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1、第二章 空气流量传感器的结构、原理与检测,汽车传感器,第一节 概 述,空气流量传感器(AFS)又称为空气流量计(AFM)，是进气歧管质量型空气流量传感器(MAFS)的简称。,一、功用,检测发动机进气量的大小，并将进气量信息变换成电信号输入ECU。进气量信号是ECU计算喷油时间和点火时间的主要依据。,二、空气供给系统的类型,汽车燃油喷射系统(EFI)根据空气供给系统的计量方式，EFI系统可分为:L型EFI 系统 D型EFI 系统,通过空气流量计检测进入发动机空气质量。汽车采用的L型传感器分为体积流量型传感器和质量流量型传感器。,喷油器,进气岐管稳压室,空气流量传感器,空气滤清器,怠速空气阀,节气
2、门体,质量流量或体积流量方式,(1)L型EFI 系统,L型传感器采用直接测量方式，所以进气量的测量精度较高，控制效果优于D型燃油喷射系统。,通过进气歧管绝对压力传感器检测进气歧管内的绝对压力从而间接测量进气量。D型EFI系统利用进气歧管绝对压力和发动机转速来计算吸入气缸的空气量，又称为速度密度型EFI系统。,喷油器,进气岐管压力传感器,空气滤清器,怠速空气阀,进气岐管稳压室,节气门体,速度密度方式,(2)D型EFI 系统,由于空气在进气歧管内流动时会产生压力波动，D型燃油喷射系统的测量精度不高，但控制系统的成本较低。,三、EFI 采用的空气流量计类型,翼片式空气流量计 体积流量型 卡门涡流式空
3、气流量计 体积流量型 热线式空气流量计 质量流量型 热膜式空气流量计 质量流量型 量芯式空气流量计 体积流量型,空气流量传感器安装在空气滤清器与进气软管之间。,空气流量传感器的安装位置,例：桑塔纳2000轿车发动机汽油喷射系统,例：别克轿车电子控制汽油喷射系统,第二节 翼片式空气流量传感器和卡尔曼 涡流式空气流量传感器,一、翼片式空气流量传感器,（一）翼片式空气流量传感器结构、原理,翼片式空气流量传感器又称为叶片式、动片式、风门式、量板式空气流量传感器。,测量翼片,缓冲翼片,1.结构主要组成部件,(1)检测部件 由测量叶片和缓冲叶片组成。翼片总成固定在电位计转轴上。测量翼片在主进气道内随空气流
4、量的变化而偏转，缓冲翼片与缓冲室起到阻尼作用，当发动机吸入的空气量急剧变化时，使翼片转动平稳，减小翼片脉动。,进气岐管侧,空气滤清器侧,缓冲室,安装在传感器壳体上部。由带平衡配重的滑臂和印制电路板上的镀膜电阻组成，滑臂与翼片固定在同一转轴上并一起转动。电位计内设有片状螺旋形复位弹簧、调节齿圈。,(2)电位计,1）平衡配重,起到平衡作用，使滑臂平稳偏摆。,有刻度标记，调整复位弹簧的预紧力，从而调整传感器的输出特性。,2）调节齿圈,控制电动燃油泵。发动机运转时翼片稍微偏转，其触点闭合，接通泵油。当发动机熄火后翼片关闭，触点顶开，燃油泵停止转动，在汽车发生事故而油管破裂时，可以防止燃油泵继续泵油导致
5、燃油外溢而发生火灾。,4）接线插座,1）燃油泵开关,(3)其他部件,2）CO调整螺钉,旁通进气道上设有改变旁通进气量的CO(一氧化碳)调整螺钉，用来调节发动机怠速时CO排放量。,安装在主进气道的进气口上，电阻两端的引线分别与接线插座上的搭铁端子E2和温度信号输出端子THA连接。,3)进气温度传感器,空气滤清器侧,进气岐管侧,测量翼片,空气流过传感器主进气道时，翼片受到气流压力产生的推力矩和复位弹簧力矩的作用，翼片偏转直到弹簧力矩与推力力矩平衡为止。翼片受到的推力力矩与空气流量成正比。翼片偏转角度与进气量成正比。电位计滑臂和翼片均固定在同一转轴上，电位计滑臂与翼片同时偏转。端子Vc与Vs之间输出
6、电压Us随进气量变化。,利用力矩平衡原理和电位计原理,2.传感器工作原理,VB,E2,VC,US,VS,UB,3.传感器电路,热敏电阻：,进气温度传感器由NTC热敏电阻套装在塑料壳体内构成，安装在主进气道的进气口上，电阻两端的引线分别与接线插座上的搭铁端子E2和温度信号输出端子THA连接。,（二）翼片式空气流量传感器检测,翼片式空气流量传感器检测方法有开路检测和在路检测两种。以后其他章节的传感器检测,开路检测：在传感器与传感器电路不连接的情况下，对传感 器内部状况进行检测。一般通过检测有关端子间 的电阻值或通断情况进行判断。,在路检测：传感器在工作状态时，通过检测传感器有关端子 的电压、信号波
7、形和电路导通情况等，对传感器、ECU及连接导线进行综合检测。,缓冲室,复位弹簧,缓冲翼片,测量翼片,进气温度传感器,空气流,ECU,1.开路检测,1）检测有关端子间的 电阻值或通断。,2）通过加温检测热敏 电阻的阻值变化。,点火开关断开，拔下传感器的配线连接器。,2.在路检测,点火开关接通，检测电源、有关端子的电压值和线路的导通。,丰田汽车翼式空气流量传感器各端子之间的电阻值,众所周知，空气的质量与其温度和大气压力有关。温度越低或大气压力越高，空气密度越大，空气质量就越大；反之，温度越高或大气压力越低，空气质量就越小。翼片式流量传感器检测的是进气气流的体积流量，当进气温度或大气压力发生变化时，
8、相同体积的空气质量就会发生变化。为了避免环境温度和大气压力变化给流量检测带来的误差，所有检测体积流量的空气流量传感器都采用了进气温度传感器和大气压力传感器进行修正。,翼片式空气流量传感器已经持续生产使用多年。它具有结构简单、价格便宜、可靠性高等优点，目前许多车型仍采用翼片式空气流量传感器。,二、卡尔曼涡流式空气流量传感器,（一）卡尔曼涡流式空气流量传感器结构、原理,光电检测涡流式空气流量传感器,流体涡流效应,1.结构主要组成部件,1)蜂窝状整流网栅：使进气在涡流发生器之前形成比较稳定 的气流，在传感器气流入口处。,2)涡流发生器：周期性地产生稳定的卡尔曼涡流，在涡流发 生器上设有一个稳流槽和两
9、个导压孔。,5)发光二极管(LED)：发出光束，设置在镜面上部。,6)光敏晶体管：接受反光镜的反射发光束，变换成电信号。,3)反光镜：反射发光二极管的光，用反光能力强的金属箔片 制成，并用细薄的 张紧带张紧在导压腔的外表面上。,4)板簧片：给张紧带施加适当的预紧力，防止张紧带和反光 镜振幅过大而损坏。设在导压腔内，并紧贴张紧带。,7)集成信号处理电：路将频率信号变换成方波信号后，再输 入到ECU进行运算处理。,2.传感器工作原理,当气流流过涡流发生器时，其后部就会产生涡流，涡流引起发生器后部压力变化。进气量越大，涡流频率越高，压力变化频率就越高。,变化的压力经导压孔引向金属膜反光镜使其产生振动
10、，其振动频率与涡流频率相等。反光镜将发光二极管的光束反射到光敏晶体管上，通过光敏晶体管检测涡流频率，该频率信号输入到ECU。,信号处理电路将频率信号输入ECU之后，ECU便可计算出进气流量的大小。丰田皇冠30型轿车上实测光电检测涡流式空气流量传感器的输出信号周期值，见表2-4。可见，发动机转速越高，吸人气缸的进气量越大，产生涡流的频率就越高。,超声波检测涡流式空气流量传感器,涡流发生器,涡流稳定板,超声波发生器,超声波接收器,与涡流数对应的疏密超声波,整型后的方波,卡尔曼涡流,超声波发生电路,来自空气滤清器,流向发动机,空气旁通通道,ECU,涡流发生器设在主空气道上。设置旁通空气道的目的是为了
11、调节主空气道的流量。可使用同一规格的流量传感器来满足不同排量的发动机的流量检测要求。,超声波接收电路,1.结构主要组成部件,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。在主空气道的内壁上，粘贴有吸声材料，防止超声波出现不规则反射现象而影响正常检测。,1）超声波发生器：用于产生和发射超声波信号,2）超声波接收器：用于接收超声波信号。,当40kHz频率超声波穿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，因此从超声波接收器接收到的超声波信号的相位(时间间隔)及相位差(时间间隔之差)就会发生变化，控制电路根据相位或相位差的变
12、化情况就可计量出涡流频率。涡流频率信号输入ECU后，ECU就可计算出进气量。,2.传感器工作原理,超声波检测涡流式空气流量传感器,构造,超声波检测涡流式空气流量传感器原理电路,超声波通过卡尔曼涡旋后的加、减速情况,（二）涡流式空气流量传感器检测,1.开路检测,点火开关断开，拔下传感器的配线连接器。通过加温检测热敏电阻温度传感器的阻值变化。,2.在路检测,点火开关接通，检测电源、有关端子的电压值、信号波形和线路的导通。,由于两类涡流式空气流量传感器检测的均是进气的体积流量，两类传感器均有进气温度传感器和大气压力传感器修正流量检测带来误差。,丰田轿车光电检测涡流式空气流量传感器,静态检测 动态检测
13、,三菱轿车超声波涡流式空气流量传感器 检测方法如下:打开点火开关，测量传感器1号端子与搭铁间电压，应为5V。启动发动机，使发动机转速到3000r/min，这时再测量1号端子与搭铁间电压，应为2.23.2V。关闭点火开关，测量传感器的4号端子与搭铁间电阻应为0。,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。,涡流式空气流量传感器的优点,涡流式空气流量传感器还具有测量精度高、进气阻力小、无磨损等优点，长期使用时，性能不会发生变化。其缺点是制造成本较高，因此目前只有在少数中高档
14、轿车中采用，因为是检测体积流量，所以需要对空气温度和大气压进行修正。,如丰田凌志LS400型轿车、皇冠30型轿车、三菱吉普车、长风猎豹吉普车和现代轿车采用。,第三节 热线式和热膜式空气流量传感器,一、热线式和热膜式空气流量传感器结构、原理,(一)热线式空气流量传感器,热线式空气流量传感器，按其铂金热线安装位置的不同分为主流测量方式和旁通测量方式两种。,主流测量方式的热线式空气流量传感器,1.结构主要组成部件,如图所示为主流测量方式传感器的结构组成。取样管安装在主进气道中央，取样管安装有一根直径为70m的铂金丝，两端有金属防护网固定在壳体上。控制线路板上有六端子插座与ECU连接，用于输入信号。,
15、旁通测量方式的热线式空气流量传感器,旁通测量方式热线式空气流量传感器与主流测量方式热线式空气流量传感器的主要区别是，它把铂金热线和补偿电阻(冷线)安装在旁通空气道上。热线和温度补偿电阻用铂线缠绕在陶瓷螺旋管上。,2.传感器工作原理,则要增加流过电阻RH的电流，恢复RH的温度和电阻值，加热电流通过密电阻RA两端的电压UO相应增加。该电压的大小与流过电阻RH空气质量流量成正比。UO 输送 ECU 确定空气质量流量，温度补偿电阻RK用来消除进气温度的变化对空气流量测量结果的影响。控制电路将RH与RK之间的温差保持不变，该温差一般为100。,控制电路板上的精密电阻RA和RB与热线电阻RH和温度补偿电阻
16、RK组成惠登电桥。当空气流过铂热线电阻RH时，RH的温度降低，其电阻减小，电桥失去平衡。若要电桥恢复平衡，,功能:,在热膜式空气质量计量仪中加热电阻 是铂金。它是电桥电路的一部分，另外还有温度电阻，传感器电阻 还有一个可变电阻。所有这些电阻都是堆放在陶瓷片上的很薄的膜。电桥电路如此校准，温差-加热电阻等于温度电阻-160C.,吸入的空气冷却加热电阻，温度电阻不变。用于加热的电流作为吸入的空气量的检验尺度。,热膜式与热线式空气流量传感器的工作原理基本相同，只是将热丝改为热膜。热膜采用平面形铂金属膜电阻，故称为热膜电阻。其制作方法是：在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺沉积铂金属薄膜，通过光刻制作成梳状
17、电阻，在其表面覆盖一层绝缘保护膜，再引出电极引线即制成。,(二)热膜式空气流量传感器,1.结构主要组成部件,在传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套(相当于取样管)，热膜电阻设在护套中。护套的空气人口一侧设有空气过滤层防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度。,在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻，防止进气温度变化使测量精度受到影响。补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接，线束连接器插座连接，线束插座设在传感器壳体中部。,二、热线式与热膜式空气流量传感器检测,1.开路检测,点火开关断开，拔下传感器的配线连接器。通过加温检测热敏电阻温度传感器的阻值变化。,2.在路检测,点火开关接通
18、，检测电源、有关端子的电压值和线路的导通。,与热丝式流量传感器相比，热膜电阻的阻值较大，所以消耗电流较小，使用寿命较长。热膜电阻不直接承受空气流所产生的压力，提高了传感器的可靠性。由于其发热元件表面有一层绝缘保护薄膜，因此响应特性稍差。,热丝式与热膜式空气流量传感器其敏感元件分别是铂金属丝和铂金属膜，铂金属发热元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响。具有进气阻力小、无磨损部件等优点。因此目前大多数中高档轿车都采用了这种传感器。,如博世LH型燃油喷射系统、通用别克、尼桑千里马、尼桑风度、瑞典沃尔沃等轿车采用了热丝式空气流量传感器；马自达626、捷
19、达都市先锋、新捷达王、捷达前卫、红旗和桑塔纳时代超人等轿车采用了热膜式空气流量传感器。,热丝式与热膜式空气流量传感器特点,第四节 量芯式空气流量传感器,量芯式空气流量传感器具有进气阻力小、计量精度和工作可靠性高等优点，新型马自达(MAZDA)929型轿车采用了这种传感器。,一、量芯式空气流量传感器结构、原理,量芯式空气流量传感器的结构与翼片式传感器相似，主要由量芯、电位计、进气温度传感器和线束插座等组成。检测部件是一个椭圆球体量芯，安装在进气道内，并可沿进气道移动。,1.结构主要组成部件,电位计滑臂的一端与量芯连接，另一端设有滑动触点，量芯移动时，触点可在印制电路板的镀膜电阻上滑动。,2.传感器工作原理,量芯式空气流量传感器的测量原理与翼片式传感器相似，用量芯代替了翼片式传感器的翼片。,当节气门开度增加时，发动机的进气量增大，进气道内空气气流对量芯产生的推力力矩增大，气流推力力矩克服复位弹簧的弹簧力矩使量芯移动的距离增大，量芯带动电位计滑臂转动的角度增大，传感器输出端子之间的阻值减小，输出的信号电压降低；反之，当节气门开度减小时，传感器信号电压升高。ECU根据传感器输入信号电压的高低，即可计算出进气量的大小。,二、芯式空气流量传感器检测,量芯式空气流量传感器的检测与翼片式传感器相似。,
