CN101995279B - 热式流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热式流量传感器，包括电源电路、场效应管、惠斯登电桥、运算放大器电路以及微控制器。场效应管的漏极与电源电路相连。惠斯登电桥包括分别设置有发热电阻及感温电阻的两个桥臂，且两个桥臂的公共点与场效应管的源极相连，并作为反映当前空气质量流量的检测电压输出点。运算放大器电路分别与惠斯登电桥的两个桥臂中间节点相连，且其输出端连接至场效应管的栅极，用于通过控制场效应管源极流出的电流，来调节流经发热电阻的电流，并使发热电阻的表面温度保持稳定。微控制器的输入端与场效应管的源极相连，用于对场效应管源极上的检测电压进行处理，并输出一个表示当前空气质量流量的频率信号。本发明具有精度高、稳定性强的优点。

Description

热式流量传感器

技术领域

本发明涉及一种热式流量传感器，特别涉及一种汽车用的热式流量传感器。

背景技术

热式流量传感器是利用气流中的发热物质与被测空气之间热量交换关系来测量当前的空气质量流量的一种传感器，空气质量流量是指单位时间内流过的空气质量。其中，热式流量传感器是以金属丝绕线制成的发热电阻作为发热物质的。发热电阻被放置于气流当中，其表面与空气发生热交换，通过传感器电路对热交换的某些参数进行检测，并得到发热电阻附近的气体流量，从而推算出整个管道的气体流量。

另外，在发热电阻与空气发生热交换的同时，还需要保持发热电阻温度的稳定，因此在热式流量传感器中，通常要利用电桥来对发热电阻的温度进行补偿，使测量值不因温度或压力的波动而失准。

然而，由于空气流量的不稳定性，使空气流量与电信号的对应关系也是非线性的，从而也使得对发热电阻的温度补偿具有较大的难度。近年来，随着各种补偿技术不断提高，使热式流量传感器的精度有了很大的提高，测量范围也不断扩大。但是，因为发热电阻存在差异性，使得产品批量生产时较为困难。这种困难主要体现在需要对电桥的下桥臂电阻进行微调才能使电桥自动平衡后的各点电参数满足精度要求。目前一些国外知名厂家一般采用碳膜电阻作为电桥的下桥臂电阻，利用“光蚀”对碳膜电阻进行细调，从而调整发热电阻的工作点。这种工艺的精度高，可以实现对碳膜电阻进行精细调整，但是其设备技术要求高，价格较贵。

2003年1月22日公告的CN1392393A中国发明专利公开了一种“测温式流速流量测量的方法和测温式流速流量计电路”。其方法是利用时间记数电路测量出经加温后的测温电阻在流体中的温度下降的降温曲线，从而确定流体的流速和流量。同时还提供了实现该方法的电路。虽然这种方法的电路，容易实现，但是由于需要对各种流量的介质的降温曲线进行测量，数据量大，使得对控制芯片的要求增大。另外，流量计的响应速度受测温元件分辩率限制。

2007年8月8日公告的CN101013043A中国发明专利公开了一种“热式流量传感器”，在该发明中涉及到一种电路，对多个发热电阻体中温度低的发热电阻体的电阻变化进行检测，并按照该电阻变化的检测值来控制向所述多个发热电阻体的供给电流。但是在这些方案中，电桥电压的放大采用了传统方法的开环放大，信号输出的稳定性无法保证。

综上所述，现有的热式流量传感器由于在对发热电阻的温度补偿具有较大的难度，因此存在着精度低、信号输出的稳定性差等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种热式流量传感器，以解决现有的热式流量传感器精度低、信号输出的稳定性差的缺点。

本发明提出一种热式流量传感器，设置于汽车发动机进气口，用于对汽车发动机进气口的空气质量流量进行测量，包括电源电路、场效应管、惠斯登电桥、运算放大器电路、微控制器以及快速启动电路。场效应管的漏极与电源电路相连。惠斯登电桥包括分别设置有发热电阻及感温电阻的两个桥臂，且两个桥臂的公共点与场效应管的源极相连，并作为反映当前空气质量流量的检测电压输出点。运算放大器电路分别与惠斯登电桥的两个桥臂中间节点相连，且其输出端连接至场效应管的栅极，用于通过控制场效应管源极流出的电流，来调节流经发热电阻的电流，并使发热电阻的表面温度保持稳定。微控制器的输入端与场效应管的源极相连，用于对场效应管源极上的检测电压进行处理，并输出一个表示当前空气质量流量的频率信号。快速启动电路用于通过微控制器的控制使发热电阻在热式流量传感器刚运行时能够快速加热到工作温度，其中，快速启动电路又包括二极管及保护电阻，二极管与保护电阻串联后设置在微控制器及运算放大器电路之间。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，微控制器包括模数转换模块、寄存器及频率信号调取模块。模数转换模块与微控制器的输入端相连，用于将反映当前空气质量流量的检测电压转换为数字量。寄存器用于存放检测电压与其对应频率信号的数据表格。频率信号调取模块分别与模数转换模块及寄存器相连，用于根据转换后的数字量调取出寄存器中对应的频率信号，并传输给微控制器的输出端。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，惠斯登电桥的一个桥臂包括发热电阻、第一分压电阻及第二分压电阻，第一分压电阻与第二分压电阻串联后与发热电阻并联，且第一分压电阻与第二分压电阻之间作为桥臂的中间节点与运算放大器电路相连。惠斯登电桥的另一桥臂包括感温电阻、工作点调节电阻及下桥臂电阻，感温电阻与工作点调节电阻及下桥臂电阻串联，且工作点调节电阻与下桥臂电阻之间作为桥臂的中间节点与运算放大器电路相连。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，运算放大器电路包括运算放大器、电阻及电容。运算放大器的正向端和反向端分别连接至惠斯登电桥两个桥臂的中间节点，且运算放大器的输出端与电阻及电容串接后连接至运算放大器的反向端。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，运算放大器电路还包括滤波电容，其设置于运算放大器的正向端和反向端之间，用于去除差模信号的高频噪声。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，其还包括一差动放大电路，其设置在微控制器的输入端及场效应管的源极之间，用于将检测电压调整至微控制器的电压处理范围内。其中，差动放大电路又包括放大器及反馈电阻，放大器的正向端连接至场效应管的源极，输出端串联反馈电阻后连接至反向端，且放大器的输出端连接至微控制器的输入端。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，电源电路进一步包括保护二极管、第一电容及第二电容。保护二极管的正极与电源电压相连，负极连接至场效应管的漏极，第一电容设置在保护二极管的正极与接地端之间，第二电容设置在保护二极管的负极与接地端之间。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，电源电路还包括电荷泵电路，其用于提高运算放大器电路的输出动态范围。其中，电荷泵电路又包括三极管、开关电容、充电二极管及开关二极管。三极管的集电极连接至微控制器的输出端，发射极接地，集电极串接一电阻后连接至电源电压。开关电容的一端与三极管的集电极相连，充电二极管的正极连接至电源电压，其负极连接至开关电容的另一端。开关二极管的正极与开关电容的另一端相连，其负极连接至运算放大器电路。

依照本发明较佳实施例所述的热式流量传感器，其还包括参考电源电路，用于输出参考电压。其中，参考电源电路又包括稳压管及分压电阻，该稳压管与分压电阻并联后设置在电源电压及接地端之间，并从稳压管的负极向微控制器输出一个参考电压。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用运算放大器电路使流经惠斯登电桥的电流保持在一个很小的变化范围内，因而使发热电阻得到了很好的温度补偿，使其近似保持在恒温状态，此时，流经发热电阻的电流可以准确地反应当前的空气质量流量，保证了热式流量传感器的测量精度和测量稳定性。

2、本发明采用微控制器来代替以往用电阻所做的硬件细调过程，只要修改微控制器的预设参数就可以方便地克服电路元件差异性对传感器精度的影响，细调过程简单快捷，且微控制器价格低廉，适合热式流量传感器的大量生产。

3、本发明的热式流量传感器还带有一个快速启动电路，在开机后的一个短暂时间内，发热电阻将得到最大电流，使其在最短时间内加热到工作温度，提高了热式流量传感器的工作效率。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种前级部分电路图；

图2为本发明实施例的一种后级部分电路图；

图3为本发明实施例的一种微控制器结构示意图；

图4为获取微控制器片内数据表格的测试装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。为了便于理解本发明，现根据各电路的功能区分，将本发明的热式流量传感器分为前级部分与后级部分。前级部分用来感应当前的空气质量流量，为后级部分提供原始信息。后级部分用来完成对前级部分输出信号的处理，完成对信号的调理、滤波、转换及输出。本发明中所述的连接特指电路之间或电路与元件或元件之间直接或间接的电性连接。

首先对于本发明热式流量传感器的前级部分进行说明。它通过放置在流场当中的发热电阻Rh与空气发生的热交换程度来反映流量大小。发热电阻Rh具有正温度系数，一般由绕在陶瓷管上的铂金丝制作而成。如图1所示，本实施例的前级部分由电源电路I、惠斯登电桥II、运算放大器电路III、场效应管M1以及快速启动电路IV组成。电源电路I中，外部12V电源VCC经过第一电容C1滤波并通过保护二极管D1，再接第二电容C2滤波后作为电源电压输入给整个传感器。另外，由于汽车蓄电池的输出电压一般在12V左右，这就制约了运算放大器电路III的输出动态范围。并且，为了实现快速启动也希望有一个比较高的电压。因此，电源电路I的主要部分是一个为运算放大器电路III供电的电荷泵。其中，微控制器U2的OUT脚输出的一个方波信号经过偏置电阻R18后输入三极管Q1的基极，控制三极管Q1的集电极和发射极通断交替。当集电极与发射极导通时，集电极电位被拉低，电源电压经过开关二极关D3为开关电容C9充电，使开关电容C9两极存在电势差。紧接着，集电极与发射极变换为关断，集电极电位被拉高并接近电源电压。由于开关电容C9两极间的电势无法突变，因而在开关电容C9的另一端也就是开关二极关D3的负极的电位变成三极管Q1的集电极电位与开关电容C9两极电势之和，并随着开关电容C9放电而有所减小。开关二极管D4可以抑制负载对开关电容C9充电时期的影响。在滤波电容C11的作用下，从开关二极管D4的负极可以输出一个18V以上的直流电压。

图1中的惠斯登电桥II由左右两桥臂组成。在左桥臂上，第一分压电阻R2、第二分压电阻R3形成的串联支路与发热电阻Rh并联后作为电桥的左上桥臂与下桥臂电阻R4串联。电桥的右桥臂由感温电阻Rt、工作点调节电阻R5以及下桥臂电阻R6串联而成。两个桥臂的上公共点Vcom是整个前级部分的信息输出点，左右桥臂中间节点N1和N2反应电桥的平衡状况，被运算放大器电路III进行放大。

在运算放大器电路III中，运算放大器U1A的反相端与输出端接有电阻R9与电容C7的串联支路，并与电阻R7、电阻R8共同组成了一个比较典型的比例积分PI调节器。PI调节器作用是对N1与N2节点的电信号进行差动放大，而稳定是其最大的特点，从而有效地抑制噪声波动与振荡。值得注意的是，PI调节器的两个系数——比例系数和积分系数需要进行仿真和实验确定，以达到最佳性能，最后由这两个系统来确定具体的电路参数值。在运算放大器U1A的同相端与反相端之间接有一个小容值滤波电容C6，用来抑制信号源差模信号中的高频噪声。另外，电容C5接在运算放大器U1A的同相端，与电阻R7组成一个RC电路，用于除去信号中的共态噪声。运放的输出经过电容C3滤波后输出到场效应管M1的栅极，作为控制信号来调节流经惠斯登电桥II的电流。

前级部分的另一个特征是：快速启动电路IV。由于希望发热电阻Rh在开机后能够快速加热到工作温度，所以在开机后的一个短暂时间内，由微控制器U2的控制端Vsta脚发出一个高电平信号，经过一个保护电阻R10后接到运算放大器U1A的同相端。

前级部分原理是：在热式流量传感器开机后，微控制器U2的Vsta脚发出一个高电平信号，从而使运算放大器U1A输出饱和电压，场效应管M1为电桥提供最大电流，从而使发热电阻Rh快速加热至工作温度范围。短暂的加热后，微控制器U2的OUT脚复位，快速启动完成，热式流量传感器开始进行空气质量流量的测量。当流量出现波动时，比如流量变大时，发热电阻Rh表面的热对流加剧，从而使发热电阻Rh温度下降。由于发热电阻Rh具有正温度系数，因此发热电阻Rh阻值降低，从而使流经下桥臂电阻R4的电流增大，提高N1点的电位。经过PI调节器后加在场效应管M1栅极的电位升高，这样由场效应管M1源极流出的电流增加，两桥臂公共端VCOM点的电位提高，流经发热电阻Rh的电流增加。根据焦耳定律Q＝I²R可知，发热电阻Rh的产生的热量变大，表面温度提高。经过上述的反馈过程使得发热电阻Rh的表面温度保持稳定。两桥臂公共端VCOM点的电位与当前的空气质量流量有对应关系。另外，为了抑制空气流温度对测量的影响，在电桥的另一个桥臂中加入了感温电阻Rt。感温电阻Rt同样具有正温度系数，因而可以抑制空气流温度的影响，对电路进行温度补偿。

下面对本发明热式流量传感器的后级部分进行说明。如图2所示，后级部分主要由参考电源电路V、差动放大电路VI以及微控制器U2组成。参考电源电路的稳压管U4内部有一个精准电压，通过分压电阻R19和分压电阻R20串连支路的分压作用，在稳压管U4的阴极也就是图2中的Vref点产生一个参考电压。参考电压引入微控制器U2作为内部AD(模数)转换的参考电平。另一方面，Vref点串联电阻R14后接到了放大器U1B的反相端，作为差动放大电路VI的参考电平。前级部分的Vcom点电压经过电阻R12和电阻R13分压后，接到放大器U1B的同相端。在放大器U1B的输出端与反相端接有反馈电阻R11和电容C8。电容C8加入了积分成分，可以消除噪声并提高放大器U1B的稳定性，使整个差动放大电路VI具有一阶惯性电路特性。Vcom点的电压信号经过放大器U1B处理后输出，经过一个由电阻R15和电容C10组成的RC滤波电路后输送到微控制器U2。

后级部分原理：由于Vcom点信号的电压值一般在3V-6V的范围内，这超出了微控制器U2的片内AD转换的范围。因此，引入了差动放大电路VI。假设差动放大电路VI的输出电压Vout，根据电路图可以得到：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{R_{12}(R_{11}+R_{14})}{R_{14}(R_{12}+R_{13})}[V_{\mathrm{Com}}-\frac{R_{11}(R_{12}+R_{13})}{R_{12}(R_{11}+R_{14})}{V}_{\mathrm{ref}}]$

电路的电阻满足：

R₁₁+R₁₄＝R₁₂+R₁₃

设： $A=\frac{R_{12}}{R_{14}},B=\frac{R_{11}}{R_{12}}$

则可以得到

V_out＝A·(V_Com-B·V_ref)

调节反馈电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14的电阻值可以得到适合要求的电压信号。

所述经过差动放大后的电压信号被输送给微控制器U2，由微控制器U2对信号进行转换并以频率形式输出。在此过程中可以在软件上对微控制器U2的参数进行微调，从而避免了微调时的电阻的硬件改动。

请参见图3，其为本发明实施例的一种微控制器结构示意图。微控制器U2包括输入端31、模数转换模块(AD模块)32、寄存器33、频率信号调取模块34及输出端35。AD模块32分别与输入端31相连，寄存器33与AD模块32相连，频率信号调取模块34分别与寄存器33及输出端35相连。其具体的工作原理是这样实现的：微控制器U2内部的AD模块32对输入端31的信号电压进行数模转换后，得到一个数字量D10B。这个AD模块32具有10位精度，当然，使用具有更高精度的微控制器也是可以的。微控制器U2内的寄存器33中建有一个数据表格，表格中存储了信号电压AD转换后各种可能的转换结果所对应的输出信号值，即传感器输出的频率信号。频率信号调取模块34利用上述的数字量D10B可以容易得到当前流量对应的输出频率值，并传输给微控制器U2的输出端35。

值得注意的是微控制器U2片载数据表格的确定方法。如上所述，微控制器U2替代了电桥电阻的硬件微调，而这种微调是通过修改片载数据表格来实现的。如图4所示，一个仅带有本发明前级部分的一个传感器2与一个精密的热式流量传感器3安装于一个封密直管1，一个稳定可调风源4用于产生直管1内的空气气流。一个电压测量装置对电路中的Vcom点电压进行在线测量，并与标准流量传感器的流量Df一起传送给计算机5。通过在传感器设计量程内均匀地采集若干组(Df：Vcom)数据组，并根据输出信号形式的要求进行转换后得到若干输出频率值对应Vcom电压数据(F：Vcom)。将(F：Vcom)数据进行曲线拟合后得到输出频率值F与对应Vcom电压的关系式F＝f(Vcom)。然后，根据AD模块的精度对关系式F＝f(Vcom)进行离散，并修改数据表格。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明利用运算放大器电路使流经惠斯登电桥的电流保持在一个很小的变化范围内，因而使发热电阻得到了很好的温度补偿，使其近似保持在恒温状态，此时，流经发热电阻的电流可以准确地反应当前的空气质量流量，保证了热式流量传感器的测量精度和测量稳定性。

2、本发明采用微控制器来代替以往用电阻所做的硬件细调过程，只要修改微控制器的预设参数就可以方便地克服电路元件差异性对传感器精度的影响，细调过程简单快捷，且微控制器价格低廉，适合热式流量传感器的大量生产。

3、本发明的热式流量传感器还带有一个快速启动电路，在开机后的一个短暂时间内，发热电阻将得到最大电流，使其在最短时间内加热到工作温度，提高了热式流量传感器的工作效率。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热式流量传感器，设置于汽车发动机进气口，用于对汽车发动机进气口的空气质量流量进行测量，其特征在于，包括：

一电源电路；

一场效应管，其漏极与该电源电路相连；

一惠斯登电桥，其包括分别设置有一发热电阻及一感温电阻的两个桥臂，且两个桥臂的公共点与该场效应管的源极相连，并作为反映当前空气质量流量的检测电压输出点；

一运算放大器电路分别与惠斯登电桥的两个桥臂中间节点相连，且其输出端连接至场效应管的栅极，用于通过控制场效应管源极流出的电流，来调节流经发热电阻的电流，并使发热电阻的表面温度保持稳定；

一微控制器，其输入端与该场效应管的源极相连，用于对该场效应管源极上的检测电压进行处理，并输出一表示当前空气质量流量的频率信号；

一快速启动电路，用于通过该微控制器的控制使该发热电阻在该热式流量传感器刚运行时能够快速加热到工作温度，其中，该快速启动电路又包括一二极管及一保护电阻，该二极管与该保护电阻串联后设置在该微控制器及该运算放大器电路之间，微控制器的控制端Vsta脚发出一个高电平信号，经过二极管、保护电阻后接到运算放大器的同相端。

2.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，该微控制器包括：

一模数转换模块，其与该微控制器的输入端相连，用于将反映当前空气质量流量的检测电压转换为数字量；

一寄存器，用于存放检测电压与其对应频率信号的数据表格；

一频率信号调取模块，其分别与该模数转换模块及该寄存器相连，用于根据转换后的数字量调取出该寄存器中对应的频率信号，并传输给该微控制器的输出端。

3.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，该惠斯登电桥的一个桥臂包括该发热电阻、一第一分压电阻及一第二分压电阻，该第一分压电阻与该第二分压电阻串联后与该发热电阻并联，且该第一分压电阻与该第二分压电阻之间作为该桥臂的中间节点与该运算放大器电路相连；

该惠斯登电桥的另一桥臂包括该感温电阻、一工作点调节电阻及一下桥臂电阻，该感温电阻与该工作点调节电阻及该下桥臂电阻串联，且该工作点调节电阻与该下桥臂电阻之间作为该桥臂的中间节点与该运算放大器电路相连。

4.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，该运算放大器电路包括一运算放大器、一电阻及一电容，该运算放大器的正向端和反向端分别连接至该惠斯登电桥两个桥臂的中间节点，该运算放大器的输出端连接至该场效应管的栅极，且该运算放大器的输出端与该电阻及该电容串接后连接至该运算放大器的反向端。

5.如权利要求4所述的热式流量传感器，其特征在于，该运算放大器电路还包括一滤波电容，其设置于该运算放大器的正向端和反向端之间，用于去除差模信号的高频噪声。

6.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，其还包括一差动放大电路，其设置在该微控制器的输入端及该场效应管的源极之间，用于将检测电压调整至该微控制器的电压处理范围内，其中，该差动放大电路又包括一放大器及一反馈电阻，该放大器的正向端连接至该场效应管的源极，输出端串联该反馈电阻后连接至该反向端，且该放大器的输出端连接至该微控制器的输入端。

7.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，该电源电路进一步包括一保护二极管、一第一电容及一第二电容，该保护二极管的正极与电源电压相连，负极连接至该场效应管的漏极，该第一电容设置在该保护二极管的正极与接地端之间，该第二电容设置在该保护二极管的负极与接地端之间。

8.如权利要求7所述的热式流量传感器，其特征在于，该电源电路还包括一电荷泵电路，其用于提高该运算放大器电路的输出动态范围，其中，该电荷泵电路又包括：

一三极管，其集电极连接至该微控制器的输出端，发射极接地，集电极串接一电阻后连接至电源电压；

一开关电容，其一端与该三极管的集电极相连；

一充电二极管，其正极连接至电源电压，其负极连接至该开关电容的另一端；

一开关二极管，其正极与该开关电容的另一端相连，其负极连接至该运算放大器电路。

9.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，其还包括一参考电源电路，用于输出一参考电压，其中，该参考电源电路又包括一稳压管及一分压电阻，该稳压管与该分压电阻并联后设置在电源电压及接地端之间，并从该稳压管的负极向该微控制器输出一参考电压。

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