AFE-01流量芯片在汽车发动机进气量检测应用

2023-03-27 15:01

内燃机进气空气流量是一个非常重要的测量参数,因为汽油机空燃比的调节的方式是采用调整与进气量相匹配的喷油量,所以现在电控汽油机喷射系统能否准确的测量发动机的进气量，从而正确的将空燃比控制在所要求的范围内，决定了发动机的动力性、经济性和尾气排放等性能指标。空气质量流量传感器是当前汽车发动机电子控制燃油喷射系统中最关键的部件之一,是对发动机的空气进气量的准确测量的器件。在车用空气流传感器中，由于热式流量传感器具有无机械传动，无需对空气密度和压力进行补偿，响应速度快，测试灵敏度高，工作可靠性高等优点。因此，热式空气流量传感器发展非常迅速，且在汽车领域开始得到广泛的应用。

热式空气流量计主要有热线式空气流量计和热膜式空气流量计两种。

热线式空气流量计:在发动机进气量直接检测法中，由于热线式空气流量传感器的输出直接反映了空气质量流量的大小，无需进行空气密度补偿，无运动部件，不但工作可靠，而且响应快，缺点是在流速分布不均时误差较大。而且热线式空气流量计由于铂丝线细（约为70 u m)，进气通道中气流变化大，因而铂丝易断，现在汽车上应用较少。

(2）热膜式空气流量计:虽然热膜式空气流量计的工作原理和热线式空气流量计类似，但由于热膜式传感器不使用白金线作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻等用厚膜工艺制作，在同一陶瓷基片上，使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，从而增加了发热体的强度，不但使空气流量计的可靠性进一步提高，也使误差减小，性能更好，体积少，适合大批量生产，成本低。由以上对比可知选择热膜式空气流量计更合适。

如图-1所示是热膜式空气质量流量传感器的结构示意图，其主要组成有:机体、设置在机体内的空气通道及安装在空气通道中的空气流量传感器的传感单元和空气流量传感器的驱动电路,空气流量传感器的传感单元通过螺钉连接在机体上，包括有安置于空气通道内的传感头，传感头电信号连接驱动电路板以及固定传感头及其电路板的支撑架。

热线式空气流量计安装位置:空气滤清器和节气门体之间。

原理：

热膜式空气流量传感器属于量热式传感器，其原理是对传感器的传感单元进行加热，由于测量流体的流动导致传感单元上的热量会被气流带走，通过测量传感单元的热损耗来反映气体的质量流量。如下图-2，下面是一个电桥平衡的电路，R1为铂金薄膜发热电阻，电风速吹过R1时，热量被带走，温度下降导致R1阻值下降，为了保持电桥平衡，电路需要加大电流保持R1温度，导致输出电压Ua也升高。

发动机进气系统的组成：

进气系统的作用是根据发动机的不同工况，提供足够的干净新鲜空气与喷入进气歧管内的燃油按一定的比例混合后，供发动机燃烧。它由空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气管、进气室、进气歧管、怠速控制阀（IAC）以及各种传感器、配线、控制气体量及真空度的软管组成。

进气系统将一定量的新鲜空气经空气滤清器和空气流量计的测定后，进入发动机进气室，然后经由每缸的进气歧管被吸入发动机燃烧室。流入进气室的空气量由位于节气门体内的节气门开度和发动机转速确定。

由于发动机工作在高温(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100%RH，-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中，因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。否则，由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。空气流量传感器的主要技术指标为:工作范围0.11~103立方米/min，工作温度-40℃~120℃，精度≤2%。

工采传感器网上有一款采用MEMS技术的流量芯片传感器可以很好的作为发动机进气量系统中的流量计核心传感器。主要参数性能如下：ISWEEK公司品牌AFE-01的流量芯片，是欧洲原始生产厂家代工的公司。开发了装配有流速检测元件的MEMS流量传感器。拥有引以为傲的高级别灵敏度，可以精确检测达到0.001m/s的气体流速变化。生产出体积只有5 mm x 3.5 mm x 0.2 mm的芯片。AFE-01流量传感器由四个铂薄膜电阻组成，基于流速的函数，通过了解热传递，可以从维持恒定温度所需的电压补偿量来确定流速。同时AFE-01流量芯片因为体积小且耐高温（-20°C~150°C的工作环境），很好的温度补偿电路，非常适合应用在发动机进气流量计中使用。

AFE-01具有以下特点:

体积非常小，双流向检测、检测小质量物体的流动、简单的信号处理电路和标定、完全固定的机械元件、优异的重复性、优异的长期稳定性、适用于多种行业或安装到不同外壳、最优的性价比。如图：