第三章 空气流量传感器一、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，流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称前者称体积流量体积流量qv（m3/s)，后者称，后者称质量流量质量流量qm(kg/s)。n如果在截面AF上速度v分布是均匀的，则：3.1 概述2021/6/72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整个截面上的流量qv为2021/6/73测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的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，称之积分，称之流体总量流体总量。 用来测量流量的仪表统称为用来测量流量的仪表统称为流量计流量计。测量总量的仪表称为流体计。测量总量的仪表称为流体计量表或量表或总量计总量计。2021/6/74流量计流量计 流量传感器分为流量传感器分为气体流量传感器气体流量传感器和和液体流量传感器液体流量传感器两大类。两大类。 汽车电子控制系统所用流量传感器主要是汽车电子控制系统所用流量传感器主要是空气流量空气流量传感器传感器。2021/6/75三、空气流量传感器的作用n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。 n按结构形式分：n叶片式空气流量计n卡门涡旋式空气流量计n热线式空气流量计n热膜式空气流量计2021/6/76四、空气流量传感器的分类四、空气流量传感器的分类n空气流量传感器根据检测方式不同可以分为：空气流量传感器根据检测方式不同可以分为：流量型流量型和和速度密度型速度密度型两大类型。两大类型。 n1、流量型流量型n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。 n流量型空气流量传感器主要有： 翼片式、卡尔曼涡流式、翼片式、卡尔曼涡流式、热线式和热膜式热线式和热膜式等几种。等几种。测得的是吸入空气的体积空气的体积，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空气的质量质量，故其精度更高。2021/6/77n定义：n 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。n特点：n 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、速度密度型速度密度型2021/6/7872021/6/793.2 动片式空气流量传感器n又称翼片式或叶片式空气流量传感器n一、结构由空气流量计和电位计两部分组成。 图图2-2 动片式空气流量传感器的结构动片式空气流量传感器的结构同轴安装同轴安装2021/6/710图图2-3 动片的部分结构动片的部分结构图图2-4 电位计部分结构电位计部分结构2021/6/711图图2-5 动片式空气流量传感器的工作原理动片式空气流量传感器的工作原理2021/6/712电路图：电路图：图图2-6 动片式空气流量传感器电路图动片式空气流量传感器电路图2021/6/713电压比检测电压比检测电压值检测电压值检测图图2-7 检测方法检测方法2021/6/7142021/6/7152021/6/716四、特点四、特点n1、体积流量型；n2、测量范围大；n3、进气量增大测量精度降低；n4、电位计滑动触头影响精度；n5、体积大；n6、响应慢。2021/6/7173.3 卡曼涡旋式空气流量传感器n3.3.1 测量原理：n在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），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。2021/6/718卡曼涡街原理卡曼涡街原理 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。 图图2-8 涡旋产生原理涡旋产生原理当比值当比值h/l为为0.281时，所时，所形成的涡旋是稳定的并且形成的涡旋是稳定的并且是周期性的是周期性的2021/6/719n 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 n式中v1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；St-斯特劳哈尔数； 其中：nK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。 2021/6/7203.3.2. 3.3.2. 超声波式卡曼涡流式空气流量传感器超声波式卡曼涡流式空气流量传感器 n1、结构、结构 图图2-9 超声波式卡曼流量传感器结构超声波式卡曼流量传感器结构2021/6/7212、工作原理、工作原理图图2-10 超声波式卡曼流量传感器检测原理超声波式卡曼流量传感器检测原理2021/6/7223、电路图、电路图2021/6/7232021/6/7243.3.2.、光学检测（压力变化检测型）卡曼涡流式光学检测（压力变化检测型）卡曼涡流式 空气流量传感器空气流量传感器 1、结构、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。 图图2-11 光学检测式卡曼流量传感器结构光学检测式卡曼流量传感器结构2021/6/7252、工作原理、工作原理2021/6/726（1）空气通道的构成主通道：矩形截面（可获主通道：矩形截面（可获得稳定的涡旋）得稳定的涡旋）锥度通道（减少锥度通道（减少压力损失）压力损失）2021/6/727（2）涡旋发生器2021/6/728（3）反光镜振动系统n三点要求：n耐疲劳的寿命长；n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；n过渡时期也应有稳定的振动。用耐腐蚀的整块金属箔用耐腐蚀的整块金属箔制成制成为了防止反光镜倾斜过为了防止反光镜倾斜过度而损坏度而损坏2021/6/729（4）光学系统n功能要求：n即便反光镜的工作角度为最小值，系统具有高灵敏度；n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。2021/6/730（5）传感器的特性1mmHg=133.322Pa2021/6/7313.3.4 带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋 空气流量传感器2021/6/732（2）压力损失较小的管道结构2021/6/733（3）测量微小的涡旋压力2021/6/734四、卡曼涡旋传感器的特点：四、卡曼涡旋传感器的特点：n1、测试精度高，可以输出线形数字信号，信号处理简单；n2、性能稳定，可靠性高；n3、由于检测的是体积流量，需对温度和大气压进行修正；n4、制造成本比较高。2021/6/735 取样管取样管铂金热线铂金热线温度补偿电阻温度补偿电阻空气流空气流控制线路板控制线路板电连接器电连接器金属防护网金属防护网塑料护套塑料护套3.4 热线式空气流量传感器（热线式空气流量传感器（H/W） (Hot-Wire Air Flow Sensor)2021/6/736n2）分类：n“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；n“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。2021/6/7373）热线式空气流量计测量原理热线电阻（线径70m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）2021/6/738测量原理n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=+G n式中：h传热系数； 、常数； G空气的质量流量，kgs。n 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。2021/6/739n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=hA(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，。2021/6/740n 热线产生的热量W为W=RHI2 式中：W热线产生的热量，W。n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： 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 n热线式空气流量计的输出特性: 流量（kg/s）输出电压（ V ）2021/6/741n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。 2021/6/742n 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。n 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。2021/6/743 4）热线式空气流量传感器的特点热线式空气流量传感器的特点: 1.可以准确测量空气量。可以准确测量空气量。 2.响应性快。响应性快。 3.无需进行进气温度和大气压力修正。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。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。但在流速分布不均匀时，测量误差较大。 2021/6/7443.5 热膜式空气流量传感器（热膜式空气流量传感器（H/F） (Hot-Film Air Flow Sensor)2021/6/745n工作原理：n与热线式的基本相同，n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。n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。2021/6/7463.4.3 质量流量检测精度n（1）温度特性1atm=101325Pa2021/6/747（2）压力特性空气的导热率，粘度系数等空气的导热率，粘度系数等几乎不随压力发生变化。几乎不随压力发生变化。2021/6/748（3）湿度特性2021/6/7493.6、各种空气流量传感器的比较、各种空气流量传感器的比较2021/6/750部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！