《空气流量传感器》PPT课件

第 三 章 空 气 流 量 传 感 器 南 昌 大 学 科 技 学 院一 、 流 量 的 概 念 流 体 在 单 位 时 间 内 流 经 某 一 有 效 截 面 的 体 积 或 质 量 ，前 者 称 体 积 流 量 qv（ m3/s)， 后 者 称 质 量 流 量 qm(kg/s)。n 如 果 在 截 面 AF上 速 度 v分 布 是 均 匀 的 ， 则 ：v Fq vA m v如 果 介 质 的 密 度 为 ， 那 么 量q 流= 量q 质 3.1 概 述 南 昌 大 学 科 技 学 院流 过 管 道 某 截 面 的 流 体 的 速 度 在 截 面 上 各 处 不 可 能 是 均匀 的 ， 假 定 在 这 个 截 面 上 某 一 微 小 单 元 面 积 上 dAF速 度是 均 匀 的 ， 流 过 该 单 元 面 积 上 的 体 积 流 量 为,v Fdq vdA v 为 流 速整 个 截 面 上 的 流 量 qv为v FFq vdA 南 昌 大 学 科 技 学 院测 量 某 一 段 时 间 内 流 过 的 流 体 量 ， 即 瞬 时 流 量 对 时 间 的积 分 ， 称 之 流 体 总 量 。 vt mtV q dtM q dt 用 来 测 量 流 量 的 仪 表 统 称 为 流 量 计 。 测 量 总 量 的 仪 表 称 为 流 体 计量 表 或 总 量 计 。 南 昌 大 学 科 技 学 院流 量 计 流体振动式流量计差压式流量计 流体阻力式流量计 测速式流量计流量计 流 量 传 感 器 分 为 气 体 流 量 传 感 器 和 液 体 流 量 传 感 器两 大 类 。 汽 车 电 子 控 制 系 统 所 用 流 量 传 感 器 主 要 是 空 气 流 量传 感 器 。 南 昌 大 学 科 技 学 院三 、 空 气 流 量 传 感 器 的 作 用n 空 气 流 量 计 的 作 用 是 将 吸 入 发 动 机 的 空 气 量 转换 成 电 信 号 送 至 ECU， 作 为 确 定 基 本 喷 油 量 的主 要 依 据 之 一 。 n 按 结 构 形 式 分 ：n 叶 片 式 空 气 流 量 计n 卡 门 涡 旋 式 空 气 流 量 计n 热 线 式 空 气 流 量 计n 热 膜 式 空 气 流 量 计 南 昌 大 学 科 技 学 院四 、 空 气 流 量 传 感 器 的 分 类n 空 气 流 量 传 感 器 根 据 检 测 方 式 不 同 可 以 分 为 ：流 量 型 和 速 度 密 度 型 两 大 类 型 。 n 1、 流 量 型n 流 量 方 式 是 利 用 空 气 流 量 传 感 器 直 接 测 量 吸 入 发 动 机 的 空气 量 。 n 流 量 型 空 气 流 量 传 感 器 主 要 有 ： 翼 片 式 、 卡 尔 曼 涡 流 式 、 热 线 式 和 热 膜 式 等 几 种 。测 得 的 是 吸 入 空 气 的 体 积 ， 故 还 需 根 据进 气 温 度 等 信 息 ， 由 电 控 单 元 计 算 出 空气 质 量 。 直 接 测 量 吸 入 空 气 的质 量 ， 故 其 精 度 更 高 。 南 昌 大 学 科 技 学 院n 定 义 ：n 利 用 进 气 歧 管 压 力 传 感 器 测 出 进 气 歧 管 压 力 ， 然 后 电控 单 元 根 据 该 压 力 和 发 动 机 转 速 ， 推 算 出 发 动 机 每 一 循 环吸 入 的 空 气 量 ， 并 据 此 空 气 量 计 算 汽 油 的 喷 射 量 。n 特 点 ：n 间 接 测 量 进 气 量 ； 由 于 空 气 在 进 气 歧 管 内 的 压 力 是变 化 的 ， 因 此 不 易 精 确 地 检 测 吸 入 的 空 气 量 。2、 速 度 密 度 型 南 昌 大 学 科 技 学 院7 南 昌 大 学 科 技 学 院 3.2 动 片 式 空 气 流 量 传 感 器n 又 称 翼 片 式 或 叶 片 式 空 气 流 量 传 感 器n 一 、 结 构由 空 气 流 量 计 和 电 位 计 两 部 分 组 成 。 图 2-2 动 片 式 空 气 流 量 传 感 器 的 结 构安 装 ：位 于 空 气 滤 清 器 与 节气 门 之 间 同 轴 安 装 南 昌 大 学 科 技 学 院图 2-3 动 片 的 部 分 结 构 图 2-4 电 位 计 部 分 结 构二 、 工 作 过 程 ：发 动 机 工 作 空 气 空 气 滤 清 器 空 气 流 量 传 感 器 推 动 翼 片 （ 测量 翼 片 旋 转 。 翼 片 开 启 角 度 由 进 气 量 大 小 和 卷 簧 （ 复 位 弹 簧 ） 弹 力 的 平衡 情 况 决 定 。 电 位 计 与 叶 片 同 轴 旋 转 ， 其 上 滑 片 电 阻 的 变 化 转 变 成 电 压 信号 输 入 ECU。 南 昌 大 学 科 技 学 院图 2-5 动 片 式 空 气 流 量 传 感 器 的 工 作 原 理 三 、 工 作 原 理 ：若 将 一 个 参 考 电压 UB加 在 电 位 器 上（ 即 端 子 Va端 子 E2之间 ） ， 当 空 气 量 增 大时 ， 其 端 子 Vc和 Vs之间 的 电 阻 值 减 小 、 两端 子 之 间 输 出 的 信 号电 压 Us降 低 。 反 之 则反 。 南 昌 大 学 科 技 学 院电 路 图 ： 图 2-6 动 片 式 空 气 流 量 传 感 器 电 路 图 南 昌 大 学 科 技 学 院电 压 比 检 测 电 压 值 检 测图 2-7 检 测 方 法进 气 量 =电 位 计 滑 动 引 起 的 电 压 变 化2C SB电 位 计 滑 动 引 起 的 电 压 变 化 （ V -V）进 气 量 加 在 电 位 计 上 的 电 压 （ V -E ） 南 昌 大 学 科 技 学 院 南 昌 大 学 科 技 学 院 南 昌 大 学 科 技 学 院四 、 特 点n 1、 体 积 流 量 型 ；n 2、 测 量 范 围 大 ；n 3、 进 气 量 增 大 测 量 精 度 降 低 ；n 4、 电 位 计 滑 动 触 头 影 响 精 度 ；n 5、 体 积 大 ；n 6、 响 应 慢 。 南 昌 大 学 科 技 学 院 3.3 卡 曼 涡 旋 式 空 气 流 量 传 感 器n 3.3.1 测 量 原 理 ：n 在 流 体 中 安 放 一 根 （ 或 多 根 ） 非 流 线 型 阻 流体 （ bluff body） ， 流 体 在 阻 流 体 两 侧 交 替 地分 离 释 放 出 两 串 规 则 的 旋 涡 ， 在 一 定 的 流 量范 围 内 旋 涡 分 离 频 率 正 比 于 管 道 内 的 平 均 流速 ， 通 过 采 用 各 种 形 式 的 检 测 元 件 测 出 旋 涡频 率 就 可 以 推 算 出 流 体 的 流 量 。 南 昌 大 学 科 技 学 院卡 曼 涡 街 原 理 在 流 体 中 设 置 旋 涡 发 生 体 （ 阻 流 体 ） ， 从 旋 涡 发 生体 两 侧 交 替 地 产 生 有 规 则 （ 两 列 平 行 状 ， 左 右 交 替 出 现 ）的 旋 涡 ， 这 种 旋 涡 称 为 卡 曼 涡 街 ， 如 图 所 示 ， 旋 涡 列 在 旋涡 发 生 体 下 游 非 对 称 地 排 列 。 图 2-8 涡 旋 产 生 原 理 当 比 值 h/l为 0.281时 ， 所形 成 的 涡 旋 是 稳 定 的 并 且是 周 期 性 的 南 昌 大 学 科 技 学 院n 设 旋 涡 的 发 生 频 率 为 f， 被 测 介 质 流 体 的 平 均 速 度 为v1， 管 道 内 流 体 的 平 均 流 速 为 v， 旋 涡 发 生 体 迎 面 宽 度 为 d，表 体 直 径 为 D， 根 据 卡 曼 涡 街 原 理 ， 有 如 下 关 系 式 n 式 中 v1-旋 涡 发 生 体 两 侧 平 均 流 速 ， m/s； St-斯 特 劳 哈 尔 数 ； dvSf t 1 Kfqv 其 中 ： tSndDK 24 n K除 与 旋 涡 发 生 体 、 管 道 的 几 何 尺寸 有 关 外 ， 还 与 斯 特 劳 哈 尔 数 有 关 。斯 特 劳 哈 尔 数 为 无 量 纲 参 数 ， 它 与旋 涡 发 生 体 形 状 及 雷 诺 数 有 关 。 n=v/v1 南 昌 大 学 科 技 学 院3.3.2. 超 声 波 式 卡 曼 涡 流 式 空 气 流 量 传 感 器 n 1、 结 构 图 2-9 超 声 波 式 卡 曼 流 量 传 感 器 结 构主 要 由 超 声 波 信 号发 生 器 、 超 声 波 发 射 探头 、 涡 流 稳 定 板 、 涡 流发 生 器 、 整 流 器 、 超 声波 接 收 探 头 和 转 换 电 路等 组 成 南 昌 大 学 科 技 学 院2、 工 作 原 理图 2-10 超 声 波 式 卡 曼 流 量 传 感 器 检 测 原 理 v 在 发 动 机 运 行 时 ，发 生 器 不 断 地 向 接 受 器发 出 一 定 频 率 的 超 声 波（ 垂 直 空 气 流 方 向 ） 且穿 过 卡 门 旋 涡 ， 由 于 受卡 门 旋 涡 影 响 造 成 超 声波 空 气 密 度 的 相 位 发 生相 应 偏 移 ， 由 此 形 成 疏密 波 。 ECU根 据 所 监 测的 超 声 波 疏 密 的 频 率 便可 感 知 系 统 进 气 量 。 南 昌 大 学 科 技 学 院3、 电 路 图 当 有 卡 曼涡 旋 产 生 时 ，超 声 波 就 伴 随有 速 度 及 压 力的 变 化 ， 利 用其 中 速 度 的 变化 检 测 流 量 。 南 昌 大 学 科 技 学 院 南 昌 大 学 科 技 学 院3.3.2.、 光 学 检 测 （ 压 力 变 化 检 测 型 ） 卡 曼 涡 流 式 空 气 流 量 传 感 器 1、 结 构 主 要 有 涡 流 发 生 器 、 发 光 二 极 管 、 光 敏 三 极 管 、 反 光镜 、 张 紧 带 、 集 成 厚 度 控 制 电 路 和 进 气 温 度 传 感 器 及 整 流栅 网 组 成 。 图 2-11 光 学 检 测 式 卡 曼 流 量 传 感 器 结 构 南 昌 大 学 科 技 学 院2、 工 作 原 理 原 理 ： 利 用 卡 门 旋 涡 引 起的 空 气 压 力 变 化 测 量 进 气流 量 。卡 门 旋 涡 发 生 涡 流发 生 器 两 侧 压 力 周 期 性 变化 导 压 孔 反 光 镜 产 生振 动 ， 反 射 发 光 管 的 光 信号 光 电 管 引 起 反 射 光产 生 周 期 变 化 ， ECU根 据所 监 测 的 反 光 信 号 的 频 率可 感 知 系 统 进 气 量 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 1） 空 气 通 道 的 构 成主 通 道 ： 矩 形 截 面 （ 可 获得 稳 定 的 涡 旋 ）锥 度 通 道 （ 减 少压 力 损 失 ） 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 2） 涡 旋 发 生 器前 边 的 剖 面 形 状 为 三 角 形 ， 后 面 的 剖 面 为 梯 形 ，目 的 ： 得 到 稳 定 的 卡 曼 涡 旋 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 3） 反 光 镜 振 动 系 统n 三 点 要 求 ：n 耐 疲 劳 的 寿 命 长 ；n 低 流 速 时 应 具 有 足够 的 工 作 角 ， 高 流 速时 应 出 现 稳 定 的 振 动 ；n 过 渡 时 期 也 应 有 稳定 的 振 动 。 用 耐 腐 蚀 的 整 块 金 属 箔制 成为 了 防 止 反 光 镜 倾 斜 过度 而 损 坏 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 4） 光 学 系 统n 功 能 要 求 ：n 即 便 反 光 镜 的 工 作 角 度 为最 小 值 ， 系 统 具 有 高 灵 敏 度 ；n 即 便 反 光 镜 有 污 浊 ， 也 可得 到 稳 定 的 信 号 。 当 反 光 镜 被 进 气 中 所 含杂 质 、 碳 粉 等 污 染 后 ，光 敏 三 极 管 发 射 极 的 输出 电 流 会 减 小 。控 制 光 电 部 分 的 电 流 ，保 证 得 到 稳 定 的 信 号 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 5） 传 感 器 的 特 性 1mmH g=133.322Pa 南 昌 大 学 科 技 学 院3.3.4 带 微 差 压 力 传 感 器 的 超 声 波 型 卡 曼 涡 旋 空 气 流 量 传 感 器（ 1） 采 用 压 力 损 失 小 的 涡 旋 发 生 器功 能 ： 在 整 个 流 量 范 围 内 形 成 稳 定 的涡 旋形 状 参 数 ： 三 角 柱 的 截 面 高 度 h、 宽度 w、 间 隔 G、 稳 定 板 的 厚 度 t、 稳 定板 后 部 的 曲 率 R 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 2） 压 力 损 失 较 小 的 管 道 结 构主 通 道 整 流 器 ：生 成 稳 定 的 卡曼 涡 旋 ；旁 通 道 整 流 器 （ 长度 是 主 通 道 的 三倍 ） ：降 低 低 流 量 区分 流 比 ， 使 主 通 道流 量 增 大 形 成 强 力的 卡 曼 涡 旋 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 3） 测 量 微 小 的 涡 旋 压 力功 用 ： 保 证 卡 曼 涡 旋 压力 作 用 到 膜 片 上 ， 而 进气 管 脉 动 压 力 不 会 产 生影 响膜 片 工 作 方 式 ： 差 压 式（ 膜 片 的 内 、 外 表 面 分别 设 有 导 压 口 ）原 理 ： 膜 片 上 形 成 桥 式压 电 效 应 的 应 力 计 ， 通过 阻 值 的 变 化 测 出 涡 旋压 力 。 南 昌 大 学 科 技 学 院四 、 卡 曼 涡 旋 传 感 器 的 特 点 ：n 1、 测 试 精 度 高 ， 可 以 输 出 线 形 数 字 信 号 ， 信号 处 理 简 单 ；n 2、 性 能 稳 定 ， 可 靠 性 高 ；n 3、 由 于 检 测 的 是 体 积 流 量 ， 需 对 温 度 和 大 气压 进 行 修 正 ；n 4、 制 造 成 本 比 较 高 。 南 昌 大 学 科 技 学 院取 样 管 铂 金 热 线 温 度 补 偿 电 阻空 气 流控 制 线 路 板电 连 接 器金 属 防 护 网 塑 料 护 套1） 结 构 ： 南 昌 大 学 科 技 学 院n 2） 分 类 ：n “ 主 流 式 ” 热 线 空 气 流 量 计 是 将 整 个 流 量 计 安 装 在 进 气 系 统主 流 通 道 上 ；n “ 旁 通 式 ” 热 线 空 气 流 量 计 是 将 铂 金 热 线 和 温 度 补 偿 电 阻 安装 在 空 气 旁 通 道 上 。 南 昌 大 学 科 技 学 院3） 热 线 式 空 气 流 量 计 测 量 原 理热 线 电 阻（ 线 径 70m铂 金 丝 ）其 阻 值 随 温 度 变 化 惠 斯 顿 电 桥温 度 补 偿 电 阻（ 铂 金 薄 膜 热 敏 电 阻 ）其 阻 值 随 进 气 温 度 变 化精 密 电 阻（ 可 激 光 修 整 ） 调 零 电 阻（ 装 在 控 制 线 路 板上 ， 可 用 激 光 修 整对 输 出 特 性 校 正 ） 南 昌 大 学 科 技 学 院测 量 原 理n 置 于 进 气 气 流 中 的 发 热 体 (铂 金 热 线 电 阻 )向 空 气 散 热 时 的 传热 系 数 表 达 式 ： h=+G n 式 中 ： h传 热 系 数 ； 、 常 数 ； G空 气 的 质 量 流 量 ， kg s。n 在 流 动 空 气 中 放 置 一 发 热 体 ， 因 向 周 围 空 气 放 热而 冷 却 。 流 经 发 热 体 的 空 气 量 越 多 ， 则 发 热 体 的 传 热量 越 大 。 热 线 式 空 气 流 量 计 就 是 利 用 发 热 体 和 空 气 传热 这 种 现 象 来 测 量 发 动 机 进 气 量 的 。 南 昌 大 学 科 技 学 院n 置 于 空 气 流 中 的 热 线 电 阻 在 单 位 时 间 内损 失 的 热 量 H可 用 下 式 表 示 ： H=hA(TH-TK) 式 中 ： A热 线 传 热 面 积 ， mm2； TH铂 金 电 阻 的 温 度 ， ； TK温 度 补 偿 电 阻 的 温 度 ， 。 南 昌 大 学 科 技 学 院n 热 线 产 生 的 热 量 W为W=RHI2 式 中 ： W热 线 产 生 的 热 量 ， W。n 热 线 处 于 热 平 衡 W=H时 ， 假 设 热 线 与 补 偿 电 阻 的 温 度 (TH-TK)为 一 定 值 (100 )， 则 有 ： I G 说 明 ： 流 过 热 线 的 电 流 I直 接与 空 气 质 量 流 量 G有 关 ， 不需 空 气 密 度 修 正 n 热 线 式 空 气 流 量 计的 输 出 特 性 : 流 量 （ kg/s）输出电压（V ） 南 昌 大 学 科 技 学 院n 热 线 式 空 气 流 量 计 控 制 电 路 的 作 用 ： 利 用 惠 斯 顿 电 桥 平 衡 原 理 ， 使 热 线 电 阻 温 度 与进 气 温 度 的 差 值 保 持 恒 定 。 工 作 原 理 ： 空 气 流 量 铂 金 热 线 上 被 带 走 的 热 量 热 线电 阻 值 惠 斯 顿 电 桥 失 去 平 衡 。 控 制 电 路 热 线 的 电 流 使 热 线 恢 复 原 设 定的 温 度 和 电 阻 电 桥 恢 复 平 衡 。 电 子 控 制 回 路 所 增 加 的 电 流 大 小 取 决 于 热 线 被冷 却 的 程 度 ， 即 空 气 质 量 流 量 ， 此 增 加 的 电 流 通 过电 桥 中 的 RA转 换 成 电 压 输 出 的 。 ECU根 据 该 电 压 信 号 便 可 测 定 空 气 的 质 量 流 量 。 南 昌 大 学 科 技 学 院n 由 于 流 量 计 基 于 热 线 表 面 与 空 气 的 热 传导 ， 铂 金 热 线 上 的 任 何 污 染 都 会 造 成 测 量误 差 ， 因 此 控 制 电 路 中 设 置 自 动 “ 清 污 ”功 能 。n 每 当 发 动 机 熄 火 后 的 4s内 ， 控 制 电 路 会自 动 提 供 自 净 电 流 ， 使 热 线 迅 速 升 高 到1000 的 高 温 并 保 持 1s， 可 将 粘 附 在 热 线表 面 污 物 完 全 清 除 干 净 。 南 昌 大 学 科 技 学 院 4） 热 线 式 空 气 流 量 传 感 器 的 特 点 : 1.可 以 准 确 测 量 空 气 量 。 2.响 应 性 快 。 3.无 需 进 行 进 气 温 度 和 大 气 压 力 修 正 。 4.无 机 械 工 作 部 位 ， 进 气 阻 力 小 。 5.但 在 流 速 分 布 不 均 匀 时 ， 测 量 误 差 较 大 。 南 昌 大 学 科 技 学 院 南 昌 大 学 科 技 学 院n 工 作 原 理 ：n 与 热 线 式 的 基 本 相 同 ，n 不 同 点 ： 只 是 将 发 热 体 由 热线 改 为 热 膜 ， 热 膜 是 由 发 热金 属 铂 固 定 在 薄 的 树 脂 膜 上构 成 的 。n 特 点 ： 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 了可 靠 性 ， 误 差 较 小 。热 膜 式 空 气 流 量 计 南 昌 大 学 科 技 学 院3.4.3 质 量 流 量 检 测 精 度n （ 1） 温 度 特 性 1atm=101325Pa流 量 40g/s时 ，由 于 进 行 了 温 度补 偿 ， 偏 差 几 乎为 0。流 量 20g/s时 ，热 丝 下 游 产 生 涡旋 ， 热 传 递 状 况发 生 很 大 变 化 ，导 致 流 量 误 差 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 2） 压 力 特 性 空 气 的 导 热 率 ， 粘 度 系 数 等几 乎 不 随 压 力 发 生 变 化 。 南 昌 大 学 科 技 学 院（ 3） 湿 度 特 性 湿 度 越 高 ，空 气 热 导 率 越 大 ，粘 度 系 数 越 小 ，流 量 的 正 方 向 误差 越 大 。 南 昌 大 学 科 技 学 院3.6、 各 种 空 气 流 量 传 感 器 的 比 较