第3章_空气流量传感器..

第3章空气流量传感器3.1动片式空气流量传感器3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.3热丝式空气流量传感器3.4各种空气流量传感器的比较3.5MEMS空气流量传感器的传感部件3.6微型空气流量传感器3.1动片式空气流量传感器3.1.1动片式空气流量传感器的结构动片式空气流量传感器装在汽油发动机上，它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，再输入到微机中。该传感器由空气流量计与电位计两部分组成，其结构的剖面图与示意图分别如图3一1与图3一2所示。下一页返回3.1动片式空气流量传感器先来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动片，动片转动到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止，也就是说，动片的开度与进气量成正比。在动片的转动轴上还装有电位计，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量片的开度转换成电信号，然后输入到控制电路中。上一页下一页返回3.1动片式空气流量传感器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，燃油泵触点闭合(ON),燃油泵工作;当发动机停止时，燃油泵触点断开(OFF)，燃油泵停止。电位计的内部电路与输出特性的一个例子如图3一3所示。空气流量计与电位计共同将动片的转动状况变换成电压来反映出进气量的多少。进气量与电压之间的关系有两种，一种是电压比检测，另一种是电压值检测，如图3一4所示。采用电压比检测方式时，因电压比与进气量成反比。上一页下一页返回3.1动片式空气流量传感器3.1.2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原理图如图3一5所示，设空气流量为Q.在回位弹簧的弹簧常数很小时，因为可以把p1—p2:看成是一定值，所以可认为Q∝A。此外，动片的开口面积与打开角度相对应，即与电位计的输出电压Us相关，所以在设定电位计时就要保证空气流量Q与输出电压Us的关系符合Q∝(1/Us)。而且为了消除蓄电池电压UB变化对测试值的影响，将Us/UB作为空气流量传感器的输出。从上述可知，输出Us/UB与体积流量Q成函数关系，所以采用进气温度热敏电阻修正空气密度ρ随温度产生的变化，采用大气压传感器对高原行车引起的变化加以修正。上一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.1检测原理野外的架空电线被风吹时会嗡嗡发出声响，风速越高声音频率越高，这是因气流流过电线后形成涡旋所致，液体、气体等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，使流体流过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。因为涡旋呈两列平行状，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。下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器管路中设置了圆柱状物之后，就会形成涡旋，若两列平行的涡旋相距为h，同一列中先后出现的两个涡旋的间隔距离为l，当比值h/l为0.281时，所形成的涡旋是稳定的并且是周期性的，这时，单侧涡旋的产生频率f与流体速度v1之间有如下关系:在管道尺寸及柱状体尺寸都已确定时，上式中f之前的各量均为常数，即qv与f成正比.上一页下一页返回dvStf13.2卡曼涡旋式空气流量传感器柱状体几何形状的设计，一方面与涡旋频率的检测手段有关，另一方面要使涡旋尽量沿柱状物的长方向同时产生，且同时与柱状物分离，这样才容易得到稳定的涡列，而且信噪比强，容易检测。但是柱状体的长度是有限的，靠近管道轴线处的流速高，靠近管壁处的流速低，而且沿柱状物长方向的各处产生的涡旋也不容易同步，由此，应采用几何形状合理的柱状物。关于涡旋频率的检测，目前已有多种方法。无非是利用涡旋的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生周期性电信号，再经放大整形，得到方形脉冲。本节先来介绍超声波式卡曼涡旋空气流量传感器。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.2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的结构如图3-6所示，它安装于空气滤清器的内部。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旁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。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感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收器，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(混合集中电路)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。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器这种空气流量传感器的流量检测的原理电路如图3一7所示。当有卡曼涡旋产生时，就伴随有速度及压力的变化，流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化随着空气流动方向的不同，声波会被加速或者被减速。在日常生活中我们常常会遇到下述现象，当逆风方向喊人的时候，对方不容易听到，而顺风方向喊人时，对方很容易听到。因为前者的空气流动方向与声波前进方向相反，声波受阻而减速，后者的声波被加速，在超声波式空气流量传感器中，也存在着同样的现象。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.3压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器本节介绍利用压力的变化来检测涡旋频率的空气流量传感器，有的将其称为光学型卡曼涡旋式空气流量传感器。图3一8是压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器的原理图。图3一9是这种空气流量传感器的结构图，进入传感器的空气流先经蜂窝状整流器，在考虑低流量下涡旋的稳定性、压力损耗等因素之后设计出蜂窝状整流器单件尺寸的。在空气通道内设置有涡旋发生器，从其两侧就会产生与流速成正比的涡旋。在设计时就确定了流速与涡旋频率之间为正比例关系，以保证在很宽的流量范围上涡旋发生器都会产生稳定的强烈的涡旋。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器下面再对这种空气流量器稍加说明，涡旋是从涡旋发生器两端交替产生的，因此涡旋发生器两端的压力也交替变化，这种压力变化通过涡流发生器下游侧锥形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。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器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(LED)与用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。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器3.2.4带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋空气流量传感器卡曼涡旋空气流量传感器的特点是精度高、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打一展进气量的检测范围，但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。上一页下一页返回3.2卡曼涡旋式空气流量传感器(1)采用压力损耗小的涡旋发生器。(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。上一页返回3.3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热丝式空气流量传感器(以下简称H/W)的结构如图3一10所示。作为发热体的热丝是用直径为Ф70μm的铂丝制成的，以u形状张紧装于管道内部，设计时就使其比进气温度高120℃。在温度传感器中还设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，它与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挡时，在一定的条件下，将热丝加热1000℃,1s，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件的，所以响应性好。与此类似的还有热膜式空气流量传感器(以下简称为H/F)。下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.2工作原理在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝(热丝)，为了保证热丝的温度为一定值，就必须控制加热电流，由此可以测定出空气流量。当气流通过已被加热的热丝上时，热丝就要变冷，气流速度越高，从热丝上夺走的热量就越多，即热丝上被夺取的热量是一个变化值。热丝式空气流量传感器就是利用电加热热丝，并把气流速度变换成电信号实现检测的。上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.3质量流量检测精度(1)温度特性(2)压力特性(3)湿度特性上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器3.3.4响应特性传感器的响应特性不仅与发热元件的热时间常数有关，而且与恒定温差控制电路的回路常数有关。流量越大，热时间常数越小。上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器这里说明的频率响应适用于流量变化比较小的场合，当幅度变化更大的场合下，就需要考虑到非线性特性以及发热元件至支撑部件的热传导的损耗特性等造成的影响。在恒定温差控制电路的作用下，即使流速在变化，热膜元件上加热面(通过布线形成电阻的平面)的平均温度基本上不变，但在热时间常数的传播时间内，因元件支撑部位附近的温度发生变化，所以响应性变差。上一页下一页返回3.3热丝式空气流量传感器为了明确热损耗特性与响应性的关系，在热回路网模型中，根据热回路方程式和闭合回路的特性作阶跃响应模拟，在热膜元件厚度与测量管道内突起长度为一定的条件改变加热元件长度时，热损耗特性与阶跃流量变化时的响应特性的关系用图3-11表示。上一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.1输出特性已经大批生产的动片式、卡曼涡旋式、热丝式空气流量传感器的输出特性如图3-12所示，动片式与热丝式是非线性输出，因此还需要做线性处理。无论哪一种空气流量计，在制造过程中其测试精度都是按士3%的标准进行调整的，这就是空气流量传感器的杂散性，重复精度，其中也包括标准流量计的重复精度。下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.2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，特别对怠速时的测量精度有要求，此外就是发动机罩下温度达到最高时的工作区域。所以，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。从原理上讲，利用热量的热丝式空气流量传感器容易受到热的影响。半导体压力传感器具有半导体特有的温度特性，关于温度对这种传感器的影响也必须充分加以考虑。上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.3加速时的响应特性动片式的可动部分有惯性，热丝式的有热惯性，响应性就是由这些惯性决定的。卡曼涡旋式空气流量传感器是靠气流的自身形成卡曼涡旋的，所以基本上可以说，这种传感器没有响应滞后。在类似怠速的情况时，空气流量小，也就是说，在涡旋发生频率较低时振幅也小。在节气门快速动作无滞后时，涡旋的发生频率也会增加。如加以比较的话，就传感器总成的响应特性来讲，压力式最好，其次是卡曼涡旋式和热丝式，稍差一点的是动片式。上一页下一页返回3.4各种空气流量传感器的比较3.4.4减速时的流量测试能力配有涡轮增压机特别是装有中间冷却器的进气系统上，因为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。在急减速时进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3-13所示。在节气门上游产生的气柱振动的影响下，热丝式将有数10Hz的振动输出，此振动输出一般的持续时间为2一5s，因此，上游管道设置的空气流量传感器无法测定这类减速时的进气量。另一方面，设置