠性。熱膜式傳感技術(shù)繼承了熱線式的優(yōu)點，且由于體積大幅減小，產(chǎn)品成本降低，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。熱線(膜)式傳感技術(shù)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(shù)的特點對比如表1所示。

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

由表1不難看出:旋轉(zhuǎn)翼片式已經(jīng)是處于淘汰階段的產(chǎn)品。而熱線(膜)式盡管還有響應(yīng)慢、產(chǎn)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。卡門渦街式則屬于高端產(chǎn)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(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)有的汽車空氣流量傳感技術(shù)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(yīng)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(shù)現(xiàn)狀，汽車空氣流量傳感技術(shù)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(yīng)時間等

精度、靈敏度、響應(yīng)時間等基本性能的提高是汽車空氣流量傳感技術(shù)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?xí)a(chǎn)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(guān)注聲光電的特性，從中找出合適的原理應(yīng)用到汽車空氣流量傳感技術(shù)中。

3)質(zhì)量流量的直接測量

汽車電噴系統(tǒng)需要的是空氣的質(zhì)量流量，直接測量質(zhì)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(shù)

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

3.1 熱線(膜)式傳感技術(shù)的進一步改進

熱線(膜)式傳感技術(shù)的改進目標是進一步提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、減少響應(yīng)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(shù)的進一步改進

超聲式渦街傳感技術(shù)性能最好，卻因超聲設(shè)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(yīng)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(shè)備的高昂成本。因而，渦街傳感技術(shù)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(shù)應(yīng)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(cè)面，定極板固定在發(fā)生體內(nèi)，動極板位于發(fā)生體側(cè)表面(圖4)。動極板在旋渦產(chǎn)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(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)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(yīng)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(shù)應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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?shù)膭訕O板尺寸和材料以達到需要的振動頻率，并延長結(jié)構(gòu)使用壽命等。

4 結(jié)束語

更高精度、靈敏度、零壓損測量以及直接測量質(zhì)量流量是汽車空氣流量傳感技術(shù)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(shù)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(yīng)時間和產(chǎn)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(shù)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(shù)為代表的新一代汽車空氣流量傳感技術(shù)將在不久的將來成為主流的技術(shù)。

［1］馮崇毅，魯植雄，何丹婭.汽車電子控制技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］巨永鋒，李令舉，郭蘭英.汽車傳感器連載六空氣流量傳感器［J］.傳感器技術(shù)，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，姜川濤，劉桂芳.渦街流量計［M］.北京:中國石化出版社，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］李元東，孫德新.流量儀表的發(fā)展趨勢及探討［C］∥山東電機工程學(xué)會第七屆發(fā)電專業(yè)學(xué)術(shù)交流會論文集，濟南，2008:239－243.

［16］蔡武昌.流量儀表應(yīng)用和發(fā)展若干動態(tài)［C］∥第七屆工業(yè)儀表與自動化學(xué)術(shù)會議論文集，上海，2006:60－65.

［17］高 峰，曲建玲，李富榮，等.高精度氣體流量測控儀設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2001，22(4):89－90.