第三章 空气流量传感器

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。
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=α+β√G
式中：h——传热系数； α、β——常数；
G——空气的质量流量，kg／s。
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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=h·A·(TH-TK)
dqv vdAF , v为流速
整个截面上的流量qv为
qv vdAF
F
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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，称之流体总量。
V t qvdt M t qmdt
用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计 量表或总量计。
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流量计
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。
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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。
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（1）空气通道的构成
锥度通道（减少 压力损失）
主通道：矩形截面（可获 得稳定的涡旋）
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（2）涡旋发生器
前边的剖面形状为三角形，后面的剖面为梯形， 目的：得到稳定的卡曼涡旋。
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用耐腐蚀的整块金属箔 制成
（3）反光镜振动系统
三点要求： ①耐疲劳的寿命长； ②低流速时应具有足
当有卡曼涡 旋产生时，超 声波就伴随有 速度及压力的 变化，利用其 中速度的变化 检测流量。
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3.3.2.、光学检测（压力变化检测型）卡曼涡流式 空气流量传感器
1、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。
原理：膜片上形成桥式 压电效应的应力计，通 过阻值的变化测出涡旋 压力。
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四、卡曼涡旋传感器的特点： 1、测试精度高，可以输出线形数字信号，信
号处理简单； 2、性能稳定，可靠性高； 3、由于检测的是体积流量，需对温度和大气
压进行修正； 4、制造成本比较高。
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3.4 热线式空气流量传感器（H/W）
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。
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§3.2 动片式空气流量传感器
又称翼片式或叶片式空气流量传感器
一、结构
由空气流量计和电位计两部分组成。
同轴安装
安装：
位于空气滤清器与节 气门之间
图2-2 动片式空气流量传感器的结构
2、工作原理
❖ 在发动机运行时，
发生器不断地向接受器
发出一定频率的超声波
（垂直空气流方向）且
穿过卡门旋涡，由于受
卡门旋涡影响造成超声
波空气密度的相位发生
相应偏移，由此形成疏
密波。ECU根据所监测
图2-10 超声波式卡曼流量传感器检测原理 的超声波疏密的频率便
可感知系统进气量。
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3、电路图
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§3.3 卡曼涡旋式空气流量传感器
3.3.1 测量原理：
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。
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。
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4）热线式空气流量传感器的特点:
1.可以准确测量空气量。 2.响应性快。 3.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。 5.但在流速分布不均匀时，测量误差较大。
流量计
差压式 流量计
流体阻力 式流量计
测速式 流量计
流体振动 式流量计
流量传感器分为气体流量传感器和液体流量传感器 两大类。
汽车电子控制系统所用流量传感器主要是空气流量 传感器。
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三、空气流量传感器的作用
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。
第三章 空气流量传感器
§3.1 概述
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， 前者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。
如果在截面AF上速度v分布是均匀的，则：
qv vAF
如果介质的密度为，那么质量流量 qm =qv
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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
控制光电部分的电流， 保证得到稳定的信号。
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（5）传感器的特性
1mmHg=133.322Pa
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3.3.4 带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋 空气流量传感器
（1）采用压力损失小的涡旋发生器 功能：在整个流量范围内形成稳定的 涡旋 形状参数：三角柱的截面高度h、宽 度w、间隔G、稳定板的厚度t、稳定 板后部的曲率R
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（2）压力损失较小的管道结构
主通道整流器：
生成稳定的卡 曼涡旋；
旁通道整流器（长 度是主通道的三 倍）：
降低低流量区
分流比，使主通道 流量增大形成强力 的卡曼涡旋。
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（3）测量微小的涡旋压力
功用：保证卡曼涡旋压 力作用到膜片上，而进 气管脉动压力不会产生 影响
膜片工作方式：差压式 （膜片的内、外表面分 别设有导压口）
Kn=v4/v南D12昌nSd大t 学科技斯 旋特 涡学劳 发院哈 生尔 体数 形为状无及量雷纲诺参数有数关，。它与
3.3.2. 超声波式卡曼涡流式空气流量传感器
1、结构
主要由超声波信号发 生器、超声波发射探头、 涡流稳定板、涡流发生 器、整流器、超声波接 收探头和转换电路等组 成
南昌大学科技图2学-9 超院声波式卡曼流量传感器结构
3）热线式空气流量计测量原理
热线电阻
温度补偿电阻
（线径70μm铂金丝）
（铂金薄膜热敏电阻）
其阻值随温度变化
其阻值随进气温度变化
调零电阻
（装在控制线路板
精密电阻
上，可用激光修整
（可激光修整）
惠斯顿电对桥输出特性校正）
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测量原理
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
图2-11 光学检测式卡曼流量传感器结构
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2、工作原理
原理：利用卡门旋涡引起 的空气压力变化测量进气 流量。
卡门旋涡发生→涡流 发生器两侧压力周期性变 化→导压孔→反光镜产生 振动，反射发光管的光信 号→光电管→引起反射光 产生周期变化，ECU根据 所监测的反光信号的频率 可感知系统进气量。
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图2-3 动片的部分结构
图2-4 电位计部分结构
二、工作过程：
发动机工作→空气→空气滤清器→空气流量传感器→推动翼片（测 量翼片〉旋转。翼片开启角度由进气量大小和卷簧（复位弹簧）弹力的
平衡情况决定。电位计与叶片同轴旋转，其上滑片电阻的变化转变成电
压信号输入ECU。 南昌大学科技学院
热膜式空气流量计
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3.4.3 质量流量检测精度
（1）温度特性
流量>40g/s时， 由于进行了温度 补偿，偏差几乎 为0。
流量<20g/s时， 热丝下游产生涡 旋，热传递状况 发生很大变化， 导致流量误差。
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1atm=101325Pa
（2）压力特性
空气的导热率，粘度系数等 几乎不随压力发生变化。
电压比检测
图2-7 检测方法
电压值检测
进气量=电位计滑动引起的电压变化
进气量
电位计滑动引起的电压变化（V -V ） CS 加在电位计上的电压（V -E ）
B2
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四、特点
1、体积流量型； 2、测量范围大； 3、进气量增大测量精度降低； 4、电位计滑动触头影响精度； 5、体积大； 6、响应慢。
1）结构： (Hot-Wire Air Flow Sensor)
金属防护网
取样管
铂金热线 塑料护套
温度补偿电阻
电连接器
空气流
控制线路板
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2）分类：
“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；
“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。南昌大学科技学院
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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2-8 涡旋产生原理
当比值h/l为0.281Biblioteka Baidu，所 形成的涡旋是稳定的并且
南昌大学科技学院 是周期性的
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
式中
f
St
v1 d
v1--旋涡发生体两侧平均流速，m/s； St--斯特劳哈尔数；
其中：
qv Kf K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。
I G
与空气质量流量G有关，不 需空气密度修正
热线式空气流量计
的输出特性:
输 出
电
压
（
V
）
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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。
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（3）湿度特性
湿度越高， 空气热导率越大， 粘度系数越小， 流量的正方向误
差越大。
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按结构形式分：
叶片式空气流量计 卡门涡旋式空气流量计 热线式空气流量计 热膜式空气流量计
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四、空气流量传感器的分类
空气流量传感器根据检测方式不同可以分为： 流量型和速度密度型两大类型。
1、流量型 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。 流量型空气流量传感器主要有： 翼片式、卡尔曼涡流式、热线式和热膜式等几种。
测得的是吸入空气的体积，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 质量，故其精度更高。
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2、速度密度型
定义：
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。
特点：
三、工作原理：
若将一个参考电 压UB加在电位器上 （即端子Va端子E2之 间），当空气量增大 时，其端子Vc和Vs之 间的电阻值减小、两 端子之间输出的信号 电压Us降低。反之则 反。
图2-5 动片式空气流量传感器的工作原理
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电路图：
图2-6 动片式空气流量传感器电路图
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够的工作角，高流速 时应出现稳定的振动； ③过渡时期也应有稳 定的振动。
为了防止反光镜倾斜过 度而损坏
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（4）光学系统
功能要求：
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。
①即便反光镜的工作角度为 最小值，系统具有高灵敏度；
②即便反光镜有污浊，也可 得到稳定的信号。
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3.5 热膜式空气流量传感器（H/F） (Hot-Film Air Flow Sensor)
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工作原理： 与热线式的基本相同， 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。 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。
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，℃。
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热线产生的热量W为
W=RHI2 式中：W——热线产生的热量，W。
热TK)线为处一于定热值平(1衡00W℃=)H，时则，有假：设热线与说补明偿：电流过阻热的线温的电度流(IT直H接-