流量传感器LMM-01的结构原理及应用研究

1. 引言

随着我国经济建设步伐的加快，汽车开始越来越多的进入现代家庭，汽车电子也因此受到更多的重视。近些年来，国内外众多企业和学术科研机构投入了大量的人力物力，研究和开发新的汽车电子技术，并在某些领域取得了许多突破性的进展。

传感器技术作为现代工业控制四大支柱产业，在汽车电子的设计研究中占有突出的地位，传感器已成为汽车控制系统中的一个重要组成部分。通常一辆现代化的汽车，装备的传感器数可多达50～60个，而国外有些高级轿车，其装备的传感器数已达到数百个，至于概念型汽车装备的传感器数就更多了。传感器已成为世界装备市场上增长最快的领域之一。

事实上，应用于汽车上的传感器有很多种，目前主要有：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器以及速度、加速度传感器等等。这些汽车传感器的销售量约占有传感器总销售量的三分之一，其中流量传感器就是非常重要的一种传感器。

2. LMM-01的工作原理

流量传感器主要用于检测发动机的空气进气量和燃油喷射量，从而将空燃比控制在最佳值附近，此外流量传感器还广泛利用于排气再循环、防滑驱动、刹车防抱死系统以及电控悬架等许多方面。目前市场上用于检测燃料流量的传感器主要有水轮式和循环球式，其动态范围为0～60kg/h，工作温度在－40℃～120℃，精度为1％，响应时间为 10ms。

而由于气体的可压缩性，通常我们检测气体质量流量，市场上主要使用的有热线式流量传感器。这种传感器采用热耗散原理，将一个热线式敏感元件安放在空气入口的旁路中，在辅助热线元件的温度补偿作用下，检测空气质量流量。但是这种传感器的缺点是不能检测空气流量的回流波动。此外检测气体流量的传感器还有热膜式流量传感器、卡尔曼旋涡式传感器和压力式传感器。

LMM-01流量传感器是一种基于传统的热膜片风力计原理的新型传感器。该传感器是借助先进的薄膜片技术，将性能稳定的薄膜片电阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面缩短了传感器响应时间，另一方面也能测量出了回流流量。LMM-01的原理电路图可以参见图1所示，由于采用了前后桥电路，所以我们可以很方便的判断出流体流向，从而进一步测量出回流流量。

为了防止温度变化对测量精度的影响，传感器中采用了两片热敏电阻分别对前后桥进行了温度补偿。为了提高精度，两片用于测量温度的热敏电阻6、7与流体流向9平行布置，而用于测量流体流量的两片热电阻传感器4、5互相平行并与流向9垂直布置（如图2所示），其中3为传感部件，17、18都是 数量级的SiO2薄膜，19为Si底层，20为带状电导。

3. LMM-01在电喷系统中的应用研究

汽车电子技术是从电子控制燃油喷射技术开始的。随着电子技术的发展，电控燃油喷射经历了从电子管、晶体管、集成电路到微处理器控制，从模拟电子喷射到数字电子喷射的发展过程。

电控燃油喷射的目的是将空燃比控制在最佳值。所谓空燃比是指吸入到气缸里的工作混合气体中，空气质量和燃油质量的比值，通常最佳值在14.7左右。将空燃比控制在最佳值附近不仅能够减少有害废气的排放，而且能够提高燃油的经济性和车辆的动力性。显而易见，控制空燃比最主要的是要检测并控制到空气质量流量和燃油质量流量，因此流量传感器在电喷系统中是非常重要的传感器，其产品性能的优劣直接影响到控制效果的好坏。

由于LMM-01仅仅是敏感部件，所以我们首先需要设计外围电路（如图3所示），再将LMM-01与外围电路加工到流量计的机械部件中，从而生产出流量计。

21和22为跟随器，它可以提供给6稳定的电压，起解耦的作用，而23和24为工作放大器，其作用是分别放大前后桥输出电压 和 ，从而放大它们的差值信号。

6和7分别为前后桥的温度传感器，起温度补偿作用，4和5则分别为前后桥的热传感器，它们和微处理器16均为流量计的核心部件。工作时，由于流体对4和5的冷却不一致，导致了它们的阻值变化不同，从而可以得到不同的输出信号。根据这些信号，我们可以确定流量的方向和大小。

此外，前桥电路中，电阻R6和R7起分压作用，可以使跟随器21的输入电压钳制在一个稳定值，同理R16和R17也是起到在后桥电路的分压作用，而R4和R14分别协同4和5工作。

微处理器16的作用主要是修正测量值，并进一步提供温度补偿。通过标定，我们可以确定算法程序中的参数值，并能确定特征曲线方程和特征曲面的表。

由于微处理器16是直接给电喷系统的ECU输出信号的部件，而前后桥输出的信号是模拟量，所以微处理器16硬件设计中包含了ADC。软件设计中，程序包括了以下几个子程序：

a. 温度测量子程序ST1；

b. 正向流量修正子程序ST2；

c. 反向流量修正子程序ST3；

d. 温度补偿子程序ST4。

其中a、b、c均为单个自变量确定的特征曲线，而d却为两个自变量确定的特征曲面。因为两个自变量确定的特征曲面的测量和函数表示都非常困难，且计算量很大，所以该子程用增多测量点和线性插值的方法，来减小计算量，从而减少了响应时间。

在微处理器16，软件结构主控程序的流程图如图4所示。其中 为常数输出， 为输入电压， 和 分别为 的上下限。

将流量传感器LMM-01安装于发动机进气口处，用于测量电喷系统的进气量，通过数据记录，我们得到了如图5所示的波形图。其中，f和b分别表示气流状态是前向进气和气流回流，纵向坐标为输出电压（V），横向坐标为时间（t）。从图中，我们不难能够发现LMM-01能有效的识别出气流方向，并能如实的反映出气流量的大小变化情况。

4. 结束语

随着设计技术、材料技术以及新型的加工技术的产生和发展，未来流量传感器的趋势主要是朝着微型化、多功能化、集成化以及智能化的方向发展。特别是MEMS的出现，使得加工精度和生产效率得到了提高，从而大大降低了成本，对传感器市场的扩大起到了积极的作用。

由于流量传感器在汽车电子市场中占有重要比重，因此随着成本的降低和性能的提高，发展和应用流量传感器是汽车电子发展的必然，也是其他工业控制中无可置疑的发展趋势。