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辽宁省仪器仪表学会是中国仪器仪表与测量控制科学技术工作者自愿组成并依法登记成立的学术性、公益性、非营利性社团法人,是党和国家联系仪器仪表与测量控制科技工作者的桥梁和纽带,是发展中国仪器仪表与测量控制

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简述空气流量传感器的结构和原理

时间:2014-05-20 13:43:51         加入收藏
在电子控制燃油喷射装置上,测定发动机所吸进的空气量的传感器,即空气流量传感器是决定系统控制精度的重要部件之一。当规定发动机所吸进的空气、混合气的空燃比(A/F)的控制精度为±1.0时,系统的允许误差为±6[%]~7[%],将此允许误差分配至系统的各构成部件上时,空气流量传感器所允许的误差为±2[%]~3[%]。
  
  汽油发动机所吸进空气流量的最大值与最小值之比max/min在自然进气系统中为40~50,在带增压的系统的中为60~70,在此范围内的,空气流量传感器应能保持±2~3[%]的测量精度,电子控制燃油喷射装置上所用的空气流量传感器在很宽的测定范围上不仅应能保持测量精度,而且测量响应性也要优秀,可测量脉动的空气流,输出信号的处理应简单。汽车维修者之家
  
  根据空气流量传感器特征的不同,将燃油控制系统按进气量的计量方式分为直接测量进气量的L型控制与间接计量进气量的D型控制(根据进气歧管负压与发动机的转速间接计量进气量。D型控制方式中的微机ROM内,预先储存着以发动机转速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L型控制所用的空气流量计与一般工业流量传感器基本相同,但它能适应汽车的苛环境,但对踏油门时出现的流量的急剧变化的响应要求及在传感器前后进气歧管的形状引起的不均匀气流中也能高精度检测的要求。
  
  最初的电子燃油喷射控制系统的采用的不是微机。而是模拟电路,那时采用的是活门式的空气流量传感器、,但随着微机用于控制燃油喷射,也出现了其他几种的空气流量传感器。
  
  活门式空气流量传感器的的结构:
  
  活门式空气流量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,并把检测结果转换成电信号,再输入微机中。该传感器是由空气流量计与电位计两部分组成。
  
  先看空气流量传感器的工作过程。由空气滤清器吸入的空气冲向活门,活门转到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止,也就是说,活门的开度与进气量成成正比。在活门的转动轴还装有电位计,电位计的滑动臂与活门同步转动,利用滑动电阻的电压降把测量片的开度转换成电信号,然后输入到控制电路中。
  
  卡曼涡旋式空气流量传感器:
  
  为了克服活门式空气流量传感器的缺点,即在保证测量精度的前提下,扩展测量范围,并且取消滑动触点,有开发出小型轻巧的空气流量传感器,即卡曼涡旋式空气流量传感器。卡曼涡旋是一种物理现象,涡旋的检测方法、电子控制电路与检测精度根本无关,空气的通路面积与涡旋发生柱的尺寸变化决定检测精度。又因为这种传感器的输出的是电子信号(频率),所以向系统的控制电路输入信号时,可以省去AD转换器。因此,从本质来看,卡曼涡旋式空气流量传感器是适用于微机处理的信号。这种传感器有以下三个优点:测试精度高,可以输出线形信号,信号处理简单;长期使用,性能不会发生变化;因为是检测体积流量所以不需要对温度及大气压力进行修正。
  
  检测原理:
  
  野外的架空电线被风吹时会呜呜发出声响。风速越高声音频率越高,这是因为气流流过电线后形成涡旋所致,液体、气体等流体中均会发生这种现象,利用这一现象可以制成涡旋式流量传感器。在管道里设置柱状物之后形成两列涡旋,根据涡旋出现的频率就可以测量流量。因为涡旋成两列平行状,并且左右交替出现,与街道两旁的路灯类似,所以有涡街之称。因为这种现象首先为卡曼发现,所以也叫作卡曼涡街超声波式卡曼涡旋空气流量传感器超声波空气流量传感器设有两个进气通道,主通道和旁通道,进气流量的检测部分就设在主通道上,设置旁通道的目的是为了能够调整主通道的流量,以便使主通道的检测特性呈理想状态。也就是说,对排气量不同的发动机来说,通过改变空气流量传感器通道截面大小的方法,就可以用一种规格的空气流量传感器来覆盖多种发动机。主通道上的三角柱和数个涡旋放大板构成卡曼涡旋发生器。在产生卡曼涡旋处的两侧,相对地设置了属于电子检测装置的超声波发送器和超声波接受器,也可以把这两个部件归入传感器,这两个电子传感器产生的电信号经空气流量传感器的控制电路(混合集成电路)整形、放大后成理想波形,再输入到微机中。为了利用超声波检查涡旋,在涡旋通道的内壁上都粘有吸音材料,目的是防止超声波出现不规则反射。
  
  这种空气流量传感器的流量检测的原理电路如图,当有卡曼涡旋产生时,就随着速度及压力的变化,流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化。空气流量传感器输出至控制组件的信号波形如图。信号为方波、数字信号。进气量越多,卡曼涡旋的频率越高,空气流量传感器输出信号的频率就越高.
  
  压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器:
  
  涡流是从涡旋发生器两端交替发生的,因此涡旋发生器两端交替产生的,因此涡旋发生器的两端的压力也是交替变化,这种压力的变化通过涡流发生器下游侧锥型柱上的导压孔引导到反光镜腔中,反光镜腔中的反光镜是用很细的张紧带张紧的,所以,张紧带上出现扭曲与振动,此外,利用板弹簧给张紧带加上适当的张力,由此,除振动与涡旋压力之外的压力变化等难以造成影响,从而可得到稳定的扭转与振动。
  
  因涡旋出现而形成的压力经导压孔到反光镜腔中,与反射腔中的压力变化同步、反光镜在张紧带上形成扭转、振动。反光镜非常轻巧,即使在低流量、压力变化非常小的状况下,也会动作。在反光镜的上部,相应配置有发光二极管与光敏三极管等构成的光传感器,二极管发出的光经反光镜反射,并射到光敏三极管上时,就会变成电流,经波形电路后输出。
  
  传感器的特性:
  
  当在30秒内使节气门从关闭到全打开,即快速打开时,这种传感器的响应特性如图所示,图下的曲线为经F/V变换后的卡曼涡旋空气流量传感器的输出特性,图上的曲线为节气门的开度特性,由图可知对节气门中流量的变化,空气流量传感器都能准确地反映出来(1~45毫秒)空气流速与频率关系:在非常宽的流速范围内空气流速与涡旋频率之间呈现直线关系。
  
  带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋空气流量传感器:
  
  卡曼涡旋空气流量传感器的特点:精度高、寿命长,可靠性高。但是,高性能的发动机即进一步降低油耗、提高输出功率的发动机还要求扩展进气量的检测范围,但是老式超声波型卡曼涡旋空气流量传感器在高流量的区域将产生过调制的现象,受这一因素的影响,这种传感器有计量范围不足的缺点。为此,又研制出带微差压力传感器的空气流量传感器。
  
  1、采用压力损耗小的涡旋发生器:涡旋发生器的功能是在整个流量范围内形成稳定的涡旋。
  
  2、压力损耗较小的管道结构
  
  3、测量微小的涡旋压力
  
  4、带微差压力传感器的空气流量传感器
  
  热丝式空气流量传感器的结构:
  
  作为发热体的热丝是用直径为70um的铂丝制成的,张紧装于管道内部,设计时就使其比进气温度高120度。在温度传感器还有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的,它是于精密电阻一起设置在管道内。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,在一定的条件下,将热丝加热到1000度、1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。
  
  与此类似的还有热膜丝空气流量传感器(H/F),与H/W传感器类似,H/F也是采用平面形薄膜电阻器作为发热元件。制造方法是:在氧化铝基片上蒸发出的铂的薄膜,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,但因为它是通过图形法制成的,所以电阻值较高,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,从上游观察时,可设法使其投影面积做的很小,这样的设置在计量通道内时就可以减少附着物,即提高抗污性。