空气流量传感器

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)。如果在截面AF上速度v分布是均匀的，则：vFqvAmv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,vFdqvdAv为流速整个截面上的流量qv为vFFqvdA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。vtmtVqdtMqdt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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。按结构形式分：叶片式空气流量计卡门涡旋式空气流量计热线式空气流量计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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。1、流量型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。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定义：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。特点：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又称翼片式或叶片式空气流量传感器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2CSB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1、体积流量型；2、测量范围大；3、进气量增大测量精度降低；4、电位计滑动触头影响精度；5、体积大；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3.3.1测量原理：在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluffbody），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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式中v1--旋涡发生体两侧平均流速，m/s；St--斯特劳哈尔数；dvSft1Kfqv其中：tSndDK24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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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三点要求：①耐疲劳的寿命长；②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；③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功能要求：①即便反光镜的工作角度为最小值，系统具有高灵敏度；②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1mmHg=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：1、测试精度高，可以输出线形数字信号，信号处理简单；2、性能稳定，可靠性高；3、由于检测的是体积流量，需对温度和大气压进行修正；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3.4热线式空气流量传感器（H/W）(Hot-WireAirFlowSensor)1）结构：南昌大学科技学院2）分类：“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；“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70μm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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=α+β√G式中：h——传热系数；α、β——常数；G——空气的质量流量，kg／s。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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=h·A·(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热线产生的热量W为W=RHI2式中：W——热线产生的热量，W。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：IG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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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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。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3.5热膜式空气流量传感器（H/F）(Hot-FilmAirFlowSensor)南昌大学科技学院工作原理：与热线式的基本相同，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。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（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