超声波检测涡流式空气流量传感器

涡流发生器两侧处流体的流速, m s 涡流发生器迎流面的最大宽度 , m 斯特罗巴 尔系数。圆柱 形柱 体 S t = 0 21; 三角形柱体 S t = 0 16; 长方形 柱体 S t = 0 12; 矩形柱体 S t = 0 17
高, 这是气流 流过电线 后形成旋 涡 ( 即涡流 ) 所 致。液体、气体等流体均会发生这种现象。如图 1 所示, 在 流体中放 置一个柱 状物体 ( 即涡 流发生 器) 后 , 当雷诺数 R ed > 40 时 , 在其下游流体中就 会形成 2 列平行状旋涡, 并且左右交替出现 , 因此 根据旋涡出现的频率 , 就可测量出流体的流量。由 于旋涡与街道两旁的路灯类似 , 故称其为 涡街 。 因为这种现象首先被卡尔曼发现, 所以又称为卡尔 曼涡街或卡尔曼涡流。
[ 1] 孟立凡 , 郑 宾 业出版社 , 2000
传感器原理 及技术 [ M ]
北京 : 兵 器工
[ 2] 董 辉 汽 车用 传感器 [ M ] 社 , 2000
北京 : 北 京理 工大 学出 版
( 责任编辑
翠
萍)
同, 下面以日本 三菱 ( Mitsubishi) 吉普车 配装的 超声波检测涡流式空气流量传感器为例进行说明。 该车空气流量传感器电路接线图如图 5 所示。
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检测传感器输出频率 因为超声波式流量传感器的输出频率与发动机 进气量成正比 , 所以应当使用频率计或示波器检测 其输出信号。当接通点火开关但不起动发动机时 , 传感器输出频率 应为 0; 发动 机怠速 ( 700 r min) 运转时 , 传感器输出频率 应在 25 H z ~ 50 H z 范围 内; 当发动机转速升高时, 传感器输出频率应随转 速升高而升高 ; 当转速升高到 2 000 r min 时 , 传感 器输出频率应在 70 H z~ 90 Hz 范围内, 否则说明传 感器或其线路有故障。 4 2 检测传感器线束 在超声波式流量传感器故障中 , 线束故障占很 大比例。检查线束故障时, 先应拔开传感器线束连 接器 , 然后接通点火开关, 用万用表测量线束插头 电源端子 2 与搭铁端子 4 之间的电压 , 其值应等于 系统电压 ( 12 V ) , 否则需要修理线束或检查燃油 喷射主继电器 ; 再用万用表检测线束插头输出端子 1 与搭铁端子 4 之间的电压 , 其值应为 5 V, 否则 需要修理线束。检测搭铁端子 4 搭铁是否可靠时 , 可用万用表电阻档检测端子 4 与发动机缸体之间的 阻值 , 其值应为 0, 否则说明搭铁不良, 需要修理。 参考文献 :
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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。除此之外, 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、长期使用后性能不 会发生变化等优点, 其缺点是制造成本较高 , 因此 目前只有少数中高档轿车采用。因其检测的是体积 流量 , 所以需要对空气温度和大气压力进行修正。 根据旋涡频率的检测方式不同 , 汽车用涡流式 空气流量传感器分为超声波检测式和光电检测式 2 种。例如, 中国大陆进口的丰田凌志 L S400 型轿车 和台湾进口的皇冠 3 0 型轿车采用了光电检测涡流 式空气 流量传感 器; 日 本三菱 ( M it subishi) 吉普 车、中国长风猎豹吉普车和韩国现代 ( H YU N DA I) 轿车采用了超声波检测涡流式空气流量传感器。 3 超声波检测涡流式空气流量传感器的结构与原理 结构特点 超声波检测涡流式空气流量传感器 ( 简称超声
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涡流稳定板组成, 其下游能够产生稳定的涡流。在 涡流发生器的两侧设有超声波发生器和超声波接收 器, 超声波发生器用于产生和发射超声波信号 , 超 声波接收器用于接收超声波信号, 即超声波发生器 将一定频率的交流电压加在压电元件 ( 如压电陶瓷 和压电晶体) 上, 使之产生机械振动 , 从而发出超 声波 ; 此超声波穿过空气涡流将机械振动加在超声 波接收器的压电元件上, 从而产生交变电压信号。 在主空气通道的内壁上 , 粘贴有吸音材料, 以防止 超声波出现不规则反射现象而影响正常检测。在空 气入口设有整流网栅, 其作用是使吸入的空气在涡 流发生器上游形成稳定的气流, 从而保证产生稳定 的涡流。集成 控制电路 对信号进 行整形处 理后向 ECU 输入方波信号 , 以便 ECU 运算处理。进气温 度传感器和大气压力传感器信号用于修正进气量。 3 2 工作原理 所谓超声波, 就是频率高于 20 kH z、人耳无法 听到的高频机械波。超声波的波长较短, 传播方式 近似于直线传播, 在介质内传播时衰减小, 能量集 中。超声检测技术的基本原理是利用所探索到的某 种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量 之间存在的直接或间接的关系的规律之后, 通过超 声量的测定来测出待测的非声量。 超声波式流量传感器工作原理电路图如图 3 所 示。当发动机运转时 , 超声波发生器发出的超声波 通过超声波发射器不断向超声波接收器发出一定频 率 ( 40 kHz) 的超声波。当超声波通过进气气流到 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, 因此接收到的超声波信号的相位 ( 时 间间隔) 以及相位差 ( 时间间隔之差 ) 就会发生变 化, 集成控制电路根据相位或相位差的变化情况计 量出 涡 流 的 频 率。 旋 涡 频 率 信 号 输 入 ECU 后 , ECU 就可计算出进气量。
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喊人时, 对方就不容易听到。这是因为前者的空气 流动方向与声 波前进方 向相同 , 声波被加 速的结 果, 而后者是声波受阻而减速的结果。在超声波式 流量传感器中, 同样存在这种现象 , 如图 4 所示。
图5
超声波检测涡流式空气流量传感器电路接线图
汽车电器 2002 年第 1 期
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当流体管道的直 径为 D 时 , 流 体的体积流量 Q A 的计算见下式。 QA = 式中 v1 S1 S K 4 D 2 v 1= 4 D2 dS 1 f = Kf S tS ( 2)
管道内流体的平均流速 , m s 涡流发生器两侧流通面积 , m 2 管道内总流通面积 , m 2 系数, K = dS 1 D 2 ( 4S t S ) 。当管道 与涡流发生器尺寸确定后, K 为常数
1 整流网栅 发射器 图3
2 涡流发 生器
3 超声 波
4 超声 波
5 超声波接收器
6 信号处理电路
超声 波检测涡流式传感器工作原理电路图
在日常生活中, 常常会遇到这 样的现象, 即 : 当 顺着风向喊人时 , 对方很容易听到 ; 而逆着风向
详见 P62 广告 汽车电器 2002 年第 1 期
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波式流量传感器 ) 的结构如图 2 所示 , 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。
1 大气压力传感器 涡流稳定板 图2 5 旋涡 8 旁通空气通道
2 集成控制电路 6 超声波接收器 9 进气温度传感器
3 涡流发生器 7 主空气通 道
( a) 发射的超声波 ( c) 低速时接收到的超声波 ( e) 高速时接收到的超声波 图4
( b) 无旋涡时接收到的超声波 ( d) 低速时 传感器输出波形 ( f) 高速时传感器输出波形
传感器 输出波形示意图
超声波 发生器 之所 以设定 40 kHz 的超 声波 , 这是因为在没有旋涡的通道上, 发送的超声波与接 收到的超声波 信号相位 和相位差 完全相同 , 见图 4b。当进气通道上有旋涡时 , 在接收到的超声波信 号中 , 有的受加速作用而超前, 有的受减速作用而 滞后 , 见图 4c 、图 4e, 因此其相位和相位差就会发 生变化。集成控制电路在信号相位超前时输出一个 正向脉冲信号, 在信号相位滞后时输出一个负向脉 冲信号, 见图 4d、图 4f, 从而表 明旋涡 的产生频 率。进气量越多 , 旋涡频率越高, 集成控制电路输 出数字信号的频率就越高。数字信号输入 ECU 后 , 便可计算进气量。 4 超声波检测涡流式空气流量传感器的检修 各型涡流式空气流量传感器的检修方法基本相
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10 超声波发生器
超声波检测涡流式空气流量传感器的结构示意图
超声波式流量传感器设有 2 个空气通道 , 涡流 发生器设在主空气通道上。设置旁通空气通道的目 的是为了调节主空气通道的流量。因此, 对于排气 量不同的发动机 , 通过改变旁通空气通道截面积大 小, 就可使用同一规格的空气流量传感器来满足流 量检测的要求。涡流发生器由三角形柱体和若干个
卡尔曼涡流是一种物理现象, 涡流的测量精度 由空气通道面积与涡流发生器的尺寸决定, 与检测 方法无关。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
作者简介 : 董素荣 ( 1967- ) , 女 , 内蒙古呼和浩特人 , 硕士 , 讲 师 , 主要从事 汽车电子 控制系 统教学与 研究工 作 ; 舒 华 ( 1957- ) , 男 , 四川富顺人 , 副教授 , 研究方向为汽车电气与电子控制技术。 汽车电器 2002 年第 1 期
由此可见, 通过测量涡流的频率 f , 即可计算 流体的体积流量。 2 涡流式空气流量传感器的特点
图1
Байду номын сангаас卡尔 曼涡流示意图
设 2 列平行涡流之间的距离为 h , 同一列涡流 中先后产生的 2 个旋涡之间的距离为 l , 当比值 h l 为 0 281 时, 涡流将是稳定的 , 并且周期性地产
收稿日期 : 2001- 05- 29
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涡流式空气流量传感器的测量原理 涡流式 空气流量 传感器是 根据 卡尔曼 涡流理
生。根据卡尔曼涡流理论 , 单侧涡流产生的频率 f 与流体的流速 v 之间具有如下关系。 f = St 式中 v d St v d ( 1)
论, 利用超声波或光电信号 , 通过检测旋涡频率来 测量空气流量的一种传感器。 发出 众所周知, 当野外架空的电线被风吹时 , 就会 嗡、嗡 响 声, 且 风速 越高声 音频 率越
Supersonic Wave Eddy Current Air Flow Sensor
DON G Su rong, SHU Hua, ZHAN G Yu, DON G Hong g uo, L IU Hong w ei ( War T raffic College of PLA , T ianjin 300161, China) Abstract: T his paper mainly discusses t he structure characteristics, working principle and test methods of supersonic w ave eddy curr ent air flow sensor. Key words: supersonic wave; eddy cur rent; air flow sensor
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超声波检测涡流式空气流量传感器
董素荣, 舒 华, 张 煜, 董宏国, 刘宏威 300161) ( 中国人民解放军军事交通学院, 天津
摘要 : 主要探讨了超声波检测涡流式空气流 量传感器的结构特点、工作原理及其检修方法。 关键词 : 超声波 ; 涡流 ; 空气流量传感器 中图分类号 : U 464 13 文献标识码 : B 文章编号 : 1003- 8639( 2002) 01- 0041- 03