空氣流量計(jì)（AFM）一般安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來測(cè)量吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣量的多少，作為確定燃油噴射量的主要參數(shù)，對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、提高燃油經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用。熱膜式空氣流量計(jì)的功能是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上，采用硅膜或者其他材料制造熱膜，配合相應(yīng)電路板實(shí)現(xiàn)空氣流量到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。長(zhǎng)期以來空氣質(zhì)量流量計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和磚利技術(shù)一直掌握在國外某些大型汽車零配件制造商手中，國內(nèi)熱膜式空氣流量計(jì)產(chǎn)品仍然以模擬輸出型為主，相關(guān)文獻(xiàn)也主要以模擬流量計(jì)分析、新型電路設(shè)計(jì)等為主。
熱膜式空氣流量計(jì)具有很明顯的非線性特性而容易導(dǎo)致輸出誤差，針對(duì)這種動(dòng)態(tài)特性的非線性問題，目前大多僅從機(jī)理上研究和證明，尚未提出過相應(yīng)的解決思路。XUKe-jun等提出以綜合信息方法分析了空氣流量傳感器在不同進(jìn)氣量下的特性，用于進(jìn)氣量的控制；王肖芬用時(shí)變自回歸滑動(dòng)平均RMA均模型描述AFM傳感器的動(dòng)態(tài)非線性特性，預(yù)測(cè)傳感器的響應(yīng)，但這些方法計(jì)算復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，也不利于傳感器的動(dòng)態(tài)校正。美國磚利采用電控單元中的查表式算法，對(duì)于特定的傳感器應(yīng)用提供一種線性校正方法，但改進(jìn)思路是在發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法上進(jìn)行控制，對(duì)于不同傳感器，其效果并不能得以很好地體現(xiàn)，而且不易實(shí)現(xiàn)通用化和產(chǎn)品化。
本研究針對(duì)上述問題進(jìn)行某船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用的空氣流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于使用環(huán)境對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)布置的特殊要求，模擬信號(hào)直接傳送較為困難而且影響傳送精度，因此筆者采用微處理器與熱膜傳感單元接合的數(shù)字輸出型設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
傳感器主要組成包括惠斯登電橋電路、電橋自動(dòng)平衡電路、功率放大電路、微處理器電路（含A/D轉(zhuǎn)換）、D/A轉(zhuǎn)換電路以及信號(hào)輸出電路等，智能空氣流量計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
主體電路采用了反饋電路，工作時(shí)，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，并且空氣質(zhì)量流量越大，被帶走的熱量也就越多，其電阻值減小越多。因此電路中輸入到運(yùn)算放大器的電壓也隨之而變，由于輸入到運(yùn)算放大器的電壓變化將引起反饋放大器電壓發(fā)生改變，結(jié)果通過熱膜的電流隨之改變，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時(shí)供給電橋的電壓己經(jīng)發(fā)生了變化，因此電橋電壓的變化能反映空氣的流量的變化，這個(gè)橋路電壓作為測(cè)量空氣流量的電信號(hào)引入帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的微處理器電路進(jìn)行處理，將電橋輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過線性化處理后，輸出電壓信號(hào)，成為輸出信號(hào)供ECU作為判斷信號(hào)使用。
1.1 微處理器的選擇
本研究選用Freescale的MC9S08QD4汽車級(jí)芯片作流量計(jì)的微處理器，主要基于如下原因：
（1）芯片內(nèi)含8位A/D轉(zhuǎn)換器，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)控制精度要求。該設(shè)計(jì)所適用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行空燃比計(jì)算時(shí)，若采用雙區(qū)或多區(qū)燃燒模型對(duì)燃燒過程進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，準(zhǔn)確性高但計(jì)算量大，所以只用作離線計(jì)算，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)筆者采用對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，因此選擇與其運(yùn)算與處理要求相適應(yīng)的處理器。
（2）作為一種經(jīng)濟(jì)型微處理器，其內(nèi)含HCS08系列內(nèi)核、時(shí)鐘以及總線接口與流量計(jì)的需求接口和功能相適應(yīng)?？纱蟠鬁p小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外圍接口，同時(shí)不至于引起處理器接口的浪費(fèi)。
（3）該芯片具有應(yīng)用于汽車的背景而且體積非常小，能耐受并適應(yīng)流量計(jì)的特殊使用環(huán)境。
1.2 微處理器與信號(hào)輸出電路
微處理器與信號(hào)輸出電路如圖2所示，經(jīng)過級(jí)差動(dòng)放大器的電橋輸出信號(hào)被輸入到微處理器的兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換接口。微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理后輸出給D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器按照時(shí)序?qū)?shù)字量改變?yōu)槟M量，與其相連的運(yùn)算放大器對(duì)來自D/A轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)進(jìn)行放大產(chǎn)生一定大小的電流輸出，利于保證流量計(jì)與ECU之間信號(hào)傳輸?shù)慕研浴?br />1.3 電橋自動(dòng)平衡電路
電橋自動(dòng)平衡電路如圖3所示，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。此時(shí)電橋不再處于平衡狀態(tài)，輸出電壓也改變。改變后的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器的多級(jí)放大后控制電橋的輸入電壓，使通過熱膜電阻的電流隨著變化，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時(shí)電橋輸出電壓與通過熱膜電阻的流體質(zhì)量流量相關(guān)，通過測(cè)量電橋輸出電壓，可經(jīng)換算得出空氣的質(zhì)量流量。
電橋自動(dòng)平衡電路的輸出電壓信號(hào)進(jìn)入功率放大電路，由其變?yōu)殡娏餍盘?hào)供給惠斯登電橋的輸入端。由于輸入信號(hào)含同相電壓，級(jí)采用差動(dòng)放大，以提高抗共模*力。為了提高電橋輸出端的增益，輸出端的電壓采用了多級(jí)放大的方式，通過配合不同反饋電阻值，可以調(diào)節(jié)輸出端的電壓增益的大小。
2 系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定
空氣質(zhì)量流量計(jì)整個(gè)電路裝在管道中，受環(huán)境溫度影響較大，空氣的熱傳導(dǎo)、密度、粘性以及空氣與熱膜電阻之間的溫差都與空氣溫度緊密相關(guān)，空氣溫度的改變必然會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)輸出信號(hào)的改變，所以空氣質(zhì)量流量計(jì)要進(jìn)行標(biāo)定。
系統(tǒng)將流量計(jì)電橋電壓與流量之間的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系建立對(duì)應(yīng)表格，找出流量計(jì)固有誤差與輸出值之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。在流量計(jì)的數(shù)據(jù)庫中，預(yù)先存放了標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)不同測(cè)試點(diǎn)的電壓值、流量值以及相鄰兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間直線斜率，數(shù)據(jù)按每3個(gè)為一組的形式儲(chǔ)存起來。標(biāo)定時(shí)，流量計(jì)輸出電壓信號(hào)經(jīng)過微處理器的A/D轉(zhuǎn)換后，將該值與存儲(chǔ)單元中的電壓值進(jìn)行多次重復(fù)比較，直到被調(diào)用的測(cè)試點(diǎn)的數(shù)值超過傳感器的實(shí)際輸出值并與之*為接近，依此讀出標(biāo)準(zhǔn)流量以及相鄰兩測(cè)試點(diǎn)的斜率，并以此計(jì)算流量計(jì)的輸出值，具體實(shí)現(xiàn)程序如圖4所示。
標(biāo)定后的空氣質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)流量即可根據(jù)標(biāo)定對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行修正后輸出，而且不受空氣密度影響，所以在海拔高的地區(qū)通用也無需另作標(biāo)定。
3 輸出信號(hào)誤差與矯正
電路中使用的運(yùn)算放大器具有低漂移、高增益特性，元件參數(shù)不可能對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生失調(diào)電壓且其大小與環(huán)境溫度有關(guān)。另一方面，環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響熱膜電阻的熱耗散率，進(jìn)而影響傳感器的輸出電壓，因而電路中設(shè)有溫度補(bǔ)償電阻來補(bǔ)償因電阻加工等原因而引起的固有誤差。溫度補(bǔ)償電阻加工精度要求很高，加工誤差也會(huì)影響到補(bǔ)償電阻處的電壓值，而且由于電阻熱敏系數(shù)具有非一致性，存在對(duì)溫度的交叉敏感，使該電壓還與環(huán)境溫度、空氣流速都有關(guān)系，空氣流量存在因工況不一致引入的誤差。
為了在程序中矯正上述非線性誤差，本研究將電橋中溫度補(bǔ)償電阻處的電壓值引入微處理器，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在實(shí)際工況下的測(cè)試結(jié)果計(jì)算測(cè)量偏差，找出系統(tǒng)因補(bǔ)償電阻引起的固有誤差與流量計(jì)輸出之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)流量計(jì)的輸出值進(jìn)行誤差補(bǔ)償，設(shè)xi為溫度補(bǔ)償電阻電壓值，令誤差補(bǔ)償f（x）用多項(xiàng)式表示為：
設(shè)yi為流量計(jì)實(shí)際工況下的測(cè)量偏差，因此，誤差補(bǔ)償值要使式（2，3）中的偏差e的平方和E為?。?br />根據(jù)極值理論，要使E達(dá)到小，必須使：
根據(jù)上式可建立方程組，通過解方程組可得各階多項(xiàng)式系數(shù)，從而求得多項(xiàng)式擬合曲線。對(duì)流量計(jì)進(jìn)行多項(xiàng)式誤差補(bǔ)償后，即可使流量計(jì)測(cè)量精度控制在允許范圍內(nèi)。而且對(duì)于不同管徑、不同流量范圍的空氣質(zhì)量流量計(jì)，無需進(jìn)行硬件上的改動(dòng)，而是直接通過對(duì)微處理器的運(yùn)算程序以及查表數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)就可以改變誤差補(bǔ)償值，使流量計(jì)在硬件性能變化或工況改變時(shí)保持原有精度。
4 測(cè)試結(jié)果與分析
該流量計(jì)設(shè)計(jì)精度為1%，量程為0~500kg/h，為了對(duì)空氣流量計(jì)的綜合性能進(jìn)行分析，對(duì)空氣流量計(jì)的測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩部分進(jìn)行。靜態(tài)性能測(cè)試是使流量計(jì)通過一定流量的空氣并使空氣流量平穩(wěn)的變化，測(cè)量傳感器的輸出與真實(shí)值之間的關(guān)系即電壓流量關(guān)系，測(cè)得的流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)電壓流量曲線關(guān)系如圖5所示。
被測(cè)流量計(jì)靜態(tài)性能曲線和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)得曲線差值在0.2V以內(nèi)；動(dòng)態(tài)測(cè)試通過流量計(jì)的空氣流量發(fā)生突變時(shí)流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間來描述，實(shí)際測(cè)量值為10ms。綜合結(jié)果表明了性能符合要求。
本研究對(duì)該空氣流量計(jì)進(jìn)行溫度對(duì)比試驗(yàn)，熱膜電阻設(shè)計(jì)在工作溫度下（95℃）電阻值為5Ω。筆者取兩臂電阻之比為1∶300，在相同空氣流量條件下選溫度80℃，與20℃時(shí)的電壓誤差進(jìn)行比較，得到不同流量下的誤差值的變化曲線如圖6所示。圖6中，之所以在小流量范圍內(nèi)誤差較大，是由于流體特性和熱輻射所造成的，而系統(tǒng)在一定流量范圍內(nèi)可以達(dá)到誤差總和小，從而保證所需的精度范圍。
5 結(jié)束語
本研究結(jié)合雙燃料船舶為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)熱膜式空氣流量計(jì)，用微控制器與運(yùn)算放大器、功率放大器以及信號(hào)輸出電路等硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)的使用可靠性。筆者采用查表方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)自動(dòng)標(biāo)定和校準(zhǔn)功能。針對(duì)傳感器的非線性誤差，本研究充分利用處理器片內(nèi)硬件資源進(jìn)行誤差補(bǔ)償，保證了流量計(jì)的輸出精度，其精度也可以在微處理器中的程序中改動(dòng)。測(cè)試結(jié)果表明，流量計(jì)響應(yīng)迅速、測(cè)量精度高，整體設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值。
