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(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)在各種進(jìn)氣狀態(tài)下，總能保證達(dá)到最佳空燃比。空氣流量傳感器，也稱空氣流量計(jì)，是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(zhì)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(diǎn)：L型控制方式采用的L型傳感器能夠適應(yīng)汽車使用的苛刻條件；但對踏油門時(shí)出現(xiàn)的流量急劇變化的響應(yīng)要求及在傳感器前后進(jìn)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(jì)量進(jìn)氣量的流量傳感器；根據(jù)歧管負(fù)壓與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間接計(jì)量進(jìn)氣量。如：進(jìn)氣管半導(dǎo)體壓力傳感器。 特點(diǎn)：D型控制方式中的微機(jī)ROM內(nèi)，預(yù)先儲存著以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣管內(nèi)的壓力為參數(shù)的的各種狀態(tài)下的進(jìn)氣量，微機(jī)根據(jù)所測的各運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的進(jìn)氣壓力與轉(zhuǎn)速，參照ROM所記憶的進(jìn)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(jì)量進(jìn)氣量的流量傳感器；10/3/202233.1 動(dòng)片式空氣流量傳感器 3.1.1動(dòng)片式空氣流量傳感器結(jié)構(gòu) 該傳感器裝在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，并把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號，再輸入微機(jī)中。 結(jié)構(gòu)：由空氣流量計(jì)與電位計(jì)兩部分組成，見圖。 10/7/202243.1 動(dòng)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(dòng)片，動(dòng)片轉(zhuǎn)到進(jìn)氣量與回位彈簧平衡的位置處停止（動(dòng)片的開度與進(jìn)氣量成成正比）。在動(dòng)片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸還裝有電位計(jì)，電位計(jì)的滑動(dòng)臂與動(dòng)片同步轉(zhuǎn)動(dòng)，利用滑動(dòng)電阻的電壓降把測量片的開度

4、轉(zhuǎn)換成電信號，然后輸入到控制電路中。 電位計(jì)上設(shè)有燃油泵觸點(diǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)片張開一定角度，觸點(diǎn)閉合，燃油泵工作。10/7/20225工作過程：10/3/20225電位計(jì)的內(nèi)部電路與輸出特性如下圖所示：10/7/20226電位計(jì)的內(nèi)部電路與輸出特性如下圖所示：10/3/20226進(jìn)氣量與電壓的關(guān)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(jìn)氣量與電壓的關(guān)系有兩種：電壓比檢測和電壓值監(jiān)測 。可以減少電壓值檢測：進(jìn)氣量=電位計(jì)滑動(dòng)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(dòng)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(guān)系，所以采用進(jìn)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(dòng)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(jī)中，還要利用AD變換器把信號作數(shù)字化處理，將此時(shí)

6、最低位所示的空氣流量稱為量化誤差。進(jìn)氣量越大，量化誤差越大。特點(diǎn)：測量范圍受到制約；電位計(jì)的觸頭要保證長期使用的可靠性；為了使響應(yīng)特性穩(wěn)定，需增設(shè)阻尼結(jié)構(gòu)，從而造成體積增大、重量增加，而且響應(yīng)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(dòng)片式空氣流量傳感器，擴(kuò)展了測量范圍，取消了滑動(dòng)觸點(diǎn)，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(guān)，抗干擾性強(qiáng)；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(shí)，可以省去AD轉(zhuǎn)換器；優(yōu)點(diǎn)：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(shí)，性能不會(huì)發(fā)生變化

7、 ；檢測體積流量，不需要對溫度及大氣壓進(jìn)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(xué)中重要的現(xiàn)象,在自然界中?？捎龅?，在一定條件下流體繞過非流線形物體時(shí)，物體尾流左右兩側(cè)會(huì)周期性產(chǎn)生成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋。 如右圖所示，當(dāng)h/l=0.281時(shí)，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(guān)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(jié)構(gòu)如右圖所示：安裝于空氣濾清器內(nèi)部。兩個(gè)進(jìn)氣通道。主通道：進(jìn)氣流量的檢測

8、部分設(shè)在主通道；旁通道：為了能夠調(diào)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(jìn)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(diào)制，調(diào)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(jìn)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(jì)算進(jìn)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(dǎo)壓孔引導(dǎo)到反光鏡腔體中，固定反光鏡的張緊帶會(huì)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(gòu)成的光傳感器，會(huì)因?yàn)榉垂忡R的震動(dòng)，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(jié)構(gòu)：如右圖設(shè)計(jì)時(shí)確定流速與渦旋頻率之間為正比例關(guān)系，以保證在很寬的流量范圍上渦旋發(fā)生器都會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的強(qiáng)烈的渦旋。（1）空氣通道的構(gòu)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(jié)構(gòu)：如右圖10/3/202218（3）反光鏡振動(dòng)系統(tǒng)三點(diǎn)要求：耐疲勞的使用壽命要長；低流速時(shí)應(yīng)具有足夠的工作角，高流速時(shí)應(yīng)出現(xiàn)穩(wěn)定的振動(dòng)；過渡時(shí)期也應(yīng)有穩(wěn)定的振動(dòng)。反光鏡與張緊帶：耐腐蝕的整塊金屬箔制成；反光室腔：設(shè)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(shí)反光鏡的工作角取決于反光鏡扭轉(zhuǎn)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(shí)的反光鏡的工作角。10/7/202219（3）反光鏡振動(dòng)系統(tǒng)10/3/202219（4）光學(xué)系統(tǒng)即便反光鏡的工作角度為最小值，系統(tǒng)應(yīng)具有高靈敏度： 如圖所示，反光鏡工作角設(shè)定在曲線上大致直線位置，反光鏡的最小工作角最小可達(dá)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(xué)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(dāng)反光鏡污濁后，光敏三極管發(fā)出的電流會(huì)減小，這時(shí)利用電流反饋電路控制放大電路輸出的電流，使得進(jìn)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(guān)閉到全打開響應(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)（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(shè)計(jì)時(shí)就使其比進(jìn)氣溫度高120度。 在溫度傳感器內(nèi)有空氣溫度補(bǔ)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(shè)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(shè)有灰塵燃燒電路，在點(diǎn)火開關(guān)置于斷開檔時(shí)，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?yàn)槭怯勉K絲做發(fā)熱元件，所以響應(yīng)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(diào)節(jié)到所要求的電阻值，此后

14、，作成保護(hù)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(yīng)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(shè)置在計(jì)量通道內(nèi)時(shí)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(shè)有灰塵燃燒電路，在3.3.2 工作原理 在進(jìn)氣通道上設(shè)有用電流加熱的鉑金屬絲（熱絲），當(dāng)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(zhì)量流量Qm的關(guān)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(zhì)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(jìn)行溫度漂移的補(bǔ)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(bǔ)償電路（1）組成：由發(fā)熱元件、空氣溫度補(bǔ)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(yùn)算放大器構(gòu)成。（2）工作原理： 當(dāng)發(fā)熱元件的溫度高于空氣溫度時(shí)，電橋才能達(dá)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(shí)，精密電阻R3輸出與進(jìn)氣量相應(yīng)的電壓。10/7/202226恒溫差溫度補(bǔ)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(zhì)量流量Qm的關(guān)系：溫度系數(shù)KT=0.150.18%/當(dāng)橋式電路處于平衡狀態(tài)時(shí)，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(shè)置R1，則溫度差與RH的比值就與溫度值有關(guān)系：隨著溫度的升高，RH增大，比值則減小。因此，可以利用R1調(diào)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(shè)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(dòng)片時(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)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(fù)精度（在一個(gè)確定的測量點(diǎn)位置上，每次被測量的量變化到這個(gè)位置時(shí)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(dòng)片時(shí)和熱絲式是非線性3.4.2 怠速時(shí)流量的測定精度評價(jià)空氣流量傳感器的工作穩(wěn)定性時(shí)的兩大要求：（1）對怠速時(shí)的測量精度的要求；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的溫度達(dá)到最高時(shí)的工作區(qū)域的要求。溫度特性難以補(bǔ)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(dǎo)體壓力傳感器對溫度敏感容易受到影響。（半導(dǎo)體對溫度敏感）1

18、0/7/2022293.4.2 怠速時(shí)流量的測定精度10/3/2022293.4.3 加速時(shí)的響應(yīng)特性產(chǎn)生響應(yīng)滯后原因：慣性（動(dòng)片式的可動(dòng)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(yīng)滯后。各種空氣流量傳感器響應(yīng)性能比較：壓力式卡曼渦旋式熱絲式動(dòng)片式。10/7/2022303.4.3 加速時(shí)的響應(yīng)特性10/3/2022303.4.4 減速時(shí)的流量測試能力配有渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)特別是裝有中間冷卻器的進(jìn)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(shí)，因水錘現(xiàn)象產(chǎn)生氣柱振動(dòng)。在急減速時(shí)進(jìn)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(shè)置空氣流量傳感器無法測量這類減速時(shí)的進(jìn)氣量。設(shè)置在節(jié)氣門下游的進(jìn)氣壓力傳感器可輸出發(fā)動(dòng)機(jī)減速信號。10/7/2022313.4.4 減速時(shí)的流量測試能力10/3/2022313.4.5 脈動(dòng)氣流的測定功能發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門全開狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)氣是脈動(dòng)氣流，要想精確的測定此時(shí)氣流，要求傳感器的響應(yīng)性能好?？鼫u旋式和熱絲式空氣流量傳感器具有相應(yīng)的功能。3.4.6 管道阻力（壓力損耗）進(jìn)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(dòng)片式。10/7/2022323.4.5 脈動(dòng)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(shè)法對吸氣溫度及大氣壓的變化分別加以修正，但都忽