第一节 热膜式空气流量传感器
一、热膜式空气流量传感器的结构
热膜式空气流量传感器是热线式空气流量传感器的改进型（大众CC、新帕萨特），它的发热体是热膜（由发热金属铂固定在薄的树脂膜上制成）而不是热线。热膜式空气流量传感器发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了流量计的可靠性。与热线式流量传感器相比，热膜式流量计的热膜电阻的阻值较大，消耗电流较小，使用寿命也较长。但是由于其发热元件表面的一层保护薄膜存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差。热膜式空气流量传感器结构及内部元件如图2-1所示。
热膜式空气流量传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套（相当于取样套），热膜电阻设在护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止空气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻。温度补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接，控制电路与线束插接器插座连接，线束设在传感器壳体中部。
二、热膜式空气流量传感器的工作原理
热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器的工作原理大致一样。在热膜式流量传感器中，采用了恒温差控制电路来实现流量检测，如图2-2所示。传感器的热膜电阻RH或加热元件（正温度系数电阻，温度高时，阻值大、电压低；温度低时，阻值小、电压高）、温度补偿电阻RT（进气温度传感器）、精密电阻R1及R2、信号取样电阻Rs在电路板上以惠斯通电桥的方式连接。当加热元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并由具有电流放大作用的控制电路A控制加热电流（50～120mA）来使RH与RT之差保持恒定，即ΔT=RH-RT=120℃。
图2-1 热膜式空气流量传感器结构及内部元件
图2-2 热膜式空气流量传感器电路
R T—温度补偿电阻 RH—热膜电阻 Rs—信号取样电阻 R1、R2—精密电阻 A、B—控制电路
当无空气流过时，加热元件RH没有温度变化不需要加热，放大器出来的电压为0V，此时，晶体管不导通，电桥处于平衡状态。
当空气流经加热元件RH并使其受到冷却一瞬间产生一个电压信号，控制电路B分别将电压信号传给控制单元与放大器，加热元件即热膜电阻温度降低，阻值减小，电压升高，电桥电压失去平衡。控制电路A将通过放大器控制三极管增大供给加热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻的温度（一般为100℃）。电流增量的大小取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。当电桥电流增大时，信号取样电阻Rs上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转化为电压信号的变化。信号电压输入ECU后，ECU可根据信号电压的高低计算出空气流量的大小。
当发动机怠速或空气为热空气时，因为怠速时节气门关闭或接近全闭，所以空气流速低，空气量少；又因空气温度越高，空气密度越小，所以在体积相同的情况下，发热元件受到冷却的程度小，阻值减小的幅度小，故而电桥平衡需要的电流小，信号取样电阻上的信号电压低，如图2-3a所示。ECU根据信号电压即可计算出空气流量的标准值，一般为2~5g/s。
当发动机负荷增大或空气为冷空气时，节气门开度增大，空气流速加快使空气流量增大；因为冷空气密度大，在体积相同的情况下质量就大，所以发热元件受到冷却的程度增大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流增大，因此当发动机负荷增大时，信号电压升高（最高能达到4V左右），如图2-3b所示。
图2-3 热膜式空气流量传感器的测量原理
三、新型热膜式空气流量传感器
1.结构
热膜式空气流量传感器HFM6的结构如图2-4所示，它由下列主要部件组成：①具有回流识别功能的微型机械式传感器元件和进气温度传感器；②一个具有数字信号处理功能的传感器电子单元；③一个数字接口。
图2-4 热膜式空气流量传感器HFM6的结构
与先前的空气流量计相比，新一代空气流量计的信号可以通过数字接口传递给发动机控制单元进行准确、稳定的分析。空气流量传感器的电路和传感器元件安装在一个紧凑的塑料外壳上。
在流量传感器总成的最下端是一条测量管路，伸入到传感器元件组中。测量管路从进气歧管的气流中引入一部分气流并引导其流经传感器元件。
传感器元件测量这部分气流中进气以及反方向的空气质量。对于空气质量的测算信号，则由电路进行处理分析，并传递给发动机控制单元。
2.旁路通道
与以往的型号HFM5相比，新一代空气质量计的旁路通道在流动性方面进行了优化，如图2-5所示。用于空气质量测量的空气分流在阻流边后面被吸入旁路通道。
通过阻流边的构造在其后产生负压。在这个负压的作用下，空气分流被吸入旁路通道，以进行空气质量测量。迟缓的污粒跟不上这种快速的运动，便会通过分离孔被重新导入到进气中。这样一来，测量结果就不会因污粒而失真，传感器元件也不会因其而损坏。
图2-5 传感器的旁路通道
3.测量方法
传感器元件位于传感器电子单元旁边，并伸入用于空气质量测量的空气分流内。在传感器元件上有一个热电阻、两个与温度相关的电阻R1和R2以及一个进气温度传感器，元件位置如图2-6所示。
图2-6 传感器元件位置
传感器元件通过热电阻被加热到120℃，高于进气温度。
示例：进气温度为30℃、热电阻被加热至120℃。测得温度为
120℃+30℃=150℃
由于与热电阻之间的间距，传感器至边缘的温度逐渐降低，测量值见表2-1。电子模块通过R1和R2的温度差识别出进气空气质量和流向。
表2-1 测量值
4.回流识别
（1）工作原理
为保证最佳的空燃比和低的燃油消耗，发动机管理系统需要知道到底有多少空气最终进入发动机气缸内。空气流量计的作用就是为管理系统提供此项信息。
气门的开关动作会导致进气歧管内的空气朝相反的方向流动。带反向流量识别的热膜式空气流量计可以探测气流的反向流动，并将此信号发送给发动机控制单元。由此，空气流量得以精确地测算。
进气门关闭时，吸入的空气受其阻碍回流到空气质量传感器中。如果回流未被识别出来，则测量结果就会出错。回流的空气碰到传感器元件，先流过与温度相关的电阻R2，接下来流过热电阻，然后流过与温度相关的电阻R1。电子模块通过R1与R2的温度差识别出回流空气质量和流向。传感器回流识别如图2-7所示。
图2-7 传感器回流识别
（2）功能
集成在传感器元件上的是两个温度传感器（T1+T2)和一个加热元件，传感器内部元件设计如图2-8所示。
连接传感器和加热元件的基板由玻璃膜片组成。之所以使用玻璃，是因为它的导热性极差，这可以防止热量从加热元件由玻璃膜传给传感器。如果热量传给传感器，将导致测量产生误差。
加热元件负责加热流经玻璃膜的空气。由于没有气流而使热辐射均匀，并且两个传感器与加热元件等距布置，因此它们能测量到相同的空气温度，如图2-9所示。
（3）空气质量识别
空气质量识别如图2-10所示。在进气冲程时，气流经传感器元件从T1流经T2。气流使传感器T1得以冷却，然后流经加热元件又重新被加热，从而使传感器T2达不到传感器T1那样的冷却程度，因此T1的温度比T2低。传感器将温差信号发送给电路，从而计算得出进气质量。
图2-8 传感器内部元件设计
图2-9 两个传感器测量空气温度
（4）反向气流识别
如果气流反方向流过传感器元件，则T2温度受冷却而下降的程度比T1大。由此，电路能识别出气流的反向流动。它将从进气质量中减去这部分反向气流的质量，并将信号反馈给发动机控制单元。反向气流识别如图2-11所示。
发动机控制单元由此获得一个电信号：它能准确标定出实际的空气质量，并能更准确地标定喷射的燃油质量。
图2-10 空气质量识别
图2-11 反向气流识别
5.空气流量计的传感器工作过程
空气流量计的传感器元件处于发动机吸入的气流中，一部分空气流经空气流量计的旁通气道。旁通气道内有传感器电子装置，该电子装置上集成有一个加热电阻及两个温度传感器。这两个温度传感器用来识别空气的流动方向：①吸入的空气首先经过温度传感器1；②从关闭的气门回流的空气首先经过温度传感器2与加热电阻合用，发动机控制单元就可以计算出吸入空气中的氧含量。空气流量计的传感器工作过程如图2-12所示。
发动机控制单元的空气质量信号传递：空气质量计向发动机控制单元传递一个包含被测空气质量的数字信号（频率），如图2-13所示。发动机控制单元通过周期长度来识别测得的空气质量，其优点是数字信息相对于模拟线路连接来说，对干扰不敏感。
图2-12 空气流量计的传感器工作过程
图2-13 空气质量的数字信号（频率）
四、热膜式空气流量传感器的检测方法
1.大众迈腾1.8TSI发动机热膜式空气流量传感器G70检测
大众迈腾1.8TSI发动机使用的是热膜式空气流量传感器G70来计量发动机的进气量，图2-14所示为传感器G70的插头，图2-15和图2-16所示为该传感器与J519车载电网控制单元、ECU的连接电路。
图2-14 热膜式空气流量传感器G70的插头
1—5V参电压 2—进气温度传感器信号线3—12V电源 4—搭铁线 5—空气流量传感器信号线
图2-15 蓄电池、起动机、总线端15供电继电器、接线端50供电继电器、熔丝
A—蓄电池 B—起动机 J329—总线端15供电继电器，在车载电网控制单元继电器支架上 J519—车载电网控制单元J682—接线端50供电继电器，在仪表板下左侧的继电器板上5号位（53继电器） SC4—熔丝架C上的熔丝4SC10—熔丝架C上的熔丝10 SC20—熔丝架C上的熔丝20 SC22—熔丝架C上的熔丝22SC31—熔丝架C上的熔丝31 SD8—熔丝架D上的熔丝8 SD10—熔丝架D上的熔丝10T1v—1芯黑色插头连接 T2cq—2芯黑色插头连接 T8t—8芯黑色插头连接 T11—11芯黑色插头连接12—发动机舱内左侧接地点，在左前纵梁上 249—接地连接2，在车身线束中 639—接地点，在左侧A柱上652—变速器和发动机接地的接地点 B555—正极连接 2（50），在车身线束中 B571—连接38，在车身线束中
图2-16 发动机控制单元、氧传感器、空气流量计、氧传感器加热装置、进气温度传感器2
G39—氧传感器 G70—空气流量计 G299—进气温度传感器2 J623—发动机控制单元 T4ya—4芯棕色插头连接T5h—5芯黑色插头连接 T94ya—94芯黑色插头连接 Z19—氧传感器加热装置ws—白色 sw—黑色 ro—红色 br—褐色 gn—绿色 bl—蓝色 gr—灰色
（1）热膜空气各插头的端子说明
1）TH5/5为空气流量传感器信号线，电压在0～5V之间变化。
2）TH5/4为搭铁线，在车身线束B702中。
3）TH5/3为电源线，打开点火开关时，由点火开关15号线向J527转向柱电子装置控制单元提供电源信号，再向J519提供电源信号，J519向J329提供电源继电器吸合，并经熔丝SC22（5A）向空气流量传感器提供蓄电池电压。
4）TH5/2为进气温度传感器信号线，温度低时电压高，温度高时电压低（如在20℃时，电压在0.5～3V之间）。
5）TH5/1为电源信号线，由发动机控制单元J623提供5V电压。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压
1）检测电源电压。关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置但不起动发动机。用万用表的电压档测量空气流量传感器插头中的TH5/3端子（正信号线）与TH5/4端子（负信号线）之间的电压值，即为蓄电池电压。然后用万用表测量插头TH5/5端子与TH5/4搭铁间的电压标准值应为5V。电源电压检测如图2-17所示。
2）检测信号电压。关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置但不起动发动机。用万用表的电压档测量空气流量传感器插头中的TH5/1端子（正信号线）与TH5/5端子（负信号线）之间的电压值。用“+”表笔插入空气流量传感器5号端子线束中，“-”表笔插入3号端子的线束中。然后用电吹风（冷风档）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。标准值为2.0～4.0V。
（3）检测线束导通性（断路）
图2-17 电源电压检测
关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元J623的线束插接器，用万用表检测插头TH5/1端子与ECU插接器的TH94ya/23端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头TH5/5端子与J623插接器的TH94ya/60端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头TH5/2端子与ECU插接器的TH94ya/65端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。
（4）用诊断仪检测
用VAS5052诊断仪检测空气流量传感器信号，操作步骤如下：输入地址码01进入发动机测试，输入08读取测量数据组，输入组号02读取基本功能数据。显示区域4即为进气空气质量，其标准值为2.0～4.5g/s。若小于2.0g/s，说明进气系统有泄漏；若大于4.5g/s，说明发动机负荷太大。偏离标准值可能是空气流量传感器或其线路有故障。如果空气流量传感器有故障，会出现故障码00553-G70-空气流量传感器线路对搭铁断路或短路。
说明：进气温度传感器，作为内部计算进气温度，并且数据流不提供此数据，有故障时报故障码。
（5）输出信号的万用表电压法检测
在线路连接完好的情况下，使发动机怠速运转，利用背插法，用万用表电压档测量端子TH5/5与搭铁之间的电压，在发动机怠速时应为1.4V，急加速时应为2.8V，否则说明空气流量传感器计量有偏差。
2.大众CC、新款帕萨特热膜式空气流量传感器检测
大众CC、新款帕萨特1.8TSI发动机使用的是改进的三线（取消了进气温度传感器）热膜式空气流量传感器G70来计量发动机的进气量，图2-18和图2-19所示为该传感器与J519车载电网控制单元、ECU的连接电路。
（1）热膜式空气流量传感器各插头的端子说明
1）T5f/1为空气流量传感器信号线，由J623发动机控制单元提供电压为5V。
2）T5f/2空气流量传感器搭铁线。
3）T5f/3为电源线，打开点火开关时，由点火开关15号线向J519提供电源号，J519向J329提供电源继电器吸合，并经熔丝SC10（10A）向空气流量传感器提供蓄电池电压。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压
1）检测电源电压。关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置但不起动发动机。用万用表的电压档测量空气流量传感器插头中的T5f/1端子（正信号线）与T5f/2端子（负信号线）之间的电压值为5V。然后用万用表测量插头T5f/3端子与T5f/2搭铁（或车身）间的电压应为蓄电池电压（如无电源熔丝SB30及共电继电器J329）。
2）检测信号电压。用万用表“+”表笔插入空气流量传感器T5f/1号端子线束中，“-”表笔插入T5f/2号端子的线束中。然后用电吹风（冷风档）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。
图2-18 端子15供电继电器、熔丝座A、熔丝座C
J329—端子15供电继电器 SA—熔丝座A SA4—熔丝架A上的熔丝4 SC—熔丝座CSC1—熔丝架C上的熔丝1 SC10—熔丝架C上的熔丝10 SC27—熔丝架C上的熔丝27 507—螺栓连接（30），在蓄电池熔丝座上 514—螺栓连接4（30a），在继电器板上 B290—正极连接14（15a），在主导线束中 B291—正极连接15（15a），在主导线束中 B330—正极连接16（30a），在主导线束中 B571—接地连接38，在主导线束中
（3）检测线束导通性（断路）
关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元J623的线束插接器，用万用表检测插头T5f/1端子与J623插接器的T94/23端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头T5f/2端子与J623插接器的T94/65端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。
图2-19 进气温度传感器、冷却液温度传感器、空气流量传感器、冷凝器出口上的冷却液温度传感器、发动机控制单元
G42—进气温度传感器 G62—冷却液温度传感器 G70—空气流量传感器 G83—冷凝器出口上的冷却液温度传感器，黑色J623—发动机控制单元，排水槽内中部 T5f—5芯插头连接 T60—60芯插头连接 T94—94芯插头连接D101—连接1，在发动机舱导线束中
3.桑塔纳2000GSI、捷达GT、捷达GTX轿车空气流量传感器检测
桑塔纳2000GSI、捷达GT、捷达GTX轿车均使用同一类型的热膜式空气流量传感器来计量发动机的进气量，热膜式空气流量传感器与ECU的连接线束如图2-20所示。
图2-20 空气流量传感器与ECU的连接线束
（1）热膜式空气流量传感器各插头的端子说明
端子1为空脚；端子2为12V电源；端子3负信号线；端子4为由ECU提供的5V电源；端子5为信号线。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压1）检测电源电压。关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置但不起动发动机。用万用表的电压档测量空气流量传感器插头中的2端子（正信号线）与搭铁线之间的电压值为蓄电池电压。然后用万用表测量插头4端子与搭铁间的电压应为5V。
2）检测信号电压。关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置但不起动发动机。用万用表“+”表笔插入空气流量传感器5号端子线束中，“-”表笔插入3号端子（负信号线）的线束中。然后用电吹风（冷风档）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。标准值为2.0～4.0V。
（3）检测线束导通性（断路）
关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元的线束插接器，用万用表检测插头3端子与电控单元插接器的12端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头4端子与电控单元插接器11端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头5端子与电控单元插接器13端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。