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热线式空气流量传感器按其测量元件（铂金热线）安装位置的不同可分为主流测量式和旁通测量式两种，如图1-1、图1-2所示。
主流测量式的热线式空气流量传感器由铂金热线、温度补偿电阻（冷线）、取样管、控制线路板、防护网及连接器组成。铂金热线是一根直径约为0.07mm的铂金丝，它装在取样管内的支承环上，其阻值随温度变化而变化，当传感器工作时，它能被控制电路提供的电流加热到120℃左右，因此称为热线；取样管由一个热线支承环和两个塑料护套组成，它置于空气流量传感器主进气道的中央，两端有防护网，防护网通过卡箍固定在流量传感器的壳体上；温度补偿电阻（冷线）安装在热线附近，且靠近进气口一侧，当传感器工作时，控制电路向其提供一个电流使其温度始终低于热线温度100℃，这样冷线温度可以起到参考标准的作用，使进气温度的变化不会影响到热线测量进气量的精度；控制线路板上插座与发动机的ECU相连，用于输入信号。
图1-1 热线式空气流量传感器结构（主流测量式）
旁通测量式的热线式空气流量传感器与主流测量式的热线式空气流量传感器的主要区别在于，它把铂金热线和温度补偿电阻（冷线）安装在旁通气道上，且热线和补偿电阻用铂丝缠绕在陶瓷螺旋管上。
热线式空气流量传感器的工作原理如图1-3所示。安装在控制电路板上的精密电阻R A 、电桥电阻R B 、热线电阻R H 及温度补偿电阻R K 组成了惠斯通电桥。热线电阻R H 放在进气道内，当进气气流流经它时，其热量被流过的空气吸收，使热线变冷，且空气流量增大被带走的热量也增加，热线式空气流量传感器就是利用热线与空气之间的这种热传递进行空气流量测定的。
图1-2 热线式空气流量传感器结构（旁通测量式）
图1-3 热线式空气流量传感器的工作原理
混合集成电路A控制热线温度，当空气流过热线时，由于空气带走热量使热线的电阻值发生变化，从而使惠斯通电桥失去平衡。为了保持该电桥的平衡，必须提高电压，加大通过热线的电流，进而使热线的温度升高，恢复原来的电阻值。根据这一原理，通过控制电路，改变惠斯通电桥的电压和电流，使热线损失的热量与电流加热热线产生的热量相等，来使热线的温度和电阻值保持不变。这样通过热线电阻的电流便是空气流量的单一函数，即热线电流随空气流量的增大而增大，随空气流量的减小而减小。加热电流通过精密电阻R A 产生的电压降作为输出信号输送给ECU，即可通过电压降的大小测得空气流量。
精密电阻R A 为一个温度系数很低的金属薄电阻；温度补偿电阻R K 用来对热线电阻的温度进行参照，使其温度差控制在100℃左右，从而提高测量精度。R K 与电桥电阻R B 的阻值都较高，这样能减少电能的损耗。
热线式空气流量传感器由于热线表面与空气直接接触，在使用一段时间后，热线表面易被空气尘埃黏附，其热辐射能力降低将会影响传感器的测量精度，因此控制电路设置有“自洁电路”以实现自洁功能。每当发动机熄火后，ECU将控制自洁电路接通，将热线加热到1000℃左右，并持续约1s的时间，从而将黏附在热线上的尘埃烧掉。另一种防止热线被污物黏附的方法是将热线的保持温度提高，一般保持温度设在200℃以上，以便烧掉黏附的污物。