车用热膜式空气流量计分析与设计

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文章编号：1001-3997（2012）07-0012-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

第7期2012年7月

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

AnalysisandDesignofAutomotiveHot-FilmAirFlowMeter

ZHOUJing-yu，WENGui-lin，ZHANGBang-ji

（StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody，Hunan

University，Changsha410082，China）

【摘要】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，

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直观显示了探头部分结构。同时，

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】Aimingatlessoriginaldesignforautomotivehot-filmAFM（airflowmeter）inchina,withaprototypebasedonanalogcircuitasastudyobject，experimentsoftheprototypeareperformedafterana－lyzingtheheatingcontrolcircuit，detectioncircuitandsensorprobestructure.Theresultsshowthatthepro－totypecandetectairwithdifferentflowwithcertaintemperaturecompensation.TheprototypehasreflectedcorrectlythedetectiontheoryofAFMandhasrevealedintuitivelythestructureofsensorprobeaswell.Meanwhile，someinfluencefactorsontheperformanceofthehotzonearealsostudiedthroughexperiments，suchasanalogcontrolmethod，linearityofdetectionresistancesandetc.Atlast，adigitalsolutionbasedonautomotivechipsisproposedtosettlefaultsexistedintheanalogcircuit.ThestudyprovidessomereferencesforthedesignandmaintenanceofAFMwithcertainengineeringsignificanceandpracticalvalue.

KeyWords：Hot-FilmAFM；ControlCircuit；SensorProbe；AutomotiveChips

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BOSCHHFM5最具代表。国内公司的多款车型如捷达，桑塔纳，

＊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（[1**********]7）

中图分类号：TH12，TH814+.1

文献标识码：A

决方案，为热膜式空气流量计的设计与维修提供了参考。

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，对热要想生产出自己的热膜式膜式空气流量计的设计指导作用不大。

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，并对其电路部分及通过实验，检验了样机对气流的检测性能，同探头部分做了分析。

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

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。当无气流通过时，检测电阻的温度与热区保持一致；当（热敏电阻）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。

第7期周景宇等：车用热膜式空气流量计分析与设计13

2.2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，热膜式加热电阻空气流量计需要控制电路板和传感探头两个结构模块。与检测电阻布置在传感探头之上，置于进气通道中，其余电路部分则布置在控制电路板上。

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。

+5VRe1500

GND

Rtc

pt1001K

0.01uR9

GND

+5V

C7luC9lu

R11402K

U2OPA333

1

OUT

vout

C6

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9.8Ω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U1输出0V，Q1、Q2截止，加热电路停止加热。差为负时，

Re2500

1KR10

Radj30.01u500Rfdpt100

C8

4

R12402K

-IN

GND

GND

GND

图2信号检测电路

气流

2

12

GND

+5VGNDR1510

Rh

Re

Rm

R4

D2

1N5222

Radj1500

1K

0.01uR5

R2500

1KC3R3

lu0.01u500

P1

4

32

1voutpower_in

+5V

GNDR6

10C4

GND

C11u

C2

Heater

12V

9013

Q2B772

C5

Q1

Radj220K

a

+5V

cd

b

U1OPA333

1

OUT

0.01u

3GND4

-IN

2

V-V+

+IN

5

图3探头结构示意图

1.Rh加热电阻丝2.上游区检测电阻Rtc3.热区检测电阻Rm

4.下游区检测电阻Rfd

a.检测电阻层b.电阻丝加热层c.硅胶隔层d.石棉网保温层

+12V

GNDD1

GND

（C）ASMBJ10

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。实验中充分考虑了上下情况（由热区各检测电阻的阻值来反映）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）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（143.88~146.41）Ω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（138.4~139.68）Ω之间变化，浮动较小。（4）当环境温度下降至10.75℃时，热区温度要随之下降，其理论阻值应下降约2.33Ω（由曲线D和G可得），而实际热区温度下降约1.53Ω（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。

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（0~5）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。加热

[3]

V-V+

3样机分析

3

+IN

5

34

14

150148检测电阻（Ω）[***********]

1020

30

40

506070

采样点（N）

80

90

100

B

C

D

E

F

G

机械设计与制造

No.7

July.2012

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通过自带AD案，如图6所示。主芯片采用某公司R8C/Tiny系列，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，方案通主芯片根据Re和Rm的值，调节过该芯片实现加热电流控制[8]。

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

LM2936-3.3Vim

GND

+12V输入

+3.3V

Vout

10

SMBJ10（D）A

0.1u

+12VGND

+3.3VGND

REF3033

AN0

AN1AN2AN3

Vin0.47u

GND

Vout

GND

VccVssAVccAVssVref

GND

PWM2PWM1

VinGNDADJ

Rs

IsenseLX

ZXLD1350PWM-DAC低通滤波器

Vout

Rh

GND+12V

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。进行可以认为二此实验时，充分考虑了Re与Rm的线性度与一致性，者特性一致。以此来分析Rfd与Rtc线性度对结果的影响。（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阻值此时，输出电压有不变，将实验装置移至室温约15.05℃的环境下，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1.53Ω要略小于C、F之间的差值1.69Ω。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。

2.60

2.552.502.452.402.352.252.202.152.102.052.001.951.901.851.801.751.70

2

4

6

9101214采样点（N）

16

18

20

R8C/20

Re

GND

RmRtcRfd

[1**********]0

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（0~5）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，

输出电压（V）

B

CDEFG

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但同时，由气体温度无关，样机可以为实用产品化设计提供参考。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开发周期。

参考文献

图5检测电路输出电压曲线

［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.［4］Malczynski，G.W.，Schroeder，T..AnIon-DragAirMass-FlowSensorfor

AutomotiveApplications［J］．IEEETransactionsonIndustryApplications，1992，28（2）：304-309.［5］Ke-JunXu.，JinZhang，Xiao-FenWang.Improvementsofnonlinear

dynamicmodelingofhotfilmMAFsensor［J］.SensorsandActuatorsA：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.

4解决方案

在实用设计中，需要解决上述2.4.1中①②③④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BOSCHHFM5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

7]

，实现快速热平衡。同时，选用汽车专用芯片可有效制加热电流[5，