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1、车用热膜式空气流量计分析与设计*周景宇文桂林张邦基（湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）Analysis and Design of Automotive Hot-Film Air Flow MeterZHOU Jing-yu，WEN Gui-lin，ZHANG Bang-ji（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，HunanUniversity，Changsha 410082，China）文章编号：1001-3997（2012）07-0012-03【摘
2、要】针对目前国内车用热膜式空气流量计设计较少的现状，以某款模拟电路样机为研究对象，在分析样机加热控制电路、检测电路及传感探头结构的基础上，对样机进行了实验。结果表明，样机能检测不同流量的气体，并具有一定的温度补偿功能。样机正确反映了热膜式空气流量计的检测原理，直观显示了探头部分结构。同时，通过实验分析了模拟控制方法、检测电阻线性度等因素对样机热区性能的影响。最后，针对模拟控制电路存在的缺陷，基于汽车芯片提出一种数字化解决方案。研究为热膜式空气流量计的设计提供了参考，具有一定的工程意义和实用价值。关键词：热膜式空气流量计；控制电路；传感探头；汽车芯片【Abstract】Aiming at les
3、s original design for automotive hot-film AFM（air flow meter）in china,witha prototype based on analog circuit as a study object，experiments of the prototype are performed after analyzing the heating control circuit，detection circuit and sensor probe structure.The results show that the prototype can
4、detect air with different flow with certain temperature compensation.The prototype has reflectedcorrectly the detection theory of AFM and has revealed intuitively the structure of sensor probe as well.Meanwhile，some influence factors on the performance of the hot zone are also studied through experi
5、ments，such as analog control method，linearity of detection resistances and etc.At last，a digital solution based onautomotive chips is proposed to settle faults existed in the analog circuit.The study provides some referencesfor the design and maintenance of AFM with certain engineering significance
6、and practical value.Key Words：Hot-Film AFM；Control Circuit；Sensor Probe；Automotive Chips?中图分类号：TH12，TH814+.1文献标识码：A来稿日期：2011-09-09基金项目：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题项目资助（61075003），教育部长江学者与创新团队发展计划项目资助（531105050037）1 引言空气流量计（AFM）位于发动机空气滤清器和节气门体之间，用于检测进入发动机的空气流量。发动机ECU根据空气流量大小与节气门开度来确定燃油喷射量及点火时间。因此，空气流量计对保
7、证发动机的正常运转，提高燃油经济性起到至关重要的作用。根据检测进气量的方式不同，空气流量计分为压力型和空气流量型两种。不同类型的发动机使用的空气流量计类型也不同。目前，已成熟应用的流量型空气流量计主要有，翼片式，卡曼涡流式，热线式和热膜式四种。其中，热线式和热膜式因检测原理类似而统称为热式。热式流量计因其测量精度高，响应速度快，怠速稳定性好，可靠性高，无需进行海拔高度和进气温度修正而逐渐成为主流。与热膜式空气流量计相比，热线式在长期使用后，铂热线由于沉积物堆积会影响测量精度，在发动机每次停机时，都需要进行高温自洁，影响使用寿命。热膜式流量计采用厚膜或薄膜工艺将不同的电阻浆料和导体，蒸发、溅射到
8、基板上形成电路，并对探头部分做了特殊设计，使测量精度大幅提高，同时在抗冲击与振动方面较热线式有了很大改善，延长了使用寿命1。目前，热膜式空气流量计以德国某公司的产品为主，其中以BOSCH HFM5 最具代表。国内公司的多款车型如捷达，桑塔纳，帕萨特等都采用 HFM5 型流量计2。国内能够自主生产热膜式空气流量的较少，相关方面的文献也以综述类及维修类为主，对热膜式空气流量计的设计指导作用不大。要想生产出自己的热膜式空气流量计，替代国外产品，打破行业垄断，必须掌握设计方法及关键技术。通过分析某款车用热膜式空气流量计的模拟电路样机，对流量计的检测原理进行了直观的阐述，并对其电路部分及探头部分做了分析
9、。通过实验，检验了样机对气流的检测性能，同时通过分析数据，指出了该样机存在的问题，并提出了相应的解决方案，为热膜式空气流量计的设计与维修提供了参考。2 热膜式空气流量计原理分析2.1 热膜式空气流量计检测原理利用加热电路形成一个与气流温度时刻保持恒温差（通常为100）的热区，在热区两侧对称布置结构与功能相同的检测电阻（热敏电阻）。当无气流通过时，检测电阻的温度与热区保持一致；当有气流通过时，上游检测电阻被空气冷却，阻值发生较大变化，气流经过热区被加热，因而流经热区下游时，下游检测电阻温度变化不明显，基本与热区保持一致。此时，上下游电阻的阻值差反应了上游电阻与热区的温度差，体现了上游检测电阻被气
10、流带走的热量。根据托马斯关于气流质量流量与放热量成正比的理论，既可由上下游检测电阻的阻值差测得流过热区气流的质量流量。MachineryDesignManufacture机械设计与制造第 7 期2012 年 7 月122.2 热膜式空气流量计功能与结构模块划分由热膜式空气流量计检测原理可知，检测流量需要加热与检测两个功能模块。加热模块用于形成热区，检测模块用于将检测电阻变化转化为 ECU 可识别的信号。热区和检测电阻需要与气流直接接触进行热交换，其余电路部分则不需要。因此，热膜式空气流量计需要控制电路板和传感探头两个结构模块。加热电阻与检测电阻布置在传感探头之上，置于进气通道中，其余电路部分则
11、布置在控制电路板上。3 样机分析3.1 恒温差加热电路如图1所示，测量电阻Re和Rm均选用Pt100铂电阻。其中，Re 用于检测环境温度，进行温度补偿；Rm 用于检测热区温度。Rh为加热电阻，选用9.8电阻丝制成。Q2为大功率三级管，为Rh提供加热电流。Re、Rm、Radj1、R2和R3构成惠斯登电桥。初始状态下，调节Radj1，使热区温度与环境温度保持恒温差时（100），电桥达到平衡。R4、R5 与 C1-C4 构成了 158Hz 低通滤波电路。U1 与Q1、Q2构成加热器开关电路，当U1的正负输入端压差为正时，U1输出+5V，Q1 与 Q2 导通，加热器开始加热；当 U1 的正负输入端压差
12、为负时，U1输出0V，Q1、Q2截止，加热电路停止加热。+5VGNDR1510ReRmRhQ2B7729013GNDQ1Radj220K+5VC512VHeaterR41KRadj1500D21N5222R2500R35001K0.01uR50.01u1uC1C2C4C3luP1GND+12V+5VGND R610voutpower_in4321D1GNDGNDSMBJ10（C）AGND430.01uU1OPA3331OUT25+IN-INV-V+图 1 恒温差加热电路图当环境温度变化时，Re 的阻值发生变化，电桥失衡，输出压差信号，控制加热电路的通断。当热区温度与环境温度达到预设温差时，电桥
13、再次平衡。这样通过一个闭环控制回路，保证了热区温度与环境温度保持恒温差。3.2 测量电路分析信号检测电路中，Rtc和Rfd分别为上下游检测电阻。无气流通过时，调节Radj3进行零点标定，使输出为0。样机设计较为简单，信号只进行了简单的滤波放大处理。R9-R12 与 U2 构成了基本减法电路，使将电桥输出的差分电压信号放大约 400 倍，以达到发动机ECU可识别的（05）V电压信号。信号检测电路，如图2所示。3.3 探头部分分析该样机设计的探头着重结构布置，工艺较为简单，如图 3 所示。由于热区设定温度与环境温度相差不大且待测气流流速较大，样机中 Rh 产生的热主要通过热传导的形式形成热区3。加
14、热Rh 形成热区，使整个检测电阻层的温度达到预设值。当有气流流过左侧空腔时，带走 Rtc 的热量，Rtc 阻值变化明显；而右侧腔体通过硅胶密封，无气流流过，Rfd 温度基本不发生变化，由 2.2 测量电路可知，电桥失衡，输出与流量成正比的电压信号。Rm 检测热区实时温度，反馈给加热控制电路，进行恒温差控制。+5VRe1500Rtcpt1000.01uR91K1KR10C8C9C7C6GNDGNDR11402Klu34R12402Klu0.01uGNDRadj3500Rfdpt100Re2500GNDGNDU2OPA333OUT1vout25-IN+INV-V+5V图 2 信号检测电路12abd
15、c34气流图 3 探头结构示意图1.Rh 加热电阻丝 2.上游区检测电阻 Rtc 3.热区检测电阻 Rm4.下游区检测电阻 Rfda.检测电阻层 b.电阻丝加热层 c.硅胶隔层 d.石棉网保温层3.4 样机实验结果分析3.4.1 恒温差控制电路实验主要分析无气流状况下，当环境温度变化时，热区温度变化情况（由热区各检测电阻的阻值来反映）。实验中充分考虑了上下游检测电阻 Rtc 与 Rfd 的线性度与一致性，可以认为二者特性一致，以此来分析 Re 与 Rm 的线性度对结果的影响。实验结果，如图 4 所示。图中 B（E）、C（F）分别为环境温度 17（10.75）时实测 Rtc、Rfd 阻值，D（G
16、）为该环境温度时 Rtc 与 Rfd 的理论阻值。（1）曲线 B、C 上下波动反映了热平衡的过程，一方面说明基于模拟电路的加热控制滞后性较大，另一方面体现出热式空气流量计普遍响应速度慢的缺陷4-5。（2）曲线 B 与理论曲线 D 接近，而 C与 D 相差较大，主要原因为热区不均匀，通过对探头的拆解发现，是由于加热电阻丝布置不均所致。（3）Rtc 处于空腔区，与空气直接接触，气流扰动大，其阻值在（143.88146.41）之间变化（曲线 B 所示），波动幅度较大。相反 Rfd 处于硅胶密封区，其阻值在（138.4139.68）之间变化，浮动较小。（4）当环境温度下降至10.75时，热区温度要随之
17、下降，其理论阻值应下降约 2.33（由曲线 D 和 G 可得），而实际热区温度下降约 1.53（比较曲线 B和 E 可得）。既实际温度下降小于理论值，这是由于 Re 与 Rm 的线性度不一致所致。第 7 期周景宇等：车用热膜式空气流量计分析与设计13BCDEFG150148146144142140138136检测电阻（）102030405060708090100采样点（N）图 4 热区温度变化曲线3.4.2 信号检测电路实验分析当有不同流量的气流流过时，样机的输出电压信号。进行此实验时，充分考虑了 Re 与 Rm 的线性度与一致性，可以认为二者特性一致。以此来分析Rfd与Rtc线性度对结果的影
18、响。（1）在室温10.68时，首先调节Radj3，使输出为0。用可以产生不同流量气流的进气装置在距离探头入风口 10cm 处直吹直至输出电压稳定，输出电压值，如图5中曲线B、C、D所示。三条曲线分别稳定在某一确定值附近。说明流量可测，验证了检测原理。（2）保持Radj3阻值不变，将实验装置移至室温约 15.05的环境下，此时，输出电压有约290mv的误差。此误差为Rtc和Rfd线性度不一致所致，分别比较图4中曲线B、E以及曲线C、F可以发现，B、E 之间的差值 1.53要略小于 C、F 之间的差值 1.69。即对于同样的温度变化，Rfd 的阻值变化要略大于Rtc的阻值变化。因此290mv属于系
19、统误差。实用设计中需要充分考虑 Rfd 与 Rtc 一致性，在无零点校准的设计中，Rfd与Rtc布置要严格对称。（3）用如上同样的方式进行实验，并对测得的结果进行去系统误差处理，得到的数据，如图5 中曲线 E、F、G 所示，可以看出，曲线 B、E 及 C、F 吻合较好，而 D 与 G 之间约有0.1V的差别，这与进气温度及压力变化有关6。两种环境温度下对同样大小的进气流量进行检测，所得曲线基本吻合，说明 Re 环境补偿效果明显，输出信号只与气流流量有关，而与气流温度无关。BCDEFG输出电压（V）2.602.552.502.452.402.352.252.202.152.102.052.001
20、.951.901.851.801.751.7002469101214161820采样点（N）图 5 检测电路输出电压曲线4 解决方案在实用设计中，需要解决上述 2.4.1 中等问题，可以从两个方面加以解决。结构方面：减小热区面积，利用电阻片进行加热，若工艺允许，可采用 BOSCH HFM5 探头结构布置，可保证热区均匀。进气通道应尽可能采用弯道设计，同时进气管道的口径应充分考虑检测电阻的尺寸大小，既要保证上游区检测电阻与气流充分接触，又要避免气流影响热区。控制方面：采用汽车专用集成芯片搭建数字电路，采用模糊 PID 算法或其它先进算法控制加热电流5，7，实现快速热平衡。同时，选用汽车专用芯片可
21、有效满足车载环境要求。各检测电阻的线性度，一方面采用厚膜或薄膜工艺保证各检测电阻的一致性，另一方面可以在控制芯片中增加相应程序对检测电阻的非线性进行补偿。提出了一种控制电路解决方案，如图6所示。主芯片采用某公司 R8C/Tiny 系列，通过自带 AD采集各检测电阻的温度。ZXLD1350 是汽车专用 LED 驱动芯片，通过调节输入 PWM 的占空比可调节输出电流的大小，方案通过该芯片实现加热电流控制8。主芯片根据 Re 和 Rm 的值，调节PWM1 的占空比来控制加热电流使热区温度达到期望值。+5V 输入VimLM2936-3.3+3.3VVout0.1uGNDGNDGND+12V10+12V
22、 输入+12VSMBJ10（D）AGNDRsVinGNDADJLXRhZXLD1350PWM-DACVout低通滤波器GND110110110110RfdRtcRmReAN0AN1AN2AN3GNDGND0.47uVinREF3033VoutGND+3.3VVccVssAVccAVssVrefR8C/20PWM2PWM1Isense图 6 简化电路图主芯片通过比较 Rtc 与 Rfd 的阻值，产生另一路占空比可调的脉冲信号 PWM1，PWM1 通过低通滤波器，将脉冲信号转化为发动机 ECU 可识别的模拟（05）V 模拟信号。由于实际中传送给发动机 ECU 的电压信号精度要求不是非常高，可以不采
23、用专用 DA 芯片，使用 PWM-DAC 的方式可以降低成本。5 结论以某款车用热膜式空气流量计样机为研究对象，以提供设计参考为目的，详细分析了样机的结构与性能。通过对样机实验得出以下结论：样机很好地阐明了热膜式空气流量计的检测原理，直观地显示了探头部分结构；样机可以检测不同流量的气体，并且具备良好的温度补偿效果，所测数据只与气体流量有关而与气体温度无关，样机可以为实用产品化设计提供参考。但同时，由于该样机各部分设计较为简单，导致样机存在热响应速度慢、热区不均匀、气流扰动大等一些问题，文中提出一些方案来解决这些问题。研究为热膜式空气流量计的设计提供了参考，可以有效缩短车用热膜式空气流量计产品的
24、开发周期。参考文献1周琼.热式气体质量流量计传感芯片的研制 D.武汉：华中科技大学，2009.2高德荣.BOSCHHFM5 型热膜式空气流量计的故障诊断 J.汽车维修.2007（7）：9-11.3童建平，陈慧萍.汽车用空气质量流量计的设计 J.传感器与微系统，2007，26（12）：80-84.4Malczynski，G.W.，Schroeder，T.An Ion-Drag Air Mass-Flow Sensor forAutomotiveApplications J IEEETransactions onIndustryApplications，1992，28（2）：304-309.5Ke
25、-Jun Xu.，Jin Zhang，Xiao-Fen Wang.Improvements of nonlineardynamicmodelingof hot filmMAF sensor J.Sensors andActuators A：P-hysical，2008，147（1）：34-40.6姚喜贵，郑伟.汽车空气流量计在线检测与评价系统的研制 J.汽车工程，2010，32（5）：447-450.7张兴安.捷达王热膜式空气流量计的检测及故障诊断 J.汽车电器，2008（6）：36-39.8张正南，陈林.汽车集成电路及其应用 M.北京：机械工业出版社，2008.机械设计与制造No.7July.201214