[CAD图纸全套]基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计

黑龙江工程 学院本科生毕业设计 I 摘 要 近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器 波技术的汽车油耗检测仪器。 基于超声波技术下的燃油消耗检测仪器是一种利用超声波流量计技术测量燃油流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。 超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。 关键词： 超声波换能器、流量、模块、环鸣法、 行通讯 黑龙江工程 学院本科生毕业设计 n by to is to of is of of is in on of of of is to of is to a of on - on is a of of a of is no in 院本科生毕业设计 目 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 油经济性的概念和意义 . 3 车油耗检测的发展概况 . 4 内外汽车油耗仪检测研究现状 . 5 题研究背景及意义 . 6 设计主要研究内容 . 9 第 2 章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定 . 10 车油耗仪器的测量方法与分类 . 10 接测量法 . 10 接测量法 . 12 声波流量计发展历程与研究现状 . 12 声波测量技术发展概况 . 12 声波流量计国内外研究现状 . 13 道流量测量的理论基础 . 15 量的基本概念 . 15 道内流体理论 . 16 速补偿系数对流速公式的修正 . 19 声波流量测量的原理 . 20 差法 . 20 普勒法 . 22 关法 . 22 声波测量方案的确定 . 23 章小结 . 24 第 3 章 超声波油耗检测仪器硬件电路的设计 . 25 统硬件电路的总体设计 . 25 统硬件的结构设计 . 25 统工作原理及流程 . 26 黑龙江工程 学院本科生毕业设计 统硬件电路的模块设计 . 27 控制器模块 . 27 门狗电路 的初设计 . 28 声波发射模块 . 29 声波接收及后续处理模块 . 30 射 /接收切换电路 . 36 时时钟、看门狗及数据存储模块 . 36 晶显示模块 . 38 盘模块 . 39 型打印机的选择 . 42 讯接口的选择 . 43 源模块 . 44 声波换能器的选择 . 45 章小结 . 46 第 4 章 智能型汽车油耗仪机械部分设计 . 47 体材料的选择 . 47 型尺寸的确定 . 47 制面板的设计 . 48 据线接口的设计 . 49 耗仪器内部结构设计 . 50 声波换能器装夹结构设计 . 51 章小结 . 52 第 5 章 数字系统设计 . 53 . 53 . 53 速计数器模块 . 54 钟信号模块 . 56 辑控制模块 . 56 . 56 章小结 . 57 第 6 章 软件系统的设计 . 58 黑龙江工程 学院本科生毕业设计 统软件整体结构及功能 . 58 要功能模块的设计 . 59 统主程序模块 . 59 断服务程序模块 . 59 算模块的程序设计 . 63 据存储模块 . 64 示模块 . 65 键的去抖功能的程序流程图设计 . 66 章小结 . 67 第 7 章 试验研究及误差分析 . 68 验的目的和意义 . 68 流量下的相关实验 . 68 能器收发信号波形实验 . 68 零检测 . 69 速检测 . 69 时流量实验 . 70 验方法 . 70 差分析 . 73 道直径 D 的影响 . 74 有延迟 的影响 . 74 量时差 t 的影响 . 74 数0. 74 量修正系数 K 的影响 . 75 度和压力的修正 . 77 章小结 . 78 结论 . 77 参考文献 . 80 致谢 . 83 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 买文档送全套 纸，扣扣 414951605 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 第 1 章 绪 论 油经济性的概念和意义 在当前和今后相当长的一段时期，汽车燃料仍将以石油产品为主。例如 :西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的 34%美国交通运输部门消耗国内石油产品的52%。 2002年，我国原油产量为 口石油则超过 7200万吨，耗费 200多亿美元。汽车燃油消耗量分别占我国汽油和柴油产量的 87%和 21%。据统计 2010 年我国石油进口高达 此外，由于汽车运输的油耗占汽车运输成本的 20%以上。节约燃料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大。例如 :同 1970 年相比， 1993 年美国汽车平均油耗下降了 33%。为此世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。 在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的能力，称为汽车的燃油经济性 . 提高汽车的燃油经济性，从汽车的设计和生产上来讲，改进发动机结构 (如发动机的稀燃技术 )是一个趋势，从而改善燃油 的燃烧状况，提高发动机的热效率，来减少汽黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 车的尾气对环境的污染。并且，汽车燃油经济性与汽车的底盘和发动机的结构和技术状况密切联系，所以汽车的燃油经济性可以作为汽车技术性能的综合考查指标。 提高汽车的燃油经济性，即改进燃油的利用率，既可节约石油资源，又可降低我国对石油进口的依赖度 ;既降低运输成本，又可提高运输效益 ;并且可减少环境排放尾气污染量，从而改善环境质量。世界各国对提高汽车的燃油经济性都有自己的方法。在 2002年年底，美国布什政府出台提高轻型车燃油经济标准的相关法规，它们的第一步是从 2002年的 里 /加仑 )提高到 2007 年的 等同于百公里油耗从 00。根据美国交通安全部的统计数据，此举意味着到 2007 年，美国的汽油消耗量可以减少 25 亿加仑（ 1 加仑=当于 9 463 529 460 升 。在 1999年 3月，日本在“能源合理消费法”中已经第二次颁布关于改善机动车性能的公告，在此公告中，分别规定了总质量小于 2.5 t 的载货汽车和乘用车的油耗限定值，要求和 1995 年相 比， 2010年汽油车油耗限定值至少要降低 20%。德国要求在汽车制造厂生产的汽车的平均燃油消耗量 1980 年的为 00990 年的为 002005 年比 1990 年降低1/4。 综上可见，较好的燃油经济性可以减少汽车的油耗，从而降低汽车的使用费用 ;进而降低国家总的石油消耗量，缓解国家能源危机。良好的燃油经济性还可以降低汽车 利于生活环境的改善。 车油耗检测的发展概况 上世纪七十年代中期以前，世界各国还没有强制执行汽车油耗法规或标准 。 1973年中东石油危机后，世界石油价格飞涨。此时，人们认识到石油资源的逐渐枯竭，也威胁到人类长远的正常生活。许多工业发达国家同时也是石油主要进口国，他们进口的石油有相当大的部分消耗在汽车上，从能源的安全性考虑，如果不控制汽车的油耗，他们的经济发展可能会受控于石油出口国。于是 1975年美国政府首先颁布了能源保护法和能源政策，并制订了控制汽车燃油消耗量的法规，成为世界上第一部强制执行的汽车油耗法规。 上世纪八十年代以来，世界各国开始关注温室效应引起的全球范围的气候变暖。二氧化碳（ 2是造成温室效应的主要因素，各种温室气体中 2分担了 50%的责任，工业发达国家汽车排放的 2占该国 2排放量的 30%由于汽车的燃油消耗量与 2排放量有直接关系。于是，油耗法规的意义不单是能源问题，还关黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 系到环境问题。 显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能、环境保护的意义重大。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。我国汽车行业从八十年代初就开始了制定汽车油耗标准的工作，制定了测各类车辆燃油消耗量的统一试验方法标准，并颁布了各类车辆的行业性燃油耗量限值标准，如 : (1) 12545车燃料消耗量试验方法 ; (2) 809货汽车燃料消耗 量限值 ; (3) 806型载货汽车燃料消耗量限值 ; (4) 用车燃料消耗量试验方法 ; 由于这些都是行业性或推荐性的标准，加上油耗检测起来相对麻烦，所以国内多数检测站没有油耗检测项目或者是有而不用，所以把油耗检测真正纳入检测项目中来也是我国有待解决的问题。 内外汽车油耗仪检测研究现状 燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，是汽车发动机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是汽车性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽车实际性能 指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，发动机台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。 目前的油耗仪多为体积式的，日本小野公司的 低采样时间为 小油量分辨率为 感器量程为 0. 3 120L/h。涡轮流量仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量 1200L/液体流量，在标定条件下，精度可达 响应时间 2小功率汽油机燃油流量小，一般在 10出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以满足汽油机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。美国 量范围可从 1 L/应时间为 200奥地利的 油量 25C 时精度较高，台架试验测量范围为 0 150kg/h，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200 国内有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。而应用软件与底盘测功黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 机结合进行油耗测量的系统更加少，目前底盘测功机上应用的软件都是一些串口调试软件，通过与油耗仪结合，接受油耗仪的数字信号，通过计算机分析处理，得出油耗结果。现在，国内油耗测试市场还是主要沿用传统的油耗仪测试方法和台架试验方法。 题研究背景及意义 由于燃油紧缺对汽车油耗这一参数提 出了很高的要求，因此油耗仪作为其检测设备也应具有相应的精度。现有的油耗仪在出厂前通常只通过精密天平或者量筒对其进行标定。长期以来，油耗仪在生产和使用过程中缺乏检验装置进行全面有效检定，导致油耗仪失准，这是现有油耗仪质量失控的主要原因。 1、我国经济持续快速发展，对石油资源的需求激增，能源供需矛盾日益突出 据公安部交管局发布的数据 (按上牌数来计算，这是最权威的数据了 )显示，我国机动车保有量已达 辆，其中汽车 8500 多万辆，中国目前就汽车保有量已经超过 7500万辆左右的日本，仅次于拥有约 辆的美国 ，成为全球汽车保有量第二大国。而且我国还以每年新增机动车 2000多万辆的数量在增加。 2002年中国有将近 2050万辆车，当时中国每天大约消耗 540万桶石油。而现在我们到底每天需要的石油消耗。根据国际能源组织的评估：仅中国自己就需要世界石油需求增长的 40%，中国的能源消费占全球的 10%，美国能源消费是中国的两倍，因此中国石油的消费将增长 每天达 920万桶。到 2015年中国预计将每天消费石油达到 1160万桶。 由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的 40%左右。据预测到 2020 年车用燃油消耗为 换算成原油将超过 5亿吨，车用燃油成为我国新增石油消耗的主体。以中国的石油储备量和 2008 年中国石油静态消费量计算，我国的石油储备再过 10 年将全部耗尽。如果想将之延长到 20年，则 50%以上的车辆必须停止行驶。目前，包括欧盟、美国、日本、韩国等在内的很多国家和地区都已经根据各自国情实施了不同形式的汽车燃料消耗量标示制度，作为控制汽车二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。 由于经济的飞速发展和机动车保有量急剧膨胀所引起的石油危机将在所难免，为此我国加快汽车节能管理体系的建立和完善。陆续出台了相关标准： 轻型汽车燃油 消耗量试验方法于 2003 年出台，解决了制造商在标示汽车油耗值时的随意性，必须按照统一的试验方法得到的数值来标示。 乘用车燃料消耗量限值 2005 年 7 月 1 日实施。我国首次按车辆重量分组确定不同汽车应该达到的燃料消耗量，实施后汽车厂商要通过产品文件和网络等途径向消费者公示生产车型的燃料消耗量 ;对于新认证车：第一阶段的执行日期为 2005 年 7 月 1 日，第二阶段的执行日期为 2008 年 1 月 1 日；对于在生产车：第一阶段的执行日期为 2006 年 7 月 1 日，第二阶段的执行日期为 2009 年 1 月 1 日。从黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 2012年开始实施第 3 阶段，将把车型燃油消耗量作为评价指标，从而取代原先按单车限制的评价方法。第 3 阶段乘用车燃油消耗量限值标准将不再针对单车采用限值的燃油消耗量评价方法，而是从技术可实现的角度上，以整车装备质量为特征参数，为各个不同的质量段分别设定车型燃油消耗量目标值。第 3 阶段乘用车燃油消耗量限值标准的目标是使我国乘用车燃油消耗量平均水平在 2006 年的基础上下降 15%左右，到2015年达到 7L/100目标。 轻型商用车燃料消耗量限值（ 我国的轻型商用车设定了两个阶段的燃油消 耗量限值：自 2008年 2月 1日起，新认证基本型车及其变型车应符合第二阶段限值要求；自 2009 年 1 月 1 日起，在 2008 年 2 月 1 日前认证车型的在生产车及其变型车应符合第一阶段限值要求；自 2011 年 1月 1日起，适用于本标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求。第二阶段目标实现后，我国轻型商用车的平均燃油消耗量可望减少 10% 15%。 低速货车燃料消耗量限值及测量方法（ 6 月 1 日起实施。这项标准是我国第一项限制低速货车燃料消耗量的强制性国家标准。低速货车是指最高设计时速不大于每小时 70公里，最大设计总质量不大于 4500千克的货运车。 营运客车燃料消耗量限值及测量方法 11 2008规定营运汽油客车燃料消耗量限值在柴油客车燃料消耗量限值的基础上相应增加 15%。新投入的营运客车， 2008年 9月 1日起执行第一阶段限值； 2010年 1月 1日起执行第二阶段限值。 轻型汽车燃料消耗量标示管理规定规定从 2010年 1月 1日起，所有最大设计总质量在 3500车燃料消耗量标识并标注由国家指定检测机构按照统一的国家标准测定的市区、市郊、综合三种工况 的燃料消耗量 ;消费者可以根据购车后的预期使用情况参照相应的燃料消耗量选择车辆。 2、油价不断上涨，人们更加关注汽车油耗 ,厂家公布的油耗与实际差距很大 石油在 1998年最低点每桶不足 10美元到 2008年突破 140美元每桶。现在每桶石油价格是 105 美元，而我们中国每天需要 920 万桶石油。我们每天就石油一项每天需要 96600 万美元。虽然我们自己国家开采石油可供应一半市场需求。那我们国家每天也在石油这一项需要支出外汇 48300 万美元。而 2010 年我国新增 2000 万辆新车。这些车都会增加我们多少石油消耗？换而言之是 2010 年我们需要使用比 2009 年更多的外汇购买石油！我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。所以经济、节油型汽车就是目前众多汽车厂家研究的对象。而许多汽车厂商也开始推行自己的汽车百公里油耗。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 但是汽车厂商宣传的百公里油耗，是在理想状态下测出的最小油耗，以 60km/0km/h 等速或 45km/h 等速测取。因此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。一辆排量 车，理论油耗为 00实际油耗却高达 10L/100上。实测综合油耗与理论油耗相差的竟然如此之大。 因此 工业和信息化部公布轻型汽车燃料消耗量标示管理规定：括国产和进口车型，在销售时必须粘贴汽车燃料消耗量标识，并标注按照国家统一标准测定的市区、市郊、综合三种工况的油耗量，并于 2010年 1月 1日起施行。汽车燃料消耗量标示数据根据 19233型汽车燃料消耗量试验方法测定。 轻型汽车燃料消耗量标示管理规定 ,标志着统一标准下的车辆真实油耗即将取代目前车厂所公布的油耗数据。新车将被强制要求在指定检测机构进行燃料消耗量检测 ,以获得统一标准下 的车辆真实油耗数据。这在消费者对各种油耗值信任度下降的背景下 ,需要一个更专业、更权威的检测数据来正本清源。 3、汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用 我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。这些增长潜在着消耗我们的外汇和我们的环境与身体健康。 据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约 3000氢化合物 200 400氧化合物 50 150国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的 90%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。 我们每年购买石油使用的美元千亿上 下！我们近 2 亿辆机动车，如果全部开动，那么一天就会排出一项一氧化碳就是 60万吨。会对人体健康产生多么大的影响？！石油每年消耗我们数千亿美元、机动车每天给我们呼吸的空气中添加一氧化碳 60万吨。所以我中国面临着国内的油田产量已经严重满足不了国家与人民群众的需求、必须每年外购千亿美元的石油、使用石油带来的严重的空气污染、等等！这些严重的问题 ，他迫切的要求我们对汽车燃油消耗进行精确控制，达到节能减排的目的。 2004 年的产业政策，首次鲜明地提出国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业及相关产业要注重发展和 应用新技术，提高汽车的燃油经济性，明确提出 2010 年前，乘用车新车平均油耗比 2003 年降低 15%以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车油耗公示制度。 国家发改委等相关部门制定的乘用车类汽车的节能目标也与我国的石油资源状况吻合 即通过先进节能技术的应用，使燃料消耗量年均下降 4%，到 2020 年共计下降 50%，也即 2020年时乘用车的平均燃料消耗量达到 5L/100现与国际水平的接黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 轨。 因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。 设计主要研究 内容 我国对燃油消耗量的测量研究已取得一些成果。但是要提高汽车的燃油经济性，就要以燃油消耗量的准确测量为前提。基于超声波技术的燃油消耗检测仪器可以有效提高这种测量的精度。 本文主要研究的内容： （ 1）介绍基于超声波技术的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；设计本次油耗仪器的结构； （ 2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型； （ 3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计； （ 4）根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件 系统流程设计，编写控制程序流程图； （ 5）超声波检测仪器的外形设计； （ 6）超声波换能器的夹紧机构的设计。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 第 2 章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定 车油耗仪器的测量方法与分类 汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。 接测量法 直接测量法通过计量一定时间或里程内汽车所消耗的燃油体积或质量，得到汽车的燃油消耗量。包括容积法、质量法（失重法）等。 该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统 ,存在着安全问题 (汽油挥发造成污染和易燃 )；油耗仪串入到油路中会影响到发动机燃油的 供给和燃油消耗量的测试精度；同时 ,油耗仪的安装连接十分不便；安装和测量过程时间较长。 （ 1）容积法、质量法油耗检测原理 如图 示，系统采用流量传感器检测燃油流量信号，并将信号送给单片机处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据输出，通过键盘实现人机交互功能，还可通过通讯接口实现数据传输，扩展系统功能。 通常体积流量检测采用涡轮流量传感器、超声波流量计等，质量流量检测采用压差传感器（质量传感器）。 图 耗检测原理 发动机进 、回油管道上各安装一只涡轮流量传感器 ,用来得到进、回油管道的流量信号，并送入单片机。单片机对进、回油管道流量信号进行处理 ,并做温度修正 ,得到进、回油管道标态体积流量 ,然后对进、回油管道的流量进行差值计算 ,累加得到实际燃油消耗量。 （ 2）油耗测量计