汽车用传感器第三章-空气流量传感器课件.ppt

1、第第3 3章章 空气流量传感器空气流量传感器 3.0 概述概述 电子控制燃油喷射装置的控制系统就是要根电子控制燃油喷射装置的控制系统就是要根据各种传感器信息，控制喷油器的动作，以实据各种传感器信息，控制喷油器的动作，以实现在各种进气状态下，总能保证达到最佳空燃现在各种进气状态下，总能保证达到最佳空燃比。比。空气流量传感器，也称空气流量传感器，也称空气空气流量计，是电喷发动机流量计，是电喷发动机的重要传感器之一。它将吸入的空气流量转换成电的重要传感器之一。它将吸入的空气流量转换成电信号送至电控单元信号送至电控单元(ECU)，作为决定喷油的基本信号，作为决定喷油的基本信号之一。是测定吸入发动机的空

2、气流量的传感器。之一。是测定吸入发动机的空气流量的传感器。10/22/20221种类（按传感器的特征）种类（按传感器的特征）（1）L型：直接监测进气量的流量传感器；型：直接监测进气量的流量传感器；直接测量空气体积流量的传感器直接测量空气体积流量的传感器，如叶片式空，如叶片式空气流量传感器、卡门涡流式空气流量传感器；气流量传感器、卡门涡流式空气流量传感器；直接测量空气质量流量的传感器，如热线式空直接测量空气质量流量的传感器，如热线式空气流量传感器、热膜式空气流量传感器。气流量传感器、热膜式空气流量传感器。特点：特点：L型控制方式采用的型控制方式采用的L型传感器能够适应汽型传感器能够适应汽车使用的

3、苛刻条件；但对踏油门时出现的流量急剧车使用的苛刻条件；但对踏油门时出现的流量急剧变化的响应要求及在传感器前后进气歧管形状所引变化的响应要求及在传感器前后进气歧管形状所引起的不均匀气流中的高精度监测要求较高。起的不均匀气流中的高精度监测要求较高。10/22/20222（2）D型：间接计量进气量的流量传感器；型：间接计量进气量的流量传感器；根据歧管负压与发动机转速间接计量进气根据歧管负压与发动机转速间接计量进气量。如：进气管半导体压力传感器。量。如：进气管半导体压力传感器。特点：特点：D型控制方式中的微机型控制方式中的微机ROM内，预内，预先储存着以发动机转速和进气管内的压力为先储存着以发动机转速

4、和进气管内的压力为参数的的各种状态下的进气量，微机根据所参数的的各种状态下的进气量，微机根据所测的各运转状态下的进气压力与转速，参照测的各运转状态下的进气压力与转速，参照ROM所记忆的进气量，可以算出燃油量所记忆的进气量，可以算出燃油量。该传感器的内容在第该传感器的内容在第4章介绍。章介绍。10/22/202233.1 动片式空气流量传感器动片式空气流量传感器 3.1.1动片式空气流量传感器结构动片式空气流量传感器结构 该传感器装在汽油发动机上，安装于空气滤清器该传感器装在汽油发动机上，安装于空气滤清器与节气门之间，其功能是检测发动机的进气量，并与节气门之间，其功能是检测发动机的进气量，并把检

5、测结果转换成电信号，再输入微机中。把检测结果转换成电信号，再输入微机中。结构：由空气流量计与电位计两部分组成，见图。结构：由空气流量计与电位计两部分组成，见图。10/22/20224工作过程：工作过程：由空气滤清器吸入的空气冲向动片，动片由空气滤清器吸入的空气冲向动片，动片转到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止转到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止（动片的开度与进气量成成正比）。在动片（动片的开度与进气量成成正比）。在动片的转动轴还装有电位计，电位计的滑动臂与的转动轴还装有电位计，电位计的滑动臂与动片同步转动，利用滑动电阻的电压降把测动片同步转动，利用滑动电阻的电压降把测量片的开度转换成电信号，然

6、后输入到控制量片的开度转换成电信号，然后输入到控制电路中。电路中。电位计上设有燃油泵触点，当发动机工作电位计上设有燃油泵触点，当发动机工作时，动片张开一定角度，触点闭合，燃油泵时，动片张开一定角度，触点闭合，燃油泵工作。工作。10/22/20225电位计的内部电路与输出特性如下图所示：电位计的内部电路与输出特性如下图所示：10/22/20226进气量与电压的关系有两种：进气量与电压的关系有两种：电压比检测电压比检测和电压值监测和电压值监测。电压比检测：电压比检测：）加在电位计上的电压（）变化（电位计滑动引起的电压进气量2BSCEVVV可以减少因可以减少因电压变化引起电压变化引起的误差的误差10

7、/22/20227电压值检测：电压值检测：进气量进气量=电位计滑动引起的电压变化（电位计滑动引起的电压变化（VS-E2）10/22/20228两种检测方法特性对比：两种检测方法特性对比：电压比检测：输出特性为折线电压比检测：输出特性为折线电压值监测：输出特性为直线电压值监测：输出特性为直线 Q1/VS)/(1BSUUQ10/22/202293.1.2 动片式空气流量传感器的测试原理动片式空气流量传感器的测试原理原理图如右图所示。原理图如右图所示。（P2-P1）可看成定值，）可看成定值，所以所以QA，为了消除，为了消除蓄电池电压蓄电池电压UB变化对变化对测试值影响，将测试值影响，将US/UB作为

8、传感器的输出。作为传感器的输出。由于输出由于输出US/UB的值与体积流量的值与体积流量Q成函数关系，所以成函数关系，所以采用采用进气温度传感器进气温度传感器修正空气密度修正空气密度随温度产生的变随温度产生的变化，采用化，采用大气压传感器大气压传感器对高原行车引起的变化加以修对高原行车引起的变化加以修正。正。)(221ppgAQ10/22/202210输出特性：如右图输出特性：如右图量化误差：量化误差：为了把信号输入为了把信号输入到微机中，还要利用到微机中，还要利用AD变换变换器把信号作数字化处理，将此器把信号作数字化处理，将此时最低位所示的空气流量称为时最低位所示的空气流量称为量化误差量化误差

9、。进气量越大，量化。进气量越大，量化误差越大。误差越大。特点：特点：测量范围受到制约；测量范围受到制约；电位计的触头要保证长期使用的可靠性；电位计的触头要保证长期使用的可靠性；为了使响应特性稳定，需增设阻尼结构，从而造为了使响应特性稳定，需增设阻尼结构，从而造成体积增大、重量增加，而且响应性能偏低。成体积增大、重量增加，而且响应性能偏低。10/22/2022113.2 卡曼涡旋式空气流量传感器卡曼涡旋式空气流量传感器相比较动片式空气流量传感器，扩展了测量范围，相比较动片式空气流量传感器，扩展了测量范围，取消了滑动触点，体积小巧，重量轻；取消了滑动触点，体积小巧，重量轻；涡旋的检测方法、电子控制

10、电路与检测精度根本无涡旋的检测方法、电子控制电路与检测精度根本无关，抗干扰性强；关，抗干扰性强；传感器输出的是数字信号（频率），向控制系统传感器输出的是数字信号（频率），向控制系统（ECU）输入信号时，可以省去）输入信号时，可以省去AD转换器；转换器；优点：优点：测试精度高，可以输出线性数字信号，信号处理简测试精度高，可以输出线性数字信号，信号处理简单；单；长期使用时，性能不会发生变化长期使用时，性能不会发生变化；检测体积流量，不需要对温度及大气压进行修正。检测体积流量，不需要对温度及大气压进行修正。10/22/2022123.2.1 检测原理检测原理卡曼涡街卡曼涡街 卡门涡街是流体力学中重要

11、的现象卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常在自然界中常可遇到，在一定条件下流体绕过非流线形物体时，物可遇到，在一定条件下流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧会周期性产生成对的、交替排列的、体尾流左右两侧会周期性产生成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。旋转方向相反的反对称涡旋。如右图所示，当如右图所示，当h/l=0.281时，所形成时，所形成的涡旋是稳定且周期的涡旋是稳定且周期性的。产生频率性的。产生频率f与流与流体速度体速度v1有如下关系：有如下关系：dvStf1KfqV10/22/2022133.2.2 超声波式卡曼涡旋空气流量传感器超声波式卡曼涡旋空气流量传感器结构如

12、右图所示：结构如右图所示：安装于空气滤清器内部。安装于空气滤清器内部。两个进气通道。两个进气通道。主通道主通道：进气流量的检测进气流量的检测部分设在主通道；部分设在主通道；旁通道旁通道：为了能够调整主为了能够调整主通道的流量，以便使主通通道的流量，以便使主通道的监测特性呈理想状态。道的监测特性呈理想状态。卡曼涡旋发生器：卡曼涡旋发生器：4和和5。超声波发送器和接收器：超声波发送器和接收器：通道内壁有吸通道内壁有吸音音材料，防材料，防止超声波的不规则反射。止超声波的不规则反射。10/22/202214流量检测原理电路：流量检测原理电路：超声波检测原理：超声波检测原理：超声波超声波与进气气流成垂直

13、方向传播，与进气气流成垂直方向传播，受卡曼涡旋的作用，仅与垂直受卡曼涡旋的作用，仅与垂直的速度成分才被调制，调制造的速度成分才被调制，调制造成的相位的提前与滞后和交替成的相位的提前与滞后和交替产生的涡旋是同步的，因此通产生的涡旋是同步的，因此通过相位的变化就可以测量出涡过相位的变化就可以测量出涡旋的频率。旋的频率。超声波的频率一般为超声波的频率一般为40KHz，其原因是在没有涡旋的通道上其原因是在没有涡旋的通道上发送的超声波和接收到的超声发送的超声波和接收到的超声波相位相同。波相位相同。10/22/202215输出信号波形：输出信号波形：进气量越多，卡曼涡旋的频率越高，空气进气量越多，卡曼涡旋

14、的频率越高，空气流量传感器输出信号的频率越高，控制组件根流量传感器输出信号的频率越高，控制组件根据此信号计算进气量。据此信号计算进气量。10/22/2022163.2.3 压力检测型卡曼涡旋式空气流量传感器压力检测型卡曼涡旋式空气流量传感器1、原理：、原理：在通道内涡在通道内涡旋交替产生，涡旋发生旋交替产生，涡旋发生器两端的压力也交替变器两端的压力也交替变化，这种变化经导压孔化，这种变化经导压孔引导到反光镜腔体中，引导到反光镜腔体中，固定反光镜的张紧带会固定反光镜的张紧带会发生同频率的扭曲和变发生同频率的扭曲和变形，如右图。形，如右图。在反光镜的上部由发光二极管和光敏三极管构成在反光镜的上部由

15、发光二极管和光敏三极管构成的光传感器，会因为反光镜的震动，而使发光二极管的光传感器，会因为反光镜的震动，而使发光二极管发出的光反射到光敏三极管，并形成电流，经整形电发出的光反射到光敏三极管，并形成电流，经整形电路后输出。路后输出。10/22/2022172、结构：如右图、结构：如右图设计时确定流速与涡旋设计时确定流速与涡旋频率之间为正比例关系，频率之间为正比例关系，以保证在很宽的流量范以保证在很宽的流量范围上涡旋发生器都会产围上涡旋发生器都会产生稳定的强烈的涡旋。生稳定的强烈的涡旋。（1）空气通道的构成：）空气通道的构成：锥度通道：减少压力损耗锥度通道：减少压力损耗矩形通道：获得稳定涡旋矩形通

16、道：获得稳定涡旋（2）涡旋发生器：）涡旋发生器：前面剖面形状为三角形，前面剖面形状为三角形，后面剖面形状为梯形。后面剖面形状为梯形。目的：得到稳定的卡曼涡旋。目的：得到稳定的卡曼涡旋。10/22/202218（3）反光镜振动系统）反光镜振动系统三点要求：三点要求：耐疲劳的使用寿命要长；耐疲劳的使用寿命要长；低流速时应具有足够的工作角，高流速时应出现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；稳定的振动；过渡时期也应有稳定的振动。过渡时期也应有稳定的振动。反光镜与张紧带：耐腐蚀的整块金属箔制成；反光镜与张紧带：耐腐蚀的整块金属箔制成；反光室腔：设置有斜面；反光室腔：设置有斜面；为了防止

17、反光镜倾斜过度而损坏；为了防止反光镜倾斜过度而损坏；利用反光镜和斜面形成阻尼效果；利用反光镜和斜面形成阻尼效果；最高流速时反光镜的工作角取决于反光镜扭转方向最高流速时反光镜的工作角取决于反光镜扭转方向的惯性矩、空气的阻尼作用和涡旋压力的大小，而倾的惯性矩、空气的阻尼作用和涡旋压力的大小，而倾斜面的角度取决于最大流速时的反光镜的工作角斜面的角度取决于最大流速时的反光镜的工作角。10/22/202219（4）光学系统）光学系统即便反光镜的工作即便反光镜的工作角度为最小值，系统角度为最小值，系统应具有高灵敏度：应具有高灵敏度：如图所示，反光镜如图所示，反光镜工作角设定在曲线上工作角设定在曲线上大致直

18、线位置，大致直线位置，反光反光镜的最小工作角镜的最小工作角最小可达光敏器件所最小可达光敏器件所占角度的占角度的1/41/4，即可输，即可输出高灵敏信号。出高灵敏信号。10/22/202220即便反光镜有污浊，即便反光镜有污浊，也可得到稳定的信号：也可得到稳定的信号：如图虚线所示，当如图虚线所示，当反光镜污浊后，光敏反光镜污浊后，光敏三极管发出的电流会三极管发出的电流会减小，这时利用电流减小，这时利用电流反馈电路控制放大电反馈电路控制放大电路输出的电流，使得路输出的电流，使得进入整形电路之前的进入整形电路之前的电流平均值为一定值，电流平均值为一定值，以保证的得到稳定信以保证的得到稳定信号。号。1

19、0/22/202221（5）传感器的特性）传感器的特性30mS内节气门从关闭到全打开响应特性如图所示：内节气门从关闭到全打开响应特性如图所示：上曲线为节气门开度特性；上曲线为节气门开度特性；下曲线为经下曲线为经 f/V（电压）（电压）变换后的传感器输出特性。变换后的传感器输出特性。从图从图3-26、3-27可以看出可以看出测量范围宽、压力损耗小，测量范围宽、压力损耗小，在非常宽的流速范围内，空在非常宽的流速范围内，空气流速与涡旋频率呈直线关气流速与涡旋频率呈直线关系。系。10/22/2022223.3 热丝式空气流量传感器热丝式空气流量传感器 3.3.1 热丝式空气流量传感器的结构（简称热丝式

20、空气流量传感器的结构（简称H/W）如图如图3-31所示：所示：作为发热体的热丝是用直径作为发热体的热丝是用直径为为70um的铂丝制成的，张紧的铂丝制成的，张紧装于管道内部，设计时就使其装于管道内部，设计时就使其比进气温度高比进气温度高120度。度。在温度传感器内有空气温度在温度传感器内有空气温度补偿电阻。由氧化铝陶瓷基片补偿电阻。由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的，与精密印刷的铂膜而形成的，与精密电阻一起设置在管道内。电阻一起设置在管道内。10/22/202223为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开档时，在一定

21、的灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开档时，在一定的条件下，将热丝加热到条件下，将热丝加热到1000度、度、1秒，烧掉灰尘等附秒，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件，所以响应性好。着物。因为是用铂丝做发热元件，所以响应性好。p热膜丝空气流量传感器（热膜丝空气流量传感器（H/F）与与H/W传感器类似，传感器类似，H/F也是采用平面形薄膜电阻也是采用平面形薄膜电阻器作为发热元件。器作为发热元件。制造方法是：在氧化铝基片上蒸发出的铂的薄膜，制造方法是：在氧化铝基片上蒸发出的铂的薄膜，通过图形制作形成梳状电阻，再调节到所要求的电阻通过图形制作形成梳状电阻，再调节到所要求的电阻值，此后，作成保护膜，再

22、接好电极引线。值，此后，作成保护膜，再接好电极引线。与热丝式相比，热膜式发热元件的响应性稍差，但与热丝式相比，热膜式发热元件的响应性稍差，但电阻值较高，消耗的电流小，可以做到小型、轻巧。电阻值较高，消耗的电流小，可以做到小型、轻巧。此外，因其发热元件是平面型的，设置在计量通道内此外，因其发热元件是平面型的，设置在计量通道内时就可以减少附着物，即提高抗污性。时就可以减少附着物，即提高抗污性。10/22/2022243.3.2 工作原理工作原理 在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝（热丝），在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝（热丝），当气流通过已加热的热丝，热丝温度下降，气流速度当气流通过已加热

23、的热丝，热丝温度下降，气流速度越高，夺走热量越多。为了保证热丝的温度为一定值，越高，夺走热量越多。为了保证热丝的温度为一定值，就必须控制加热电流，根据加热电流的大小，即可检就必须控制加热电流，根据加热电流的大小，即可检测出空气的流量。测出空气的流量。加热电流加热电流I与质量流量与质量流量Qm的关系：的关系：2/1)(HnmCHTRQTTKKImpnmmTCK1 通过保证发热元件与空气温度差和通过保证发热元件与空气温度差和RH的比为一定的比为一定值的办法，就可以根据发热元件的加热电流求出质量值的办法，就可以根据发热元件的加热电流求出质量流量流量Qm。然而系数。然而系数KT随温度值的变化而变化，可

24、采随温度值的变化而变化，可采用恒温差控制电路进行温度漂移的补偿。用恒温差控制电路进行温度漂移的补偿。10/22/202225恒温差温度补偿电路恒温差温度补偿电路（1）组成：由发热元件、空）组成：由发热元件、空气温度补偿电阻（温度传感气温度补偿电阻（温度传感器）分别作为要素的惠斯通器）分别作为要素的惠斯通电桥以及具有电流放大作用电桥以及具有电流放大作用的运算放大器构成。的运算放大器构成。（2）工作原理：）工作原理：当发热元件的温度高于空气当发热元件的温度高于空气温度时，电桥才能达到平衡，温度时，电桥才能达到平衡，通过向桥式电路输入加热电流通过向桥式电路输入加热电流才能保持发热元件的温度为恒才能保

25、持发热元件的温度为恒定值。定值。此时，精密电阻此时，精密电阻R3输出输出与进气量相应的电压。与进气量相应的电压。10/22/202226（3）如何抵消系数）如何抵消系数KT的温度漂移：的温度漂移：加热电流加热电流I与质量流量与质量流量Qm的关系：的关系：温度系数温度系数KT=0.150.18%/当桥式电路处于平衡状态时，发热元件与空气的当桥式电路处于平衡状态时，发热元件与空气的温度差和发热元件的电阻值温度差和发热元件的电阻值RH的比值为：的比值为：通过设置通过设置R1，则温度差与，则温度差与RH的比值就与温度值有的比值就与温度值有关系：关系：随着温度的升高，随着温度的升高，RH增大，比值则减小

26、。增大，比值则减小。因此，可以利用因此，可以利用R1调整发热元件与空气温度之差调整发热元件与空气温度之差的温度系数的温度系数KT，就可以用（，就可以用（TH-TC）/RH抵消系数抵消系数KT的温度漂移。的温度漂移。2/1)(HnmCHTRQTTKKI010)1()(KHHHCHRRRRkRTT式中，式中，k为常数。为常数。10/22/2022273.4 各种空气流量传感器的比较各种空气流量传感器的比较3.4.1 输出特性（图输出特性（图3-42）（1）动片时和热丝式是非线性输出，需做线性处理。）动片时和热丝式是非线性输出，需做线性处理。（2）在制造过程中所以）在制造过程中所以类型传感器的测试精

27、度类型传感器的测试精度都是按都是按3%的标准进的标准进行调整的，这就是空气行调整的，这就是空气流量传感器的杂散性流量传感器的杂散性（不按指定部件产生误（不按指定部件产生误差）差）和重复精度和重复精度（在一（在一个确定的测量点位置上，个确定的测量点位置上，每次被测量的量变化到每次被测量的量变化到这个位置时传感器表现这个位置时传感器表现出来的测量差值）出来的测量差值）。10/22/2022283.4.2 怠速时流量的测定精度怠速时流量的测定精度评价空气流量传感器的工作稳定性时的两大评价空气流量传感器的工作稳定性时的两大要求：要求：（1）对怠速时的测量精度的要求；）对怠速时的测量精度的要求；（2）发

28、动机罩下的温度达到最高时的工作区）发动机罩下的温度达到最高时的工作区域的要求。域的要求。温度特性难以补偿的空气流量传感器的怠速温度特性难以补偿的空气流量传感器的怠速测试精度较低：测试精度较低：（1）利用热量的热丝式空气流量传感器容易）利用热量的热丝式空气流量传感器容易受热影响；受热影响；（2）半导体压力传感器对温度敏感容易受到）半导体压力传感器对温度敏感容易受到影响。（半导体对温度敏感）影响。（半导体对温度敏感）10/22/2022293.4.3 加速时的响应特性加速时的响应特性产生响应滞后原因：惯性（动片式的可动产生响应滞后原因：惯性（动片式的可动部分的惯性、热丝式的热惯性）部分的惯性、热丝

29、式的热惯性）卡曼涡旋式是靠自身形成涡旋，基本不存卡曼涡旋式是靠自身形成涡旋，基本不存在响应滞后。在响应滞后。各种空气流量传感器响应性能比较：压力各种空气流量传感器响应性能比较：压力式式卡曼涡旋式卡曼涡旋式热丝式热丝式动片式。动片式。10/22/2022303.4.4 减速时的流量测试能力减速时的流量测试能力配有涡轮增压发动机特别是装有中间冷却器的进气配有涡轮增压发动机特别是装有中间冷却器的进气系统，由于节气门上游的管路比较长，所以在急减速系统，由于节气门上游的管路比较长，所以在急减速时，因水锤现象产生气柱振动。时，因水锤现象产生气柱振动。在急减速时进气管压力传感器与热丝式空气流量传在急减速时进

30、气管压力传感器与热丝式空气流量传感器的输出变化情况如图所示。感器的输出变化情况如图所示。上游设置空气流量上游设置空气流量传感器无法测量这类传感器无法测量这类减速时的进气量。减速时的进气量。设置在节气门下游设置在节气门下游的进气压力传感器可的进气压力传感器可输出发动机减速信号。输出发动机减速信号。10/22/2022313.4.5 脉动气流的测定功能脉动气流的测定功能发动机在节气门全开状态下运转，进气是脉发动机在节气门全开状态下运转，进气是脉动气流，要想精确的测定此时气流，要求传感动气流，要想精确的测定此时气流，要求传感器的响应性能好。器的响应性能好。卡曼涡旋式和热丝式空气流量传感器具有相卡曼涡

31、旋式和热丝式空气流量传感器具有相应的功能。应的功能。3.4.6 管道阻力（压力损耗）管道阻力（压力损耗）进气压力传感器最低；进气压力传感器最低；其次是热丝式；其次是热丝式；再次是卡曼涡旋式；再次是卡曼涡旋式；最后是动片式。最后是动片式。10/22/2022323.4.7 湿度的影响湿度的影响目前的空气流量传感器，目前的空气流量传感器，基本上都是设法对吸气基本上都是设法对吸气温度及大气压的变化分温度及大气压的变化分别加以修正，但都忽略别加以修正，但都忽略了湿度的影响。了湿度的影响。相对干燥空气，计算相对干燥空气，计算水蒸气部分压力的误差水蒸气部分压力的误差如右图所示。如右图所示。（1）湿度高，误差大；）湿度高，误差大；（2）温度高，误差大；）温度高，误差大；10/22/2022333.4.8 综合比较综合比较直接测量式直接测量式/间接测量式；间接测量式；体积流量计体积流量计/质量流量计（热丝式：空气的导热率、质量流量计（热丝式：空气的导热率、粘度率等几乎不随压力发生变化，误差小）；粘度率等几乎不随压力发生变化，误差小）；10/22/202234n叶片式空气流量计10/22/202235n涡轮式空气流量计10/22/202236n热线式空气流量计10/22/202237