汽车传感器课件第2章 流量.ppt

第二章空气流量传感器的结构 原理与检测 汽车传感器 第一节概述 空气流量传感器 AFS 又称为空气流量计 AFM 是进气歧管质量型空气流量传感器 MAFS 的简称 一 功用 检测发动机进气量的大小 并将进气量信息变换成电信号输入ECU 进气量信号是ECU计算喷油时间和点火时间的主要依据 二 空气供给系统的类型 汽车燃油喷射系统 EFI 根据空气供给系统的计量方式 EFI系统可分为 L型EFI系统D型EFI系统 通过空气流量计检测进入发动机空气质量 汽车采用的L型传感器分为体积流量型传感器和质量流量型传感器 喷油器 进气岐管稳压室 空气流量传感器 空气滤清器 怠速空气阀 节气门体 质量流量或体积流量方式 1 L型EFI系统 L型传感器采用直接测量方式 所以进气量的测量精度较高 控制效果优于D型燃油喷射系统 通过进气歧管绝对压力传感器检测进气歧管内的绝对压力从而间接测量进气量 D型EFI系统利用进气歧管绝对压力和发动机转速来计算吸入气缸的空气量 又称为速度 密度型EFI系统 喷油器 进气岐管压力传感器 空气滤清器 怠速空气阀 进气岐管稳压室 节气门体 速度 密度方式 2 D型EFI系统 由于空气在进气歧管内流动时会产生压力波动 D型燃油喷射系统的测量精度不高 但控制系统的成本较低 三 EFI采用的空气流量计类型 翼片式空气流量计体积流量型卡门涡流式空气流量计体积流量型热线式空气流量计质量流量型热膜式空气流量计质量流量型量芯式空气流量计体积流量型 空气流量传感器安装在空气滤清器与进气软管之间 空气流量传感器的安装位置 例 桑塔纳2000轿车发动机汽油喷射系统 例 别克轿车电子控制汽油喷射系统 第二节翼片式空气流量传感器和卡尔曼涡流式空气流量传感器 一 翼片式空气流量传感器 一 翼片式空气流量传感器结构 原理 翼片式空气流量传感器又称为叶片式 动片式 风门式 量板式空气流量传感器 测量翼片 缓冲翼片 1 结构主要组成部件 1 检测部件由测量叶片和缓冲叶片组成 翼片总成固定在电位计转轴上 测量翼片在主进气道内随空气流量的变化而偏转 缓冲翼片与缓冲室起到阻尼作用 当发动机吸入的空气量急剧变化时 使翼片转动平稳 减小翼片脉动 进气岐管侧 空气滤清器侧 缓冲室 安装在传感器壳体上部 由带平衡配重的滑臂和印制电路板上的镀膜电阻组成 滑臂与翼片固定在同一转轴上并一起转动 电位计内设有片状螺旋形复位弹簧 调节齿圈 2 电位计 1 平衡配重 起到平衡作用 使滑臂平稳偏摆 有刻度标记 调整复位弹簧的预紧力 从而调整传感器的输出特性 2 调节齿圈 控制电动燃油泵 发动机运转时翼片稍微偏转 其触点闭合 接通泵油 当发动机熄火后翼片关闭 触点顶开 燃油泵停止转动 在汽车发生事故而油管破裂时 可以防止燃油泵继续泵油导致燃油外溢而发生火灾 4 接线插座 1 燃油泵开关 3 其他部件 2 CO调整螺钉 旁通进气道上设有改变旁通进气量的CO 一氧化碳 调整螺钉 用来调节发动机怠速时CO排放量 安装在主进气道的进气口上 电阻两端的引线分别与接线插座上的搭铁端子E2和温度信号输出端子THA连接 3 进气温度传感器 空气滤清器侧 进气岐管侧 测量翼片 空气流过传感器主进气道时 翼片受到气流压力产生的推力矩和复位弹簧力矩的作用 翼片偏转直到弹簧力矩与推力力矩平衡为止 翼片受到的推力力矩与空气流量成正比 翼片偏转角度 与进气量成正比 电位计滑臂和翼片均固定在同一转轴上 电位计滑臂与翼片同时偏转 端子Vc与Vs之间输出电压Us随进气量变化 利用力矩平衡原理和电位计原理 2 传感器工作原理 VB E2 VC US VS UB 3 传感器电路 热敏电阻 进气温度传感器由NTC热敏电阻套装在塑料壳体内构成 安装在主进气道的进气口上 电阻两端的引线分别与接线插座上的搭铁端子E2和温度信号输出端子THA连接 二 翼片式空气流量传感器检测 翼片式空气流量传感器检测方法有开路检测和在路检测两种 以后其他章节的传感器检测 开路检测 在传感器与传感器电路不连接的情况下 对传感器内部状况进行检测 一般通过检测有关端子间的电阻值或通断情况进行判断 在路检测 传感器在工作状态时 通过检测传感器有关端子的电压 信号波形和电路导通情况等 对传感器 ECU及连接导线进行综合检测 缓冲室 复位弹簧 缓冲翼片 测量翼片 进气温度传感器 空气流 ECU 1 开路检测 1 检测有关端子间的电阻值或通断 2 通过加温检测热敏电阻的阻值变化 点火开关断开 拔下传感器的配线连接器 2 在路检测 点火开关接通 检测电源 有关端子的电压值和线路的导通 丰田汽车翼式空气流量传感器各端子之间的电阻值 众所周知 空气的质量与其温度和大气压力有关 温度越低或大气压力越高 空气密度越大 空气质量就越大 反之 温度越高或大气压力越低 空气质量就越小 翼片式流量传感器检测的是进气气流的体积流量 当进气温度或大气压力发生变化时 相同体积的空气质量就会发生变化 为了避免环境温度和大气压力变化给流量检测带来的误差 所有检测体积流量的空气流量传感器都采用了进气温度传感器和大气压力传感器进行修正 翼片式空气流量传感器已经持续生产使用多年 它具有结构简单 价格便宜 可靠性高等优点 目前许多车型仍采用翼片式空气流量传感器 二 卡尔曼涡流式空气流量传感器 一 卡尔曼涡流式空气流量传感器结构 原理 光电检测涡流式空气流量传感器 涡流发生器原理 在测量管中垂直放置一个柱状或三角状物体时 流体通过柱状物两侧就交替地产生有规则的旋涡 这种旋涡列称为卡门涡街 卡门涡街的释放频率与流体的流动速度及柱状物的宽度有关 可用下式表示 F St V d式中 F 卡门涡街的释放频率St 系数 称为斯特罗哈数 V 流速d 柱状物的宽度卡门涡街的释放频率F和流速V成正比 因此通过测量卡门涡街的释放频率就可算出瞬时流量 斯特罗哈数是涡街流量计的重要系数 在曲线的St 0 17的平直部分 旋涡的释放频率与流速成正比 所以检出频率F就可求得流速V 由V求出体积流量 流体涡流效应 1 结构主要组成部件 1 蜂窝状整流网栅 使进气在涡流发生器之前形成比较稳定的气流 在传感器气流入口处 2 涡流发生器 周期性地产生稳定的卡尔曼涡流 在涡流发生器上设有一个稳流槽和两个导压孔 5 发光二极管 LED 发出光束 设置在镜面上部 6 光敏晶体管 接受反光镜的反射发光束 变换成电信号 3 反光镜 反射发光二极管的光 用反光能力强的金属箔片制成 并用细薄的张紧带张紧在导压腔的外表面上 4 板簧片 给张紧带施加适当的预紧力 防止张紧带和反光镜振幅过大而损坏 设在导压腔内 并紧贴张紧带 7 集成信号处理电 路将频率信号变换成方波信号后 再输入到ECU进行运算处理 2 传感器工作原理 在进气道内放置一个三角形或流线型涡流发生器 当空气流经三角形或流线形涡流发生器时 在发生器的后方气流中就会产生一系列不对称但十分规则的空气旋涡 这些旋涡称为卡尔曼涡流 根据卡尔曼涡流理论 涡流发生器产生的旋涡将要沿着气流流动方向向后移动 移动速度与空气流速成正比 即在单位时间内流过涡流发生器后方某一点的旋涡数量与空气流速成正比 所以 通过测量单位时间内空气旋涡的数量 即旋涡的频率 就可以计算出空气的流速和流量 卡尔曼涡流使空气压力变化 变化的压力经导压孔引向金属膜反光镜使其产生振动 其振动频率与涡流频率相等 反光镜将发光二极管的光束反射到光敏晶体管上 通过光敏晶体管检测涡流频率 该频率信号输入到ECU 卡尔曼涡流式空气流量传感器优缺点 优点 1 结构简单而牢固 无可动部件 可靠性高 长期运行十分可靠 2 检测敏感元件不直接接触被测介质 3 压力损失较小 节能意义显著 4 测量范围宽 量程比可达1 10 1 30 5 输出是与流量成正比的脉冲信号 无零点漂移 6 安装简单 维护十分方便 7 应用范围广 蒸汽 气体 液体的流量均可测量缺点 1 制造成本高2 体积型检测 需要气压和温度修正 信号处理电路将频率信号输入ECU之后 ECU便可计算出进气流量的大小 丰田皇冠3 0型轿车上实测光电检测涡流式空气流量传感器的输出信号周期值 见表2 4 可见 发动机转速越高 吸人气缸的进气量越大 产生涡流的频率就越高 超声波检测涡流式空气流量传感器 涡流发生器 涡流稳定板 超声波发生器 超声波接收器 与涡流数对应的疏密超声波 整型后的方波 卡尔曼涡流 超声波发生电路 来自空气滤清器 流向发动机 空气旁通通道 ECU 涡流发生器设在主空气道上 设置旁通空气道的目的是为了调节主空气道的流量 可使用同一规格的流量传感器来满足不同排量的发动机的流量检测要求 超声波接收电路 超声波小知识 介质的一切质点 是以弹性力互相联系的 某质点在介质内振动 能激发起周围质点的振动 振动在弹性介质内的传播过程 称为波 波 有电磁波 电波和光波 和声波 或称机械波 声波是一种能在气体 液体 固体中传播的弹性波 它可分为分次声波 可闻声波 超声波及特超声波 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率 它的单位是赫兹 Hz 我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz 20000Hz 当声波的振动频率小于20Hz或大于20KHz时 我们便听不见了 因此 我们把频率高于20000赫兹的声波称为 超声波 声波的频率愈高 愈于光学的某些特性 如反射 折射定律 相似 它方向性好 穿透能力强 易于获得较集中的声能 在水中传播距离远 可用于测距 测速 清洗 焊接 碎石 杀菌消毒等 在医学 军事 工业 农业上有很多的应用 超声波应用 影响超声波传播速度的主要因素有温度 应力和材质及其密度 超声波在被检测材料中传播时 材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响 通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测 超声波探伤 反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的 正如我们所知道 声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射 而且介质之间的差别越大反射就会越大 所以我们可以对一个物体发射出穿透力强 能够直线传播的超声波 超声波探伤仪然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后 幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种介质的大小 分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息 其中反射回来的超声波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离 幅度则可以反映出介质的大小 对比差别程度等特性 超声波探伤仪从而判断出该被测物体是否有异常 在这个过程中就涉及到很多方面的内容 包括超声波的产生 接收 信号转换和处理等 超声波应用 超声波能量应用 理论研究表明 在振幅相同的条件下 一个物体振动的能量与振动频率成正比 超声波在介质中传播时 介质质点振动的频率很高 因而能量很大 在中国北方干燥的冬季 如果把超声波通入水罐中 剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴 再用小风扇把雾滴吹入室内 就可以增加室内空气湿度 这就是超声波加湿器的原理 如咽喉炎 气管炎等疾病 很难利用血流使药物到达患病的部位 利用加湿器的原理 把药液雾化 让病人吸入 能够提高疗效 利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎 从而减缓病痛 达到治愈的目的 超声波在医学方面应用非常广泛 像现在的彩超 B超 碎石 例如胆结石 肾结石 祛眼袋之类的 还能破坏细菌结构 对物品进行杀菌消毒 超声波应用 超声波测距 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射时刻的同时开始计时 超声波在空气中传播 途中碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为340m s 根据计时器记录的时间t 就可以计算出发射点距障碍物的距离 s 即 s 340t 2 这就是所谓的时间差测距法 超声波检测涡流式空气流量传感器 涡流发生器 涡流稳定板 超声波发生器 超声波接收器 与涡流数对应的疏密超声波 整型后的方波 卡尔曼涡流 超声波发生电路 来自空气滤清器 流向发动机 空气旁通通道 ECU 涡流发生器设在主空气道上 设置旁通空气道的目的是为了调节主空气道的流量 可使用同一规格的流量传感器来满足不同排量的发动机的流量检测要求 超声波接收电路 1 结构主要组成部件 主要由涡流发生器 超声波发生器 超声波接收器 集成控制电路 进气温度传感器和大气压力传感器等组成 在主空气道的内壁上 粘贴有吸声材料 防止超声波出现不规则反射现象而影响正常检测 1 超声波发生器 用于产生和发射超声波信号 2 超声波接收器 用于接收超声波信号 当40kHz频率超声波穿过进气气流到达超声波接收器时 由于受到气流移动速度及压力变化的影响 因此从超声波接收器接收到的超声波信号的相位 时间间隔 及相位差 时间间隔之差 就会发生变化 控制电路根据相位或相位差的变化情况就可计量出涡流频率 涡流频率信号输入ECU后 ECU就可计算出进气量 2 传感器工作原理 二 涡流式空气流量传感器检测 1 开路检测 点火开关断开 拔下传感器的配线连接器 通过加温检测热敏电阻温度传感器的阻值变化 2 在路检测 点火开关接通 检测电源 有关端子的电压值 信号波形和线路的导通 由于两类涡流式空气流量传感器检测的均是进气的体积流量 两类传感器均有进气温度传感器和大气压力传感器修正流量检测带来误差 涡流式空气流量传感器的输出信号是与旋涡频率对应的脉冲数字信号 其响应速度是几种空气流量传感器中最快的一种 几乎能同步反映空气流速的变化 因此特别适用于数字式计算机处理 涡流式空气流量传感器的优点 涡流式空气流量传感器还具有测量精度高 进气阻力小 无磨损等优点 长期使用时 性能不会发生变化 其缺点是制造成本较高 因此目前只有在少数中高档轿车中采用 因为是检测体积流量 所以需要对空气温度和大气压进行修正 如丰田凌志LS400型轿车 皇冠3 0型轿车 三菱吉普车 长风猎豹吉普车和现代轿车采用 第三节热线式和热膜式空气流量传感器 一 热线式和热膜式空气流量传感器结构 原理 一 热线式空气流量传感器 热线式空气流量传感器 按其铂金热线安装位置的不同分为主流测量方式和旁通测量方式两种 1 主流测量方式的热线式空气流量传感器结构主要组成部件 热线式空气流量传感器两端有金属防护网 取样管置于主空气通道中央 取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成 热线线径为70 m的白金丝 RH 布置在支承环内 其阻值随温度变化 是惠斯顿电桥电路的一个臂 热线支承环前端的塑料护套内安装一个白金薄膜电阻器 其阻值随进气温度变化 称为温度 补偿电阻 RK 是惠斯顿电桥电路的另一个臂 热线支承环后端的塑料护套上粘结着一只精密电阻 RA 此电阻能用激光修整 也是惠斯顿电桥的一个臂 该电阻上的电压降即为热线式空气流量传感器的输出信号电压 惠斯顿电桥还有一个臂的电阻RB安装在控制线路板上 旁通测量方式的热线式空气流量传感器 旁通测量方式热线式空气流量传感器与主流测量方式热线式空气流量传感器的主要区别是 它把铂金热线和补偿电阻 冷线 安装在旁通空气道上 热线和温度补偿电阻用铂线缠绕在陶瓷螺旋管上 2 传感器工作原理 则要增加流过电阻RH的电流 恢复RH的温度和电阻值 加热电流通过密电阻RA两端的电压UO相应增加 该电压的大小与流过电阻RH空气质量流量成正比 UO输送ECU确定空气质量流量 温度补偿电阻RK用来消除进气温度的变化对空气流量测量结果的影响 控制电路将RH与RK之间的温差保持不变 该温差一般为120 控制电路板上的精密电阻RA和RB与热线电阻RH和温度补偿电阻RK组成惠登电桥 当空气流过铂热线电阻RH时 RH的温度降低 其电阻减小 电桥失去平衡 若要电桥恢复平衡 思考 为什么热线式空气流量传感器可以直接测量出空气的质量 热线式空气流量传感器的测量原理是热平衡 从微观角度来讲 每个分子吸收的热量是一定的 热线式空气流量传感器温度的降低是因为空气分子吸收了热量 而根据空气分子的数量就可以确定空气的质量 热膜式与热线式空气流量传感器的工作原理基本相同 只是将热丝改为热膜 热膜采用平面形铂金属膜电阻 故称为热膜电阻 其制作方法是 在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺沉积铂金属薄膜 通过光刻制作成梳状电阻 在其表面覆盖一层绝缘保护膜 再引出电极引线即制成 二 热膜式空气流量传感器 1 结构主要组成部件 在传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套 相当于取样管 热膜电阻设在护套中 护套的空气人口一侧设有空气过滤层防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度 在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻 防止进气温度变化使测量精度受到影响 补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接 线束连接器插座连接 线束插座设在传感器壳体中部 二 热线式与热膜式空气流量传感器检测 1 开路检测 点火开关断开 拔下传感器的配线连接器 通过加温检测热敏电阻温度传感器的阻值变化 2 在路检测 点火开关接通 检测电源 有关端子的电压值和线路的导通 与热丝式流量传感器相比 热膜电阻的阻值较大 所以消耗电流较小 使用寿命较长 热膜电阻不直接承受空气流所产生的压力 提高了传感器的可靠性 由于其发热元件表面有一层绝缘保护薄膜 因此响应特性稍差 热丝式与热膜式空气流量传感器其敏感元件分别是铂金属丝和铂金属膜 铂金属发热元件的响应速度很快 能在几毫秒内反映出空气流量的变化 因此测量精度不受进气气流脉动的影响 具有进气阻力小 无磨损部件等优点 因此目前大多数中高档轿车都采用了这种传感器 如博世LH型燃油喷射系统 通用别克 尼桑千里马 尼桑风度 瑞典沃尔沃等轿车采用了热丝式空气流量传感器 马自达626 捷达都市先锋 新捷达王 捷达前卫 红旗和桑塔纳时代超人等轿车采用了热膜式空气流量传感器 热丝式与热膜式空气流量传感器特点 第四节量芯式空气流量传感器 量芯式空气流量传感器具有进气阻力小 计量精度和工作可靠性高等优点 新型马自达 MAZDA 929型轿车采用了这种传感器 一 量芯式空气流量传感器结构 原理 量芯式空气流量传感器的结构与翼片式传感器相似 主要由量芯 电位计 进气温度传感器和线束插座等组成 检测部件是一个椭圆球体量芯 安装在进气道内 并可沿进气道移动 1 结构主要组成部件 电位计滑臂的一端与量芯连接 另一端设有滑动触点 量芯移动时 触点可在印制电路板的镀膜电阻上滑动 2 传感器工作原理 量芯式空气流量传感器的测量原理与翼片式传感器相似 用量芯代替了翼片式传感器的翼片 当节气门开度增加时 发动机的进气量增大 进气道内空气气流对量芯产生的推力力矩增大 气流推力力矩克服复位弹簧的弹簧力矩使量芯移动的距离增大 量芯带动电位计滑臂转动的角度增大 传感器输出端子之间的阻值减小 输出的信号电压降低 反之 当节气门开度减小时 传感器信号电压升高 ECU根据传感器输入信号电压的高低 即可计算出进气量的大小 二 芯式空气流量传感器检测 量芯式空气流量传感器的检测与翼片式传感器相似