1、8.1 8.1 振动的检测振动的检测 汽车噪声和振动的评价指标取决于三个因素。汽车噪声和振动的评价指标取决于三个因素。第一是顾客的要求，来源于市场调查；第二是对竞争对手的车辆进行评估，然后决定自己要开发的汽车在未来的市场上占据什么位置；第三是根据公司的技术水平来寻求最佳的声音效果。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量汽车噪声与振动评价包括三方面内容汽车噪声与振动评价包括三方面内容。1）车内噪声评价。它是从顾客的角度来评价一部车的噪声和振动的大小，也称顾客层次的评价车内噪声评价反映了一部汽车整体的噪声与振动水准，也叫整车评价，是汽车产品开发的核心。2）系统和零部件的评价。汽车所有
2、系统和零部件的开发是以车内指标为中心进行的。3）通过噪声。政府法规规定了当汽车通过街道时，一定距离内噪声不得超过的标准。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.1 8.1.1 振动检测的基本原理振动检测的基本原理惯性式振动测量仪可简化为一单自由度阻尼振动系统。考虑相对运动，则质量m的运动方程为 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图 8-1 惯性式振动测量仪的力学模型0202kxdtdxcdtxdm22122dtdxmkxdtdxcdtxdm设载体作简谐运动，即解得稳态受迫振动为txtxmsin)(11)sin(tAx8.1.1 8.1.1 振动检测的基本原
3、理振动检测的基本原理 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量1021201,1mxA 1.当时，2.当时，时，3.当1/nmmxcmxA11211/nmxA1图8-2 由载体引起的加速度响应图 8-3 由载体引起的速度响应 8-4 由载体引起的位移响应8.1.2 8.1.2 激振器激振器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量名称名称工作原理工作原理适用范围及优缺点适用范围及优缺点永磁式电永磁式电动激振器动激振器 装置于永磁体磁场中的驱动线圈与支承部件固联，线圈通电产生电动力驱动固联于支承部件的试件产生周期正弦波振动 频率范围宽，振动波形好，频率范围宽，振动波形好，
4、操作调节方便操作调节方便励磁式电励磁式电动激振器动激振器 利用直流励磁线圈来形成磁场，将置于磁场气隙中的线圈与振动台体相连，线圈通电产生电动力使振动台体做机械振动 频率范围宽，激振力大，振频率范围宽，激振力大，振动波形好，设备机构较复杂动波形好，设备机构较复杂电磁式电电磁式电动激振器动激振器 交变电流通至电磁铁的激振线圈，产生周期性的交叉吸力，作为激振力 非接触激振，频带宽，简单，非接触激振，频带宽，简单，振动波形差，激振力难控制振动波形差，激振力难控制电液式激电液式激振器振器 小型电动式激振器带动液压伺服油阀以控制油缸，油缸驱动台产生周期正弦振动 激振力大，频率低，易自控激振力大，频率低，易
5、自控和多台激振，设备复杂和多台激振，设备复杂脉冲锤脉冲锤 锤体和锤头之间装力传感器，检测被测系统所受敲击锤体和锤头之间装力传感器，检测被测系统所受敲击力大小，用于向被测对象施加脉冲激励力大小，用于向被测对象施加脉冲激励 激励频率由接触面刚度决定，激励频率由接触面刚度决定，锤头越硬，上限频率越高锤头越硬，上限频率越高表表8-1 8-1 常用激振器对比常用激振器对比8.1.3 8.1.3 振动传感器的技术指标振动传感器的技术指标 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（1 1）频率特性）频率特性 包括幅频特性和相频特性；（2 2）灵敏度）灵敏度 电信号输出与被测振动输入之比；（3 3
6、）动态范围）动态范围 可测量的最大振动量与最小振动量之比；（4 4）幅值线性度）幅值线性度 理论上在测量频率范围内传感器灵敏度为常数，即输出信号与被测振动成正比。实际传感器只在一定幅值范围保持线性特性，偏离比例常数的范围称非线性，在规定线性度内可测幅值范围称线性范围；（5 5）横向灵敏度）横向灵敏度 实际传感器除了感受测量主轴方向的振动，对于垂直于主轴方向的横向振动也会产生输出信号。横向灵敏度通常用于主轴灵敏度的百分比来表示。横向灵敏度越小越好，一般要求小于3%5%。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.4 测振传感器的合理选择测振传感器的合理选择1 1直接测量参数的选择
7、直接测量参数的选择 振动的被测量是位移、速度或加速度。它们是 的等比数列，能通过微积分来实现它们之间的换算。传感器在选择时还应力图使最重要的参数能以最直接、最合理的方式测得。例如，考查惯性力可能导致的破坏和故障时，宜做加速度测；考查振动环境时，宜做振动速度的测量；考查位置变化时，宜选用电涡流或电容传感器。2 2要综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标要综合考虑传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标 各种测振传感器都结构的限制，而有各自适用的频率范围。对于惯性式传感器，一般质量大的上限频率低，灵敏度高；质量轻的传感器频率高，灵敏度低。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1
8、.58.1.5振动分析方法振动分析方法 1.1.一般谱分析一般谱分析 在采样前应经抗混叠滤波，并根据采样定理选择采样频率。一般先估计信号中感兴趣的最高频率，根据抗混叠滤波器的截止频率，而后确定采样频率。通过自功率谱的分析，最终可得到信号频谱结构的全貌。2 2激振频率同频成分的提取激振频率同频成分的提取 用相关滤波或FFT算法都可以实现这种要求。对于FFT，为了防止泄露误差和栅栏效应，应使FFT谱线落在参考信号的频率上。为此截取的信号时长应等于参考信号周期的整数倍。3 3宽带激励下系统传输特性的求法宽带激励下系统传输特性的求法 这是分析的两个信号记录应该是同时发生的，不允许有时差；两个通道应该使
9、用相同的采样频率和时长；频谱分析使用相同的窗函数和分析程序。一般采用多段记录分析，将其进行平均，以提高测试的精度。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.6汽车加速度传感器汽车加速度传感器常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能常用位移传感器的主要特点和使用性能 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.7 汽车加速度传感器汽车加速度传感器 美国AD公司生产的ADXL50是已经产品化的最典型的电
10、容式加速度微传感器，它采用多晶硅加工工艺制作出敏感元件，在芯片上集成有检测电路的传感器芯片。ADXL50采用了一对梳状电极结构，通过采用多对平行电极，可在有限的空间内提高电容值，进而提高加速度传感器的灵敏度。工作原理如图8-5所示。敏感元件是差动电容Cs1和Cs2，它由两片固定的外侧极板和可移动的中央极板组成。中央极板受到加速度的作用而左右移动。图8-5 ADXL50加速度传感器工作原理 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.7 汽车加速度传感器汽车加速度传感器图8-5 ADXL50加速度传感器工作原理第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 ADXL50
11、内部集成电路原理如图8-6所示。电容检测原理如如8-7所示。在传感器的固定极板上加上来自振荡器的1MHz的脉冲信号，并且两个固定极板上脉冲信号的相位是相反的，这样中央极板输出的信号为Cs1和Cs2两串联电容组成分压器的中央电压。Cs1和Cs2相等（无加速度时），加到中央极板上的脉冲信号由于相位相反而互相抵消，输出一恒定值（图8-8a所示）。当受到加速度作用而使Cs1和Cs2之间存在差值时，加在两固定极板上的两脉冲信号的相位不再相反，中央极板的输出电压为图8-8b所示的脉冲信号。利用1MHz的同步脉冲信号对输出电压信号进行解调，当加速度为正反向时，解调器输出正电压，反之为负电压。如此，把梳状电极
12、间电容两的变化准换为相应的直流电压输出。第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-ADXL50加速度传感器电路原理ADXL50加速度传感器电容检测原理第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量ADXL50加速度传感器信号 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.1.8 汽车爆燃传感器汽车爆燃传感器 爆燃传感器主要感应发动机各种不同频率的振动，并将振动转化成不同的电压信号。当发动机发生爆燃时，爆燃传感器感应到此变化并产生较大的振幅电压信号。如图8-9所示，它检测到爆燃信号并作为点火提前角的反馈信号输入ECU，实现ECU对点火提前角的修正，使其保持
13、最佳，从而实现点火提前角的闭环控制。第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量爆燃传感器的检测频率与输出电压第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 按发动机缸体振动频率的检测方式不同，爆燃传感器分共振型和非共振型，共振型爆燃传感器的显著特点是传感器的共振频率与发动机爆燃的频率一致，并且共振体的共振频率与爆燃频率协调一致。优点是输出电压高，不需要滤波器。由于机械共振体的频率特性尖且频带窄，无法响应发动机条件变化引起的爆燃频率变化，所以只适用于特定发动机。非共振型爆燃传感器突出优点是适用于所有的发动机，装车自由度大，但输出电压较低，频率特性平且频带宽，需要配用带通滤
14、波器，只需调整滤波器的过滤频率就可用于不同发动机上。这里只介绍非共振型爆燃传感器。第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 非共振型爆燃传感器由平衡重（配重）、压电晶体、壳体、电气连接组成，一般安装在气缸体上，如图8-10所示。两个压电晶体同极性相向对接，配重由螺丝固定在壳体上。当发动机发生爆燃时，安装在缸体上的爆燃传感器内部配重受振动的影响而产生加速度，配重将此加速度惯性力转变为作用在压电晶体上的力，压电晶体受到此加速度惯性压力后产生电信号输出，输出电压由两个压电晶体的中央取出，经电路输给ECU。发动机爆燃时，由于这种传感器输出电压不大，具有平缓的输出特性，如图8-11所示。
15、因此，需要将发动机输出电压信号送到识别爆燃的滤波器中，判别是否有爆燃产生的信号。第第8 8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量非共振型爆燃传感器安装位置及结构 非共振型爆燃传感器输出电压与频率关系 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2 噪声的测量噪声的测量 噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声源，它可以是固体、气体或液体。声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波。当声波到达人耳，人们就听到声音，声波在传播过程中可能会产生反射、绕射、折射和干涉。在通常情况下，我们往往把那些不希望听见的声音称为噪声，如环境噪声、交通噪声等。
16、钢琴声是乐声，但对于正在学习或睡觉的人就成了扰人的噪声。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.1 噪声的客观评价体系噪声的客观评价体系1.1.声压与声压级声压与声压级 声音有强弱之分，并用声压p来表示其大小，单位是Pa(帕)（1Pa=1N/m2），一个大气压等于1.013105Pa。声压可以用峰值、平均值和有效值表示。声压的有效值是瞬时声压平方在一段时间平均数的平方根，又称均方根值，它直接与声波的能量有关，所以用得最多，以下除非另外说明，所论声压均指有效值。由于声压变化的范围很大，例如人耳刚能听到的最小声压为210-5Pa（称听阀声压），而喷气式飞机附近的声压可达数百帕，
17、两者相差数百万倍；同时考虑人耳对声音强弱反应的（对数）特性，用对数方法将声压分为百十个级，称为声压级。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 声压级的定义是：声压与参考声压之比的常用对数乘以20，单位是dB（分贝），即：式中，P为声压（Pa），P0=210-5Pa，为人耳刚刚可听到的声音的声压。020lgpLPp 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量2声强与声强级 衡量声音强度的还有声强和声功率。声强是在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能，以I表示，单位是W/m2（瓦/米2）。声强与声压的平方成正比，对于平面波声场，声强I和声压P的关系为：式中，为
18、介质密度，c是声速，称介质的特性阻抗。2CpIp 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量3声功率和声功率级 声源在单位时间内辐射的总声能，称声源的声功率，用P表示，单位是W（瓦），它等于包围声源的一个封闭面上的声强总和。在自由声场中，声波无反射地自由传播，点声源向四周辐射球面波，其声功率为：式中，Ir为距声源距离r处的声强。所以有：，即两点的声强和它们各自与声源距离的平方成反比。2,4PIr212221IrIr 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.2噪声的频谱噪声的频谱 声音（噪声）的频率成分往往是较复杂的。主要成分在1000Hz以上的噪声称高频噪声；主要
19、噪声频率在500Hz的噪声称低频噪声；主要频率成分在500-1000Hz范围内的噪声称中频噪声。声音的频谱能清楚地表明声音在不同频率范围内强度的分布状况，表明声音中含有哪些频率成分，各频率成分的强弱，哪些频率成分占主导地位。因此，测量声音的频谱往往是噪声测量的重要组成部分。噪声的强度用声压表示；噪声的频率成分用频谱表示。根据人耳对声音频率变化的反应，把可听到的频率范围分成数段，按每段内的声音强度进行分析。声学测量中常常使用的是带通滤波器，带通滤波器只允许一定频率范围（通带）内的信号通过，高于或低于这一频率范围的信号不能通过。倍频程和1/3倍频程滤波器是常用的恒带宽比带宽滤波器。第第8章章 汽车
20、常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.3噪声的主观评价噪声的主观评价 人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。一般对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，人们仿照声压级引出了一个响度级的概念。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 在使用等响实验方法，可以得到一簇不同频率、不同声压级的等响度曲线。实验时用1000Hz的某一强度（例如40dB）的声音为基准，用人耳试听的办法与其他频率（例如100Hz）声音进行比较，调节此声音
21、的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级（例如50dB）。再用其他频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。这条曲线用1000Hz时的声压级数值来表示它们的响度级值，单位为方，这里就是40方。同样以1000Hz其他声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其他的等响度曲线。经过大量试验得到的并由国际标准化组织（ISO）推荐为标准的等响度曲线示如图8-12所示。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-12 等响度曲线 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见
22、物理量的测量 响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。例如一个80方的声音比另一个50方的声音究竟响几倍？为此人们引出了响度的概念。1947年国际标准化组织采用了一个新的主观评价量：宋，并以40方为1宋。响度级每增加10方，响度增加一倍，如50方为2宋，60方为4宋等。其表示式为：式中：S为响度（宋），LN为响度级（方）。上式只适用于纯音和窄带噪声，对于一般的宽带噪声则要采用响度指数的计算方法，或者利用史蒂文斯响度指数表来查找倍频带或1/3倍频带声压级对应的响度指数。40102NLS 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 噪声
23、往往由多个频率成分组成。在计算噪声总响度时，先测出噪声的频带声压级，然后从响度指数曲线（图8-13）中查出频带的响度指数，再按下式计算总响度：式中，-频带中最大的响度指数，-所有频带的响度指数之和0max0.7SSFSmaxSS0.3,0.2,1/20.15,1/3F倍频程滤波器倍频程滤波器倍频程滤波器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-13 响度指数曲线 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.4声级和声级计声级和声级计 计权声压级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级，简称声级。在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权网络，使接收
24、的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。一般设置A、B和C三种计权网络，其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）有较大的衰减。B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。A、B、C计权的频率响应曲线（计权曲线）已由国际电工委员会（IEC）定为标准，如图8-14所示。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-14 A、B、C计权的频率响应曲线 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 1 1声级计组成声
25、级计组成 声级计是测量声压的主要仪器。它是用一定频率和时间计权来测量噪声的一套仪器。声级计的工作原理（图8-15）是：声波被传声器转换成电压信号，该电压信号经衰减器、放大器以及相应的计权网络、滤波器，或者输入记录仪器，或者经过检波器直接推动指示表头。图8-15 声级计工作框图 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量2 2声级计分类声级计分类按测量精度声级计分：1）精密型声级计（一级）。除了包含A、B、C 计权网络外，还有外接滤波器插口，可进行倍频程或1/3 倍频程滤波分析；2）普通型声级计（二级）。它具有 A，B，C计权网络。3）普及型声级计（三级）。它只具有 A计权网络。第第8
26、章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.5噪声测量的注意事项噪声测量的注意事项 产生噪声的原因是多种多样的，噪声测量的环境和要求也不相同。能否获得精确的结果，不但与测量方法、仪器有关系，而且与测量过程中的时间、环境、部位等也有关系。1 1测量部位的选取测量部位的选取2 2测量时间的选取测量时间的选取3 3本底噪声的修正本底噪声的修正4 4干扰的消除干扰的消除 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.2.6汽车噪声的测量汽车噪声的测量 1 1车外噪声的测量车外噪声的测量（1 1）汽车定置噪声的测量（图）汽车定置噪声的测量（图8-178-17、图、图8-188-18）
27、图8-17 汽车定置排气噪声测量场地及传声器位置 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-18 汽车定置排气噪声测量场地及传声器位置（续）第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（2）测量场地和测点位置 测试传声器位于20m跑道中心点两侧，各距中线7.5m，距地面高度1.2m，用三角架固定，传声器平行于路面，其轴线垂直于车辆行驶方向，如图8-19所示。图8-19 车外噪声测量场地及测量位置 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 （3 3）加速行驶车外噪声测量方法）加速行驶车外噪声测量方法 1）车辆须按规定条件稳定地到达始端线，前进档位为4档以上的车
28、辆用第3档，前进档位为4档或4档以下的用第2档，发动机转速为其标定转速的3/4。如果此时车速超过了50kmh，那么车辆应以50kmh的车速稳定地到达始端线。对于自动变速器的车辆，使用在试验区间加速最快的档位。辅助变速装置不应使用。在无转速表时，可以控制车速进入测量区，即以所定档位相当于3/4标定转速的车速稳定的到达始端线。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 2）从车辆前端到达始端线开始，立即将加速踏板踏到底或节气门全开，直线加速行驶，当车辆后端到达终端线时，立即停止加速。车辆后端不包括拖车以及和拖车连接的部分。要求被测车在后半区域发动机达到标定转速，如果车速达不到这个要求，可
29、延长距离为15m，如仍达不到这个要求，车辆使用档位要降低一档。如果车辆在后半区域超过标定转速，可适当降低到达始端线的转速。3）声级计用“A”计权网络、“快”档进行测量，读取车辆驶过时的声级计表头最大读数。4）同样的测量往返进行1次。车辆同侧两次测量结果之差，应不大于2dB，并把测量结果记入规定的表格中。取每侧2次声级平均值中最大值作为检测车的最大噪声级。若只用1只声级计测量，同样的测量应进行4次，即每侧测量2次。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（4 4）匀速行驶车外噪声测量方法）匀速行驶车外噪声测量方法 1）车辆用常用档位，加速踏板保持稳定，以50kmh的车速匀速通过测量区
30、域。2）声级计用“A”计权网络、“快”档进行测量，读取车辆驶过时声级计表头的最大读数。3）同样的测量往返进行1次，车辆同侧两次测量结果之差不应大于2dB，并把测量结果记入规定的表格中。若只用1个声级计测量，同样的测量应进行4次，即每侧测量2次。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量2 2驾驶室噪声的测量驾驶室噪声的测量（1 1）测量条件）测量条件 1）测量跑道应有足够试验需要的长度，应是平直、干燥的沥青路面或混凝土路面。2）测量时风速(指相对于地面)应不大于3m/s。3）测量时车辆门窗应关闭。车内带有其他辅助设备是噪声源，测量时是否开动，应按正常使用情况而定。4）车内本底噪声比所
31、测车内噪声至少低l0dB，并保证测量不被偶然的其他声源所干扰。5）车内除驾驶员和测量人员外，不应有其他人员。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（2 2）测点位置）测点位置 1）车内噪声测量通常在人耳附近布置测点，传声器朝车辆前进方向。2）驾驶室内噪声测点的位置如图8-20所示。3）载客车室内噪声测点可选在车厢中部及最后一排座的中间位置，传声器高度参考图8-20。图8-20 驾驶室内噪声测点的位置 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（3 3）测量方法）测量方法 1）车辆以常用档位、50kmh以上的不同车速匀速行驶，分别进行测量。2）用声级计“慢”档测量“A”、
32、“C”计权声级，分别读取表头指针最大读数的平均值，测量结果记入规定的表格中。3）做车内噪声频谱分析时，应包括中心频率为31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz的倍频带。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.3空气流量测量空气流量测量 空气流量传感器是电控燃油喷射发动机上最重要的传感器之一，它安装在发动机的进气道上,如图8-21所示。在工作过程中计算进入气缸的空气量，并将此信号发给发动机ECU，ECU以此为依据，结合其他传感器的信息，计算最佳喷油量，以控制发动机的空燃比。空气流量传感器是决定发动机电喷系统
33、控制精度的重要部件之一。当规定空燃比控制精度为1.0时，对应的空气流量传感器的允许误差为（23%）。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-21 空气流量传感器的安装位置 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.3.流量测量的概念流量测量的概念 1 1流量流量 流量通常指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，即瞬时流量。在某一段时间内流体的总和，称总量或累计流量。2 2体积流量体积流量 以体积表示的瞬时流量用 表示，单位是；以体积表示的累计流量用 表示，单位是。0tvvvAqvdAvA Qq dt 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量3 3质量
34、流量质量流量以质量表示的瞬时流量用 表示，单位是；以质量表示的累计流量用 表示，单位是。mvmvQQqq4 4标准状态下的体积流量标准状态下的体积流量由于气体是可压缩的，流体的体积会受工况的影响，为了便于比较，工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状态（，一个标准大气压）下的体积流量，用 表示，单位是 。vnq3/Nms 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量5 5黏度黏度黏度表征流体的流动阻力，如图8-22所示。图8-22 黏度流体层间剪切应力为：图8-22 黏度流体层间剪切应力为：dvdy 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量6 6层流和紊流层流和紊流
35、流体在细管中有两种流动形式。层流：流体沿直线顺着与管道平行的流线规律运动。紊流：流体质点的运动是紊乱的。7 7雷诺数雷诺数Revd利用雷诺数可判断流动的形式。：层流；：紊流。流动状态由流体比重、管道直径、流速、流体黏度决定Re20002000Re 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.3.2空气流量传感器空气流量传感器 1 1动片式空气流量传感器动片式空气流量传感器 动片式空气流量传感器又称翼片式或活门式空气流量传感器。包括空气流量计和电位计，其结构如图8-23所示，原理如图8-24所示。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的位置处停止，动片的开度与进气量
36、成正比。动片转动轴上装有电位计，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压信号，然后输入到控制电路。阻尼片与阻尼室其阻尼作用，当发动机吸入的空气量急剧变化时，使动片转动平稳，减小动片脉动。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-23 动片式空气流量传感器结构 图8-24 动片式空气流量传感器原理 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量设空气流量为Q 式中，为流量系数，A为动片开口面积，g为中力加速度，为空气密度，p1、p2为动片上、下游的压力。12()2ppQAg 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 2.2.超声
37、波卡曼涡旋空气流量传感器超声波卡曼涡旋空气流量传感器 野外的架空电线被风吹会嗡嗡的发生声响，风速越高声音频率越高，这是因为气流流过电线后形成涡旋所致。如图8-25所示，管路中设置了圆柱体，形成涡旋。若两列平行的涡旋相距h，同一列中先后出现的两个涡旋间距为l，当h/l=0.281时，所形成的涡旋是稳定且周期性的。根据流体的连续性，S1v1=Sv；式中，S1为柱状体两侧流通面积；S为管道整个流通面积；v为管道内流体的平均速度。图8-25 卡曼涡旋形成原理图8-25 卡曼涡旋形成原理 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量设流通面积之比为n，则 所以有，单侧涡旋的产生频率 式中，v1为
38、柱状体两侧的流速（m/s）；d为柱状体迎流面的最大宽度（m），St的量纲为1，在柱状体形状确定后，在一定的雷洛数范围内为常数，称斯特拉哈尔数。对于直径为D的管道，其容积在管道尺寸和柱状体尺寸确定之后，涡旋频率与容量成正比，即：qv=Kf。11/nSSv v1/fStvdStv nd2244vDndqvDfSt 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 超声波卡曼涡旋空气流量传感器的结构如图8-26所示。传感器上分别设有一个主空气道和一个旁通空气道。涡旋发生器设在主空气道上，旁通空气道是为了调节空气道的流量。对于排量不同的发动机，通过改变旁通空气道截面积的大小，可使用通一规格的流量传
39、感器来满足流量检测的要求。主通道上的三角柱和数个涡旋放大板构成了卡曼涡旋发生器。图8-26 超声波卡曼式空气流量传感器结构 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 图8-27 流量监测的原理框图 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 3 3.热线式空气流量传感器热线式空气流量传感器 图8-28 热线式空气流量传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 4 4热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器 图8-29 热膜式空气流量传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 5 5各种空气流量传感器的比较各种空气流量传感器的比较（1 1
40、）输出特性）输出特性 图8-28 热线式空气流量传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（2 2）减速时的流量测试能力）减速时的流量测试能力 图8-31 空气流量传感器的输出变化 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 （3 3）加速时的响应特性）加速时的响应特性 动片式的可动部分有惯性，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，基本无滞后。总体来讲，就响应特性，卡曼涡旋式和热丝式优于动片式。（4 4）怠速时流量的测定精度）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，特别对怠速时的策略精度有要求，以及发动机罩
41、下温度达到时的工作区域。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。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 （5 5）脉动气流的测定功能）脉动气流的测定功能 发动机在节气门全开状态下运转时，进气是脉动气流。要想精确地测定脉动气流，传感器的响应性能要好。经试验证明，在进气为脉动气流时，卡曼涡旋式及热丝式空气流量传感器都能正常工作。当4缸发动机出现进气倒流的激烈脉动气流时，都不可能进行精切的测定，因为热丝式没有识别正、反向气流的功能，卡曼涡旋式没有测定反向气流的功能，动片式无法跟踪方向变换的正、反向气流。第第8
42、章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量（2 2）减速时的流量测试能力）减速时的流量测试能力 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.4位置测量位置测量8.4.1节气门位置传感器节气门位置传感器图8-32 触点开关式节气门位置传感器的电路及信号 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.4.1节气门位置传感器节气门位置传感器图8-32 触点开关式节气门位置传感器的电路及信号1触点开关式节气门位置传感器触点开关式节气门位置传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-33 复合式节气门位置传感器2 2复合式节气门位置传感器复合式节气门位置传
43、感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-32 触点开关式节气门位置传感器的电路及信号3 3霍尔式节气门位置传感器霍尔式节气门位置传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.4.2加速踏板位置传感器加速踏板位置传感器图8-35 加速踏板位置传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.4.3曲轴位置传感器曲轴位置传感器 曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器，是发动机电控系统中最主要的传感器之一，其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号。发动机ECU根据这些信号按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令。曲轴位置传感器一般安装在曲轴皮
44、带轮或链轮侧面，有的也安装在凸轮轴前端或变速器壳体上。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-36 磁电式曲轴位置传感器 1 1磁电式曲轴位置传感器磁电式曲轴位置传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-37 霍尔式曲轴位置传感器 2 2霍尔式曲轴位置传感器霍尔式曲轴位置传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.4.4方向盘转角传感器方向盘转角传感器 方向盘转角传感器主要用在车辆稳定控制系统、电子助力转向系统和电子悬挂系统中，用于检测转向盘的中间位置、转动方向、转动角度和转动速度等转向信息，从而使用相关控制单元实施不同的控制策略。
45、早期的方向盘转角传感器主要安装在转向管上，现今的方向盘转角传感器一般与时钟弹簧集成安装。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-38 光电式方向盘转角传感器1 1光电式方向盘转角传感器光电式方向盘转角传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量图8-39光电式方向盘转角传感器工作原理 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 霍尔式方向盘转角传感器是利用遮蔽转向盘旋转时遮蔽或通过磁场，使霍尔元件产生和不产生霍尔电压的方法来计量转向角度的大小，其原理与使用遮蔽板的霍尔式曲轴位置传感器相似。方向盘信号以两个方波信号（如图8-40所示）传给ECU。两个霍
46、尔式传感器从相位上错开，能够确定方向盘的旋转方向。转向时，ECU根据信号和信号的相对位置确定旋转方向，其检测方法同光电式方向盘转角传感器。2 2霍尔式方向盘转角传感器霍尔式方向盘转角传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量8.5扭矩测量扭矩测量8.5.1应变式扭矩测量应变式扭矩测量 当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力。轴表面为纯剪应力状态，与轴线成45o的方向上有最大正应力 和，其值为。相应的应变为 和。测量应变即可算出。测量时应变片沿与轴线成45o的方向粘贴。若测定沿45o的方向应变，则相应的剪应力 于是，轴的扭矩 对于实心圆轴,测扭时，电阻应变仪须沿主应变 和 的方向（
47、与轴线成45o及135o夹角）。应变片的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。11nEW11nnETWW3/16nWD 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 测量扭矩时应变片的布置和组桥方式图测量扭矩时应变片的布置和组桥方式图8-418-41所示。所示。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 1）双片集中轴向（横八字）布置，应变片 及 互相垂直，组成电桥的相邻两臂。贴片及引线较为简单，但不能完全抵消弯曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。2）双片集中径向对称（竖八字）布置，应变片 及 互相垂直，组成电桥的相对两笔，可用于轴体不受
48、弯曲的场合。3）四片径端对称的双横八字布置，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥，两种都可抵消拉（压）及弯曲的影响。4）四片径端对称的双竖八字布置。应变片分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位。5）四片均布的双竖八字布置。（4）和（5）可组成全桥或半桥方式，可抵消拉（压）及弯曲的影响。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 8.5.2 8.5.2 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器，如图8-42所示。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 8.5.2 8.5.2 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 铁磁材料的转轴受扭矩作用时，导磁率发
49、生变化。压磁式扭矩传感器中铁芯的开口端与转轴表面保持1-2mm空隙，当A-A线圈通入交流电，形成过转轴的交变磁场。当转轴不受扭矩时，磁力线和B-B线圈不交链；转轴受扭矩作用时，转轴材料的导磁率变化，沿正应力方向磁阻减小，沿扭转角负方向磁阻增大，从而使磁力线分布改变，使部分磁力线与B-B线圈交链，在B-B线圈产生感应电动势。第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 8.5.3 磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器 磁电感应式扭磁电式扭矩传感器（图8-43）中，在转轴上固定材质、尺寸、结构相同的两个齿轮1和2。永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3和4对着齿轮安装，两线圈输出信号相同，
50、相位差不为零，且随两齿轮所在的横截面之间相对扭转角的增大而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。图8-43 磁电感应式扭矩传感器 第第8章章 汽车常见物理量的测量汽车常见物理量的测量 8.5.3 磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器 光电式扭矩传感器在转轴4上固定两只圆盘光栅3，在不承受扭矩时，两光栅的明暗区正好互相遮挡，光源1的光线没有透过光栅照射到光敏元件2，无输出信号。当转轴受扭矩后，转轴变形将使两光栅出现相互转角，部分光线透过光栅照射到光敏元件上产生输出信号，扭矩越大，扭转角越大，透过光栅的光通量越大，输出信号越大。通过两光栅间的相对扭转角来测量扭矩。图8-44 光电式扭矩传感器
