汽車用傳感器第三章-空氣流量傳感器課件

1、第3章 空氣流量傳感器 3.0 概述 電子控制燃油噴射裝置的控制系統(tǒng)就是要根據(jù)各種傳感器信息，控制噴油器的動作，以實現(xiàn)在各種進氣狀態(tài)下，總能保證達到最佳空燃比?？諝饬髁總鞲衅?，也稱空氣流量計，是電噴發(fā)動機的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉換成電信號送至電控單元(ECU)，作為決定噴油的基本信號之一。是測定吸入發(fā)動機的空氣流量的傳感器。 10/7/20221第3章 空氣流量傳感器 3.0 概述 電子控制燃油噴射裝置種類（按傳感器的特征）（1）L型：直接監(jiān)測進氣量的流量傳感器；直接測量空氣體積流量的傳感器 ，如葉片式空氣流量傳感器、卡門渦流式空氣流量傳感器；直接測量空氣質量流量的傳感器，如熱線

2、式空氣流量傳感器、熱膜式空氣流量傳感器。 特點：L型控制方式采用的L型傳感器能夠適應汽車使用的苛刻條件；但對踏油門時出現(xiàn)的流量急劇變化的響應要求及在傳感器前后進氣歧管形狀所引起的不均勻氣流中的高精度監(jiān)測要求較高。10/7/20222種類（按傳感器的特征）10/3/20222（2）D型：間接計量進氣量的流量傳感器；根據(jù)歧管負壓與發(fā)動機轉速間接計量進氣量。如：進氣管半導體壓力傳感器。 特點：D型控制方式中的微機ROM內(nèi)，預先儲存著以發(fā)動機轉速和進氣管內(nèi)的壓力為參數(shù)的的各種狀態(tài)下的進氣量，微機根據(jù)所測的各運轉狀態(tài)下的進氣壓力與轉速，參照ROM所記憶的進氣量，可以算出燃油量 。該傳感器的內(nèi)容在第4章介

3、紹。10/7/20223（2）D型：間接計量進氣量的流量傳感器；10/3/202233.1 動片式空氣流量傳感器 3.1.1動片式空氣流量傳感器結構 該傳感器裝在汽油發(fā)動機上，安裝于空氣濾清器與節(jié)氣門之間，其功能是檢測發(fā)動機的進氣量，并把檢測結果轉換成電信號，再輸入微機中。 結構：由空氣流量計與電位計兩部分組成，見圖。 10/7/202243.1 動片式空氣流量傳感器 10/3/20224工作過程： 由空氣濾清器吸入的空氣沖向動片，動片轉到進氣量與回位彈簧平衡的位置處停止（動片的開度與進氣量成成正比）。在動片的轉動軸還裝有電位計，電位計的滑動臂與動片同步轉動，利用滑動電阻的電壓降把測量片的開度

4、轉換成電信號，然后輸入到控制電路中。 電位計上設有燃油泵觸點，當發(fā)動機工作時，動片張開一定角度，觸點閉合，燃油泵工作。10/7/20225工作過程：10/3/20225電位計的內(nèi)部電路與輸出特性如下圖所示：10/7/20226電位計的內(nèi)部電路與輸出特性如下圖所示：10/3/20226進氣量與電壓的關系有兩種：電壓比檢測和電壓值監(jiān)測 。電壓比檢測：可以減少因電壓變化引起的誤差10/7/20227進氣量與電壓的關系有兩種：電壓比檢測和電壓值監(jiān)測 ?？梢詼p少電壓值檢測：進氣量=電位計滑動引起的電壓變化（VS-E2）10/7/20228電壓值檢測：10/3/20228兩種檢測方法特性對比：電壓比檢測：

5、輸出特性為折線電壓值監(jiān)測：輸出特性為直線 Q1/VS10/7/20229兩種檢測方法特性對比：10/3/202293.1.2 動片式空氣流量傳感器的測試原理原理圖如右圖所示。（P2-P1）可看成定值，所以QA，為了消除蓄電池電壓UB變化對測試值影響，將US/UB作為傳感器的輸出。由于輸出US/UB的值與體積流量Q成函數(shù)關系，所以采用進氣溫度傳感器修正空氣密度隨溫度產(chǎn)生的變化，采用大氣壓傳感器對高原行車引起的變化加以修正。10/7/2022103.1.2 動片式空氣流量傳感器的測試原理10/3/2022輸出特性：如右圖量化誤差：為了把信號輸入到微機中，還要利用AD變換器把信號作數(shù)字化處理，將此時

6、最低位所示的空氣流量稱為量化誤差。進氣量越大，量化誤差越大。特點：測量范圍受到制約；電位計的觸頭要保證長期使用的可靠性；為了使響應特性穩(wěn)定，需增設阻尼結構，從而造成體積增大、重量增加，而且響應性能偏低。10/7/202211輸出特性：如右圖10/3/2022113.2 卡曼渦旋式空氣流量傳感器相比較動片式空氣流量傳感器，擴展了測量范圍，取消了滑動觸點，體積小巧，重量輕；渦旋的檢測方法、電子控制電路與檢測精度根本無關，抗干擾性強；傳感器輸出的是數(shù)字信號（頻率），向控制系統(tǒng)（ECU）輸入信號時，可以省去AD轉換器；優(yōu)點：測試精度高，可以輸出線性數(shù)字信號，信號處理簡單； 長期使用時，性能不會發(fā)生變化

7、 ；檢測體積流量，不需要對溫度及大氣壓進行修正。10/7/2022123.2 卡曼渦旋式空氣流量傳感器10/3/2022123.2.1 檢測原理卡曼渦街 卡門渦街是流體力學中重要的現(xiàn)象,在自然界中常可遇到，在一定條件下流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側會周期性產(chǎn)生成對的、交替排列的、旋轉方向相反的反對稱渦旋。 如右圖所示，當h/l=0.281時，所形成的渦旋是穩(wěn)定且周期性的。產(chǎn)生頻率f與流體速度v1有如下關系：10/7/2022133.2.1 檢測原理10/3/2022133.2.2 超聲波式卡曼渦旋空氣流量傳感器結構如右圖所示：安裝于空氣濾清器內(nèi)部。兩個進氣通道。主通道：進氣流量的檢測

8、部分設在主通道；旁通道：為了能夠調整主通道的流量，以便使主通道的監(jiān)測特性呈理想狀態(tài)?？鼫u旋發(fā)生器：4和5 。超聲波發(fā)送器和接收器：通道內(nèi)壁有吸音材料，防止超聲波的不規(guī)則反射。10/7/2022143.2.2 超聲波式卡曼渦旋空氣流量傳感器10/3/2022流量檢測原理電路：超聲波檢測原理：超聲波與進氣氣流成垂直方向傳播，受卡曼渦旋的作用，僅與垂直的速度成分才被調制，調制造成的相位的提前與滯后和交替產(chǎn)生的渦旋是同步的，因此通過相位的變化就可以測量出渦旋的頻率。 超聲波的頻率一般為40KHz，其原因是在沒有渦旋的通道上發(fā)送的超聲波和接收到的超聲波相位相同。10/7/202215流量檢測原理電路：

9、10/3/202215輸出信號波形： 進氣量越多，卡曼渦旋的頻率越高，空氣流量傳感器輸出信號的頻率越高，控制組件根據(jù)此信號計算進氣量。10/7/202216輸出信號波形：10/3/2022163.2.3 壓力檢測型卡曼渦旋式空氣流量傳感器1、原理：在通道內(nèi)渦旋交替產(chǎn)生，渦旋發(fā)生器兩端的壓力也交替變化，這種變化經(jīng)導壓孔引導到反光鏡腔體中，固定反光鏡的張緊帶會發(fā)生同頻率的扭曲和變形，如右圖。 在反光鏡的上部由發(fā)光二極管和光敏三極管構成的光傳感器，會因為反光鏡的震動，而使發(fā)光二極管發(fā)出的光反射到光敏三極管，并形成電流，經(jīng)整形電路后輸出。10/7/2022173.2.3 壓力檢測型卡曼渦旋式空氣流量傳

10、感器1、原理：在通2、結構：如右圖設計時確定流速與渦旋頻率之間為正比例關系，以保證在很寬的流量范圍上渦旋發(fā)生器都會產(chǎn)生穩(wěn)定的強烈的渦旋。（1）空氣通道的構成：錐度通道：減少壓力損耗矩形通道：獲得穩(wěn)定渦旋（2）渦旋發(fā)生器：前面剖面形狀為三角形，后面剖面形狀為梯形。目的：得到穩(wěn)定的卡曼渦旋。10/7/2022182、結構：如右圖10/3/202218（3）反光鏡振動系統(tǒng)三點要求：耐疲勞的使用壽命要長；低流速時應具有足夠的工作角，高流速時應出現(xiàn)穩(wěn)定的振動；過渡時期也應有穩(wěn)定的振動。反光鏡與張緊帶：耐腐蝕的整塊金屬箔制成；反光室腔：設置有斜面；為了防止反光鏡傾斜過度而損壞；利用反光鏡和斜面形成阻尼效果

11、； 最高流速時反光鏡的工作角取決于反光鏡扭轉方向的慣性矩、空氣的阻尼作用和渦旋壓力的大小，而傾斜面的角度取決于最大流速時的反光鏡的工作角。10/7/202219（3）反光鏡振動系統(tǒng)10/3/202219（4）光學系統(tǒng)即便反光鏡的工作角度為最小值，系統(tǒng)應具有高靈敏度： 如圖所示，反光鏡工作角設定在曲線上大致直線位置，反光鏡的最小工作角最小可達光敏器件所占角度的1/4，即可輸出高靈敏信號。10/7/202220（4）光學系統(tǒng)10/3/202220即便反光鏡有污濁，也可得到穩(wěn)定的信號： 如圖虛線所示，當反光鏡污濁后，光敏三極管發(fā)出的電流會減小，這時利用電流反饋電路控制放大電路輸出的電流，使得進入整形

12、電路之前的電流平均值為一定值，以保證的得到穩(wěn)定信號。10/7/202221即便反光鏡有污濁，也可得到穩(wěn)定的信號：10/3/202221（5）傳感器的特性30mS內(nèi)節(jié)氣門從關閉到全打開響應特性如圖所示：上曲線為節(jié)氣門開度特性；下曲線為經(jīng) f /V（電壓）變換后的傳感器輸出特性。從圖3-26、3-27可以看出測量范圍寬、壓力損耗小，在非常寬的流速范圍內(nèi)，空氣流速與渦旋頻率呈直線關系。10/7/202222（5）傳感器的特性10/3/2022223.3 熱絲式空氣流量傳感器 3.3.1 熱絲式空氣流量傳感器的結構（簡稱H/W） 如圖3-31所示：作為發(fā)熱體的熱絲是用直徑為70um的鉑絲制成的，張緊裝

13、于管道內(nèi)部，設計時就使其比進氣溫度高120度。 在溫度傳感器內(nèi)有空氣溫度補償電阻。由氧化鋁陶瓷基片印刷的鉑膜而形成的，與精密電阻一起設置在管道內(nèi)。 10/7/2022233.3 熱絲式空氣流量傳感器 10/3/202223為防止附著在熱絲上的灰塵等造成性能下降，設有灰塵燃燒電路，在點火開關置于斷開檔時，在一定的條件下，將熱絲加熱到1000度、1秒，燒掉灰塵等附著物。因為是用鉑絲做發(fā)熱元件，所以響應性好。熱膜絲空氣流量傳感器（H/F） 與H/W傳感器類似，H/F也是采用平面形薄膜電阻器作為發(fā)熱元件。制造方法是：在氧化鋁基片上蒸發(fā)出的鉑的薄膜，通過圖形制作形成梳狀電阻，再調節(jié)到所要求的電阻值，此后

14、，作成保護膜，再接好電極引線。與熱絲式相比，熱膜式發(fā)熱元件的響應性稍差，但電阻值較高，消耗的電流小，可以做到小型、輕巧。此外，因其發(fā)熱元件是平面型的，設置在計量通道內(nèi)時就可以減少附著物，即提高抗污性。 10/7/202224為防止附著在熱絲上的灰塵等造成性能下降，設有灰塵燃燒電路，在3.3.2 工作原理 在進氣通道上設有用電流加熱的鉑金屬絲（熱絲），當氣流通過已加熱的熱絲，熱絲溫度下降，氣流速度越高，奪走熱量越多。為了保證熱絲的溫度為一定值，就必須控制加熱電流，根據(jù)加熱電流的大小，即可檢測出空氣的流量。 加熱電流I與質量流量Qm的關系： 通過保證發(fā)熱元件與空氣溫度差和RH的比為一定值的辦法，就

15、可以根據(jù)發(fā)熱元件的加熱電流求出質量流量Qm。然而系數(shù)KT隨溫度值的變化而變化，可采用恒溫差控制電路進行溫度漂移的補償。10/7/2022253.3.2 工作原理 通過保證發(fā)熱元件與空氣溫度差和R恒溫差溫度補償電路（1）組成：由發(fā)熱元件、空氣溫度補償電阻（溫度傳感器）分別作為要素的惠斯通電橋以及具有電流放大作用的運算放大器構成。（2）工作原理： 當發(fā)熱元件的溫度高于空氣溫度時，電橋才能達到平衡，通過向橋式電路輸入加熱電流才能保持發(fā)熱元件的溫度為恒定值。此時，精密電阻R3輸出與進氣量相應的電壓。10/7/202226恒溫差溫度補償電路（2）工作原理：10/3/202226（3）如何抵消系數(shù)KT的溫

16、度漂移： 加熱電流I與質量流量Qm的關系：溫度系數(shù)KT=0.150.18%/當橋式電路處于平衡狀態(tài)時，發(fā)熱元件與空氣的溫度差和發(fā)熱元件的電阻值RH的比值為：通過設置R1，則溫度差與RH的比值就與溫度值有關系：隨著溫度的升高，RH增大，比值則減小。因此，可以利用R1調整發(fā)熱元件與空氣溫度之差的溫度系數(shù)KT，就可以用（TH-TC）/RH抵消系數(shù)KT的溫度漂移。式中，k為常數(shù)。10/7/202227（3）如何抵消系數(shù)KT的溫度漂移：通過設置R1，則溫度差與R3.4 各種空氣流量傳感器的比較3.4.1 輸出特性（圖3-42）（1）動片時和熱絲式是非線性輸出，需做線性處理。 （2）在制造過程中所以類型傳

17、感器的測試精度都是按3%的標準進行調整的，這就是空氣流量傳感器的雜散性（不按指定部件產(chǎn)生誤差）和重復精度（在一個確定的測量點位置上，每次被測量的量變化到這個位置時傳感器表現(xiàn)出來的測量差值）。10/7/2022283.4 各種空氣流量傳感器的比較（1）動片時和熱絲式是非線性3.4.2 怠速時流量的測定精度評價空氣流量傳感器的工作穩(wěn)定性時的兩大要求：（1）對怠速時的測量精度的要求；（2）發(fā)動機罩下的溫度達到最高時的工作區(qū)域的要求。溫度特性難以補償?shù)目諝饬髁總鞲衅鞯牡∷贉y試精度較低：（1）利用熱量的熱絲式空氣流量傳感器容易受熱影響；（2）半導體壓力傳感器對溫度敏感容易受到影響。（半導體對溫度敏感）1

18、0/7/2022293.4.2 怠速時流量的測定精度10/3/2022293.4.3 加速時的響應特性產(chǎn)生響應滯后原因：慣性（動片式的可動部分的慣性、熱絲式的熱慣性）卡曼渦旋式是靠自身形成渦旋，基本不存在響應滯后。各種空氣流量傳感器響應性能比較：壓力式卡曼渦旋式熱絲式動片式。10/7/2022303.4.3 加速時的響應特性10/3/2022303.4.4 減速時的流量測試能力配有渦輪增壓發(fā)動機特別是裝有中間冷卻器的進氣系統(tǒng)，由于節(jié)氣門上游的管路比較長，所以在急減速時，因水錘現(xiàn)象產(chǎn)生氣柱振動。在急減速時進氣管壓力傳感器與熱絲式空氣流量傳感器的輸出變化情況如圖所示。上游設置空氣流量傳感器無法測量這類減速時的進氣量。設置在節(jié)氣門下游的進氣壓力傳感器可輸出發(fā)動機減速信號。10/7/2022313.4.4 減速時的流量測試能力10/3/2022313.4.5 脈動氣流的測定功能發(fā)動機在節(jié)氣門全開狀態(tài)下運轉，進氣是脈動氣流，要想精確的測定此時氣流，要求傳感器的響應性能好?？鼫u旋式和熱絲式空氣流量傳感器具有相應的功能。3.4.6 管道阻力（壓力損耗）進氣壓力傳感器最低；其次是熱絲式；再次是卡曼渦旋式；最后是動片式。10/7/2022323.4.5 脈動氣流的測定功能10/3/2022323.4.7 濕度的影響目前的空氣流量傳感器，基本上都是設法對吸氣溫度及大氣壓的變化分別加以修正，但都忽