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空气流量传感器论文课件
本科毕业设计（论文）
（2011届）
题目：
电控发动机空气流量传感器示教板的设计
学院：
职业技术教育学院
专业：
汽车维修工程教育
学生姓名：
吴秋红学号：
07520111
指导教师：
曹红兵职称：
副教授
合作导师：
职称：
完成时间：
2011年4月25日
成绩：
浙江师范大学本科毕业设计（论文）正文
目录
摘要1
英文摘要1
1引言1
2空气流量传感器结构组成及工作原理2
2.1热线（膜）式空气流量传感器的结构组成和工作原理2
2.2叶片式空气流量传感器的结构组成和工作原理4
2.3卡门涡旋式空气流量传感器的结构组成与工作原理5
3空气流量传感器的检修7
3.1热线（膜）式空气流量传感器的检修7
3.2叶片式空气流量传感器的检修8
3.3卡门涡旋式空气流量传感器的检修9
4空气流量传感器示教板的设计12
4.1示教板的总体布局12
4.2空气流量传感器故障设置点13
4.2.1热膜（线）式空气流量传感器的故障设置13
4.2.2叶片式空气流量传感器的故障设置14
4.2.3卡门涡旋式空气流量传感器的故障设置15
4.3示教板的制作材料及工艺16
4.4示教板使用说明书16
5结论与展望18
参考文献20
电控发动机空气流量传感器示教板的设计
职业技术教育学院汽车维修工程教育专业吴秋红（07520111）
指导教师：
曹红兵（副教授）
摘要：
本文在深入学习4种空气流量传感器的组成、工作原理的基础上，对各传感器进行线路改造，模拟空气流量传感器的各种故障，最终设计了空气流量传感器示教板。
为了教学而设计的电控发动机空气流量传感器故障模拟示教板，不仅解决了教学需求与学校条件不足的矛盾，并且能使学生更加直观地认识和掌握各种空气流量传感器的基本组成和工作原理，学习发动机检测和排除故障的基本方法，有利于提高他们的实际操作技能，提高教学效率和教学效果。
关键词：
电控发动机；空气流量传感器；模拟试验；实验装置；实验方法
DesignofteachingboardaboutElectronic-controlledEngineAirflowsensor
Name:
WuQiu-hongDirector:
CAOHong-bing
（Automobilemaintenanceengineeringeducation,vocationalofTechnicalEducationCollege,
ZhejiangNormalUniversity,07520111）
Abstract：
MalfunctionSimulationtestbenchforelectronic-controlledengineairflowsensormaybeusedtomeetdemandofteachingandstudying.Itishelpfultostudentstostudyenginestructureandfunction,tolearntestingandtroubleshooting.Thusitcanbeusedtoenhancetheiractualoperatingtechniquesandimprovetheefficiencyandeffectofteachingandstudying.
Keywords：
electronic-controlledengine；airflowsensor；simulationtestbench；experimentaldevice；experimentalmethod
1引言
随着传感器向电子化和数字化方向发展，传感器的输出值将得到更多的相关利用。
而在众多传感器中，空气流量传感器是电控发动机关键的传感元件。
它检测的进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。
又因为空气流量传感器与发动机转速信号确定基本喷油量，如果空气流量传感器信号偏弱，或随着节气门开度的增加，空气流量传感器信号上升很小，造成基本喷油量少，但实际进气量随着节气门开度的增加而增加，结果造成混合气稀，加速时动力反而下降，甚至熄火。
此时，由于空气流量传感器有信号，没有故障码输出，由此给故障诊断与排除带来一定的困难。
所以，在电喷发动机的检修实践中，空气流量
传感器的检测与维修占有非常重要的地位，空气流量传感器结构原理、检测诊断的教学也就成为职业学校汽车运用与维修专业《电喷发动机结构原理与检修》的教学重点与难点之一。
为了突破这一教学瓶颈，特设计了空气流量传感器示教板
供学习者更直观的理解掌握空气流量传感器的组成、工作原理及故障诊断方法。
因为车用传感器种类逐渐增多，给人们带来巨大便利与效益之时，也给维修新手及维修学员带来学习的难度.而由于时间、教学经费等的限制，让每一所学校都拥有充足的车型、设备是很难实现的。
基于此，各种传感器示教板纷纷问世。
在一定程度上缓解了汽车教学在理论与实际无法紧密结合的尴尬局面，同时填补了条件不足的空白，成为了理论与实际的连接纽带。
并且汽车电控系统系列示教板产品，为汽车电子技术的研究提供了很好的手段，同时方便了理论教学，给学生创造了接近实际的实习环境。
因此示教板在汽车教学中使用，已收到较好教学效果.目前，市场上的汽车示教板形式多样、种类繁多。
涉及到发动机、底盘的各部件。
诸如：
电控发动机故障模拟实验台、自动变速器示教板等等。
随着电控技术在汽车上的广泛应用，各种传感器也相应的配备在汽车上。
因此，各种传感器的示教板也出现在市场上。
随着电控技术的飞速发展，电子控制点火系统、电子控制喷射系统等在汽车的应用，汽车整车的零件种类将更趋复杂，零件的维修将更加困难，有时会出现不能诊断出故障原因的尴尬局面。
这些都是由于对电子元件或者是传感器等的工作原理缺乏深刻的理解。
示教板伴随着这些问题出现之后，由于其成本低、直观方便，受到热捧，在各个行业飞速发展。
国内也有很多相关企业进行开发和研制。
特别是一些教学常用车型：
桑塔纳、丰田凌志、丰田佳美等的实验台架技术已相当成熟。
虽然示教板技术发展迅速，却要看到一些不足：
一，在众多示教板中，以实验台居多。
而实验台本身结构也非常复杂且成本不菲。
二，如果把传感器全都具体的展示，则试验台过于复杂及体积庞大。
但是如果不具体展示出传感器的结构及电路等，学生对传感器的认识不够全面。
基于此，设计单独传感器的示教板很有必要。
2空气流量传感器结构组成及工作原理
2.1热线（膜）式空气流量传感器的结构组成和工作原理
博世LH型燃油喷射系统及别克、日产MAXIMA（千里马）、沃尔沃等一些高档轿车采用热线式空气流量传感器。
国产桑塔纳2000GSi、捷达GT（GTX）、帕萨特B52.8L等装配的则是热膜式空气流量传感器。
热线式空气流量传感器安装在空气滤清器和进气软管之间，基本结构由感知空气流量的白金热线（铂金属线）、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流并产生输出信号的控制线路板以及空气流量传感器的壳体等元件组成。
根据白金热线在壳体内的安装部位不同，热线式空气流量传感器分为主流测量、旁通测量方式两种结构形式。
图2-1所示是采用主流测量方式的热线式空气流量传感器的结构图。
它两端有金属防护网，取样管置于主空气通道中央，取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成。
热线线径为70μm的白金丝（RH），布置在支承环内，其阻值随温度变化，是惠斯顿电桥电路的一个臂（如图2-2a））。
热线支承环前端的塑料护套内安装一个白金薄膜电阻器，其阻值随进气温度变化，称为温度补偿电阻（RK），是惠斯顿电桥电路的另一个臂。
热线支承环后端的塑料护套上粘结着一只精密电阻（RA）。
此电阻能用激光修整，也是惠斯顿电桥的一个臂。
该电阻上的电压降即为热线式空气流量传感器的输出信号电压。
惠斯顿电桥还有一个臂的电阻RB安装在控制线路板上。
热线式空气流量传感器的工作原理如图2-2b所示，热线温度由混合集成电路A保持其温度与吸入空气温度相差一定值，当空气质量流量增大时，混合集成电路A使热线通过的电流加大，反之，则减小。
这样，就使得通过热线RH的电流是空气质量流量的单一函数，即热线电流IH随空气质量流量增大而增大，或随其减小而减小，一般在50~120mA之间变化。
图2-1热线式空气流量传感器（主流测量方式）的结构
1-防护网2-取样管3-白金热丝4-温度补偿电阻5-控制线路板6-电连接器
a）内部电路b）工作原理
图2-2热线式空气流量传感器（主流测量方式）的内部电路及工作原理
热膜式空气流量传感器是热线式的改进产品，其结构、工作原理与热线式基本相同，只是发热元件采用的是由铂金属片固定在树脂薄膜上而构成的热膜，优点是提高可靠性和耐用性，不粘附灰尘。
其结构如图2-3所示。
a）结构图b）剖视图
图2-3热膜式空气流量传感器
l-控制电路2-通往发动机3-热膜4-上流温度传感器5-金属护网
2.2叶片式空气流量传感器的结构组成和工作原理
传统的博世L型燃油喷射系统和丰田佳美（CAMRY）、子弹头大霸王（PREVIA）、皇冠（CROWN）2.8等一些中档车型采用叶片式空气流量传感器。
如图2-4所示，其结构由旋转叶片、电位计、进气温度传感器、接线插座四部分组成。
在进气通道内有一个可绕轴摆动的旋转叶片（测量片），如图2-5所示，作用在轴上的回位弹簧可使测量片关闭进气通路。
发动机工作时，进气气流经过推动测量片偏转，使其开启。
测量片开启角度的大小取决于进气气流对测量片的推力与测量片轴上回位弹簧弹力的平衡状况。
进气量的大小由驾驶员操纵节气门来改变。
进气量愈大，气流对测量片的推力愈大，测量片的开启角度也就愈大。
图2-4叶片式空气流量传感器图2-5旋转叶片
在测量片轴上连着一个电位计，如
如图2-6所示。
电位计的滑动臂与测量片同轴同步转动，把测量片开启角度的变化（即进气量的变化）转换为电阻值的变化。
电位计通过导线、连接器与ECU连接。
ECU根据电位计电阻的变化量或作用在其上的电压的变化量，测得发动机的进气量，如图2-7所示。
根据设计电路的不同，叶片式空气流量传感器又可分为信号电压上升型（随着进气量的增大信号电压升高）和信号电压下降型（随着进气量的增大信号电压降低）这两种类型，丰田皇冠2.85M-E、丰田大霸王2TZ-FE发动机采用的是信号电压上升型，丰田凌志ES300采用的是信号电压下降型。
图2-6与测量片同轴的电位计图图2-7叶片式空气流量传感器工作原理图
在叶片式空气流量传感器内，通常还有一电动汽油泵开关，如图2-8所示。
当发动机起动运转时，测量片偏转，该开关触点闭合，电动汽油泵通电运转；发动机熄火后，测量片在回转至关闭位置的同时，使电动汽油泵开关断开。
此时，即使点火开关处于开启位置，电动汽油泵也不工作。
空气流量传感器内还有一个进气温度传感器，用于测量进气温度，为进气量作温度补偿。
叶片式空气流量传感器导线连接器一般有7个端子，如图2-9中的39、36、6、9、8、7、27。
但也有将电位计内部的电动燃油泵控制触点开关取消后，变为5个端子的。
图2-9表示出了日产和丰田车用叶片式空气流量传感器导线连接器端子的“标记”。
其端子“标记”一般标注在连接器的护套上，具体含义如下：
THA-进气温度传感器信号、VS-空气流量传感器输出信号、VC-基准电压、VB-电源电压、E2-搭铁、FC-燃油泵开关、E1-搭铁。
图2-8叶片式空气流量传感器电路原理图图2-9叶片式空气流量传感器导线连接器端子
1-电动燃油泵开关2-可变电阻3-固定电阻4-热敏电阻（进气温度传感器）
2.3卡门涡旋式空气流量传感器的结构组成与工作原理
丰田凌志LS400轿车1UZ-FE发动机采用的是卡门涡旋式空气流量传感器。
如图2-10所示。
在进气管道正中间设有一流线形或三角形的涡流发生器，当空气流经该涡流发生器时，在其后部的气流中会不断产生一列不对称却十分规则的被称为卡门涡流的空气涡流。
根据卡门涡流理论，这个旋涡行列是紊乱地依次沿气流流动方向移动，其移动的速度与空气流速成正比，即在单位时间内通过涡流发生器后方某点的旋涡数量与空气流速成正比。
因此，通过测量单位时间内涡流的数量就可计算出空气流速和流量。
测量单位时间内旋涡数量的方法有反光镜检出式和超声波检出式两种。
图2-11所示是反光镜检出式卡门涡旋流量传感器，其内有一只发光二极管和一只光敏三极管。
发光二极管发出的光束被一片反光镜反射到光敏三极管上，使光敏三极管导通。
反光镜安装在一个很薄的金属簧片上。
金属簧片在进气气流旋涡的压力作用下产生振动，其振动频率与单位时间内产生的旋涡数量相同。
由于反光镜随簧片一同振动，因此被反射的光束也以相同的频率变化，致使光敏三极管也随光束以同样的频率导通、截止。
ECU根据光敏三极管导通、截止的频率即可计算出进气量。
凌志LS400轿车1UZ-FE发动机即为这种型式的卡门涡旋式空气流量传感器。
a）结构b）工作原理
图2-10卡门涡旋式空气流量传感器的结构和工作原理
1-整流栅2-涡流发生器3-超生波发生器4-卡门涡旋5-超生波接收器
6-至进气管7-反光镜8-发光二极管9-簧片10-压力传递孔
11-光敏三极管
图2-12所示为超声波检出式卡门涡旋式空气流量传感器。
在其后半部的两侧有一个超声波发射器和一个超声波接收器。
在发动机运转时，超声波发射器不断地向超声波接收器发出一定频率的超声波。
当超声波通过进气气流到达接收器时，由于受气流中旋涡的影响，使超声波的相位发生变化。
ECU根据接收器测出的相应变化的频率，计算出单位时间内产生的旋涡的数量，从而求得空气流速和流量，然后根据该信号确定基准空气量和基准点火提前角。
1-空气进口2-进气歧管
3-光敏三极管4-簧片
5-压力基准孔6-涡旋发生器
7-卡门涡旋8-整流栅
1-超生波发射器2-超生波发生器3-至发动机4-与涡流数对应的疏密声波5-整形后的矩形波6-接ECU7-旁通气道8-超生波接收器9-卡门涡旋10-涡流发生器11-涡流稳定板
图2-11反光镜检出式图2-12超声波检出式
3空气流量传感器的检修
3.1热线（膜）式空气流量传感器的检修
如图3-1所示，桑塔纳2000GSiAJR发动机热膜式空气流量传感器（G70）的供电电路为:
继电器盒30号线→燃油泵继电器（经过内部闭合的触点）→熔丝S（30A）→线路中插接器T8→1.5导线→空气流量传感器端子2。
信号输出电路为:
空气流量传感器正信号由端子5→0.5导线→电子控制单元J220插座T80端子13，空气流量传感器负信号由端子3→J220插座T80的端子12。
图图3-1空气流量传感器连接电路及插头端子
检测供电电压。
关闭点火开关，拔下空气流量传感器5芯插头，起动发动机，用万用表检测插头端子2和发动机搭铁点间的电压，应接近12V蓄电池电压。
如电压为O，应检查熔断丝与端子2间的线路有无断路；若无断路，检查燃油泵继电器。
用万用表检测端子4与搭铁间的电压，应为5V。
若不正常，检查J220的端子11电压是否为5V。
若是，则检查线路是否断路；若不是，更换发动机ECU。
也可用发光二极管试灯对供电电压进行检测。
检测时，用发光二极管试灯连接空气流量传感器插头端子2和发动机搭铁点，起动发动机，灯应亮。
如果灯不亮，应检查熔断丝与端子2间线路有无断路或短路，如正常，则检查燃油泵继电器。
检测线路导通性。
接上传感器插头和空气滤清器，检测空气流量传感器上端子3、4、5与发动机ECU上相关端子12、11、13间的线路电阻，其电阻值应小于1Ω。
如果线路有断路或短路，应修复。
③检测信号电压。
首先关闭点火开关，拆下空气滤清器。
接通点火开关，但不起动发动机，用450W的电吹风（冷风挡）向空气流量传感器吹气，测量传感器插头端子5（正信号线）、端子3（负信号线）间的电压，信号电压应在2.0~4.OV间变化。
若电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。
④当用VAG1551或VAG1552进行数据流读取时，发动机怠速运转，读测量数据块显示组02，检查进气质量参数，标准值应为2.0~4.0g/s。
如果不在标准范围内或者查询到空气流量传感器有故障，应检查传感器的供电电压。
3.2叶片式空气流量传感器的检修
叶片式空气流量传感器常见故障有叶片总成摆动卡滞、电位计滑动触点磨损而与镀膜电阻接触不良、油泵触点烧蚀而接触不良等。
空气流量传感器的万用表检测有就车检测和单件检测两种方法，如图3-2丰田大霸王2TZ-FE发动机用叶片式空气流量传感器电路原理图，以它为例加以说明。
图3-2丰田PREVIA2TZ-FE发动机叶片式空气流量传感器电路原理
THA-进气温度传感器信号Vs-空气流量传感器输出信号Vc-基准电压
VB-电源电压E2-搭铁Fc-燃油泵开关E1-搭铁
就车检测。
点火开关置“OFF”，拔下该流量传感器导线连接器，用万用表欧姆挡测量连接器内各端子间的电阻。
其电阻值应符合表3-1所示；如不符，则应更换空气流量传感器。
表3-1丰田PREVIA叶片式空气流量传感器各端子间的电阻
端子
标准电阻（kΩ）
温度（℃）
VS-E2
0.2-0.60
-
VC-E2
0.20-0.60
-
THA-E2
10.00-20.00
-20
4.00-7.00
0
2.00-3.00
20
0.90-1.30
40
0.40-0.70
60
FC-E1
不定
-
单件检测。
点火开关置“OFF”，拔下空气流量传感器的导线连接器，拆下与空气流量传感器进气口连接的空气滤清器，拆开空气流量传感器出口处空气软管卡箍，拆除固定螺栓，取下空气流量传感器。
图3-3电位计电阻的检测方法
首先检查电动燃油泵开关，用万用表欧姆挡测量E1-FC端子电阻:
在测量片全关闭时，E1-FC间不应导通，电阻为∞；在测量片开启后的任一开度上，E1-FC端子间均应导通，电阻为0。
图3-3叶片式空气流量传感器电位计电阻的检测。
然后如图3-3所示，用起子推动测量片，同时用万用表欧姆挡测量电位计滑动触点VS与E2端子间的电阻:
在测量片由全闭至全开的过程中，电阻值应逐渐变大，且符合表3-2所示；如不符，则须更换空气流量传感器。
表3-2丰田PREVIA叶片式空气流量传感器各端子间的电阻
端子
标准电阻（Ω）
测量片位置
FC-E1
∞
测量片全关闭
0
测量片开启
VS-E2
20-600
全关闭
20-1200
从全关到全开
表3-3丰田CROWN2.85M-E发动机叶片式空气流量传感器各端子间的电阻
端子
温度（℃）
测量片位置
标准电阻（kΩ）
E2-VS
-
完全关闭
0.02
-
从关闭到全开
0.02~1.00
E1-FC
-
完全关闭
∞
-
任何开度
0
E2-THA
0
-
4.00~7.00
20
-
2.00~3.00
40
-
0.90~1.30
60
-
0.40~0.70
E2-VC
-
-
0.10~0.30
E2-VB
-
-
0.20~0.40
E2-FC
-
-
∞
3.3卡门涡旋式空气流量传感器的检修
丰田凌志LS400轿车1UZ-FE发动机用反光镜检出式空气流量传感器与ECU的连接端子与连接电路如图3-4所示，KS为空气流量信号输出端。
电阻检测。
点火开关置“OFF”，拔下空气流量传感器的导线连接器，如图3-4所示，用万用表电阻挡测量传感器上“THA”与“E1”端子之间的电阻，其标准值如表4-4所示。
如果电阻值不符合标准值，则更换空气流量传感器。
图3-4LS4001UZ-FE发动机卡门涡旋式空气流量传感器与ECU的连接端子与连接电路
表3-4丰田凌志LS4001UZ-FE卡门涡旋式空气流量传感器THA-E2端子间的电阻
端子
标准电阻（kΩ）
温度（℃）
THA-E2
10.0-20.0
-20
4.0-7.0
0
2.0-3.0
20
0.9-1.3
40
0.4-0.7
60
电压检测。
插好此空气流量传感器的导线连接器，用万用表电压档检测发动机ECU端子THA-E2、VC-E1、KS-E1间的电压，其标准电压值见表3-5所示。
表3-5丰田LS4001UZ-FE发动机卡门涡旋式空气流量传感器ECU端子间电压值
端子
电压（V）
条件
THA-E2
0.5-3.4
怠速、进气温度20℃
4.5-5.5
点火开关ON
KS-E1
2.0-4.0（脉冲发生）
怠速
VC-E1
4.5-5.5
点火开关ON
以上介绍了叶片式、卡门旋涡式、热线（膜）式三种类型的空气流量传感器。
叶片式空气流量传感器在二十世纪70年代应用较广，它结构简单、价格便宜、且具有良好的可靠性。
但也存在如体积大、不便于安装、急加速响应滞后较长、进气阻力较大以及需要补偿大气压力和温度的变化等一些缺点。
为了克服这些缺点，二十世纪80年代初相继出现了热线式、热膜式和卡门旋涡式等空气流量传感器。
尤其是热线式和热膜式空气流量传感器能测出空气质量流量，避免了海拔高度引起的误差，再加上响应时间短，测量精度高。
因此，已成为现代汽车电子控制燃油喷射系统较流行的空气流量传感器。
另外，也还可采用示波器进行故障诊断。
通过查看示波器显示的空气流量传感器波形，判断传感器是否存在。
各传感器波形图：
图3-5热膜式空气流量传感器波形
图3-6叶片式空气流量传感器波形
图3-7卡门涡旋式空气流量传感器
4空气流量传感器示教板的设计
4.1示教板的总体布局
示教板总长1400mm，总宽为480mm,总高1800mm.示教板桌面离地面800mm，面板厚度为230mm（在本设计中把面板之后的空间作为存放零件的空间，所以厚度较厚）。
整体台架采用国标钢材制作支撑架以支承示教板和在示教板上的各种附件，支撑架采用焊接成形，焊接完成后，表面喷上灰色的油漆。
示教板三视图见附图1。
示教板面板上各元件都标出其名称并绘有彩色喷绘电路图，喷绘图由有机玻璃保护，采用高强度高粘性的喷绘底膜材料，不易脱落掉色，学员可直观对照电路图和实物，认识和分析空气流量传感器的工作原理。
示教板的面板固定在台架上。
三种空气流量传感器（热膜式和热线式因结构基本相同，故只放置一个）和检测端子集中安装在示教板的面板上，可直接在面板上利用检测仪器检测空气流量传感器电路元件的电信号，如电阻、电压等信号参数，检测端子采用透明有机玻璃丝印出各端子的名称。
另外为了方便做动态试验（如采用电吹风模拟工作状态时），将空气流量传感器均横置在示教板上。
并且面板上配置有诊断接头，供示波器测量传感器波形使用。
另外还配置有点火开关等附件。
示教板面板的布置见附图2。
示教板主要是考虑了能够满足对空气流量传感器的结构、工作原理、故障设置及诊断的教学需求而设计。
其面板电压为12V直流（
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