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畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計(論文）題目: 基于超聲波技術的汽車油耗檢測儀器設計
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程B07-11班
學 生 姓 名: 遲 宇
導 師 姓 名: 付百學
開 題 時 間: 2011年2月28日
指導委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
遲 宇
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
車輛工程B07-11班
指導教師姓名
付百學
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是否
題目名稱
基于超聲波技術的汽車油耗檢測儀器設計
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.研究現(xiàn)狀：
1.1目前汽車油耗檢測方法分類
目前汽車油耗檢測方法包括直接測量法和間接測量法兩類。
1.1.1直接測量法
直接測量法通過計量一定時間或里程內汽車所消耗的燃油體積或質量，得到汽車的燃油消耗量。包括容積法、質量法（失重法）等。
1.1.2間接測量法
間接測量法即不解體測量法，包括碳平衡法、超聲波法（測體積流量）、燃油噴射量累積法等。
直接測試法通過計量一定時間或里程內汽車消耗的燃油體積或質量得到汽車油耗，需要拆開發(fā)動機油路接入油耗儀,安裝不便，歷時較長,且存在安全隱患；既破壞了汽車原有結構,又費時費力，影響發(fā)動機燃油的供給和油耗測試精度。間接測試法以碳平衡法為主，測量精度較高，但整套測試設備昂貴,體積龐大、無法移動，對測試環(huán)境要求高,取樣口需要與排氣管密封連接,很難普及應用。
相對于直接測量法而言，間接測量法要方便的多。由于它不是與被測燃油直接接觸，所以降低了安全隱患。由于在不破壞汽車原有結構的前提下安裝在被測液體的管道上，所以安裝方便，而且不會影響燃油供給和測量精度。
2.選題目的和意義：
2.1我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，對石油資源的需求激增，能源供需矛盾日益突出
據(jù)公安部交管局發(fā)布的數(shù)據(jù)(按上牌數(shù)來計算，這是最權威的數(shù)據(jù)了)顯示，我國機動車保有量已達1.99億輛，其中汽車8500多萬輛，中國目前就汽車保有量已經(jīng)超過7500萬輛左右的日本，僅次于擁有約2.5億輛的美國，成為全球汽車保有量第二大國。而且我國還以每年新增機動車2000多萬輛的數(shù)量在增加。2002年中國有將近2050萬輛車，當時中國每天大約消耗540萬桶石油。而現(xiàn)在我們到底每天需要的石油消耗。根據(jù)國際能源組織的評估：僅中國自己就需要世界石油需求增長的40%，中國的能源消費占全球的10%，美國能源消費是中國的兩倍，因此中國石油的消費將增長7.6%，每天達920萬桶。到2015年中國預計將每天消費石油達到1160萬桶。
由汽車消耗的燃料占我國燃料消耗總量的40%左右。據(jù)預測到2020年車用燃油消耗為3.05億噸，換算成原油將超過5億噸，車用燃油成為我國新增石油消耗的主體。以中國的石油儲備量和2008年中國石油靜態(tài)消費量計算，我國的石油儲備再過10年將全部耗盡。如果想將之延長到20年，則50%以上的車輛必須停止行駛。目前，包括歐盟、美國、日本、韓國等在內的很多國家和地區(qū)都已經(jīng)根據(jù)各自國情實施了不同形式的汽車燃料消耗量標示制度，作為控制汽車二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。
由于經(jīng)濟的飛速發(fā)展和機動車保有量急劇膨脹所引起的石油危機將在所難免，為此我國加快汽車節(jié)能管理體系的建立和完善。陸續(xù)出臺了相關標準：
《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》于2003年出臺，解決了制造商在標示汽車油耗值時的隨意性，必須按照統(tǒng)一的試驗方法得到的數(shù)值來標示；
《乘用車燃料消耗量限值》GB19578-2004于2005年7月1日實施。我國首次按車輛重量分組確定不同汽車應該達到的燃料消耗量，實施后汽車廠商要通過產(chǎn)品文件和網(wǎng)絡等途徑向消費者公示生產(chǎn)車型的燃料消耗量;對于新認證車：第一階段的執(zhí)行日期為2005年7月1日，第二階段的執(zhí)行日期為2008年1月1日；對于在生產(chǎn)車：第一階段的執(zhí)行日期為2006年7月1日，第二階段的執(zhí)行日期為2009年1月1日。從2012年開始實施第3階段，將把車型燃油消耗量作為評價指標，從而取代原先按單車限制的評價方法。第3階段乘用車燃油消耗量限值標準將不再針對單車采用限值的燃油消耗量評價方法，而是從技術可實現(xiàn)的角度上，以整車裝備質量為特征參數(shù)，為各個不同的質量段分別設定車型燃油消耗量目標值。第3階段乘用車燃油消耗量限值標準的目標是使我國乘用車燃油消耗量平均水平在2006年的基礎上下降15%左右，到2015年達到7L/100km的目標。
《輕型商用車燃料消耗量限值》（GB20997-2007）為我國的輕型商用車設定了兩個階段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新認證基本型車及其變型車應符合第二階段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前認證車型的在生產(chǎn)車及其變型車應符合第一階段限值要求；自2011年1月1日起，適用于本標準的所有車輛應符合第二階段限值要求。第二階段目標實現(xiàn)后，我國輕型商用車的平均燃油消耗量可望減少10%～15%。
《低速貨車燃料消耗量限值及測量方法》（GB21378-2008）于6月1 日起實施。這項標準是我國第一項限制低速貨車燃料消耗量的強制性國家標準。低速貨車是指最高設計時速不大于每小時70公里，最大設計總質量不大于4500千克的貨運車
《營運客車燃料消耗量限值及測量方法》JT 711—2008規(guī)定營運汽油客車燃料消耗量限值在柴油客車燃料消耗量限值的基礎上相應增加15%。新投入的營運客車，2008年9月1日起執(zhí)行第一階段限值；2010年1月1日起執(zhí)行第二階段限值。
《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》規(guī)定從2010年1月1日起，所有最大設計總質量在3500kg以下的乘用車和輕型商用車在銷售時都必須粘貼《汽車燃料消耗量標識》并標注由國家指定檢測機構按照統(tǒng)一的國家標準測定的市區(qū)、市郊、綜合三種工況的燃料消耗量;消費者可以根據(jù)購車后的預期使用情況參照相應的燃料消耗量選擇車輛。
2.2油價不斷上漲，人們更加關注汽車油耗,廠家公布的油耗與實際差距很大
2.2.1國際燃油價格的不斷攀升和廠家的燃油消耗測量存在誤差
石油在1998年最低點每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶?，F(xiàn)在每桶石油價格是105美元，而我們中國每天需要920萬桶石油。我們每天就石油一項每天需要96600萬美元。雖然我們自己國家開采石油可供應一半市場需求。那我們國家每天也在石油這一項需要支出外匯48300萬美元。而2010年我國新增2000萬輛新車。這些車都會增加我們多少石油消耗？換而言之是2010年我們需要使用比2009年更多的外匯購買石油！我們的機動車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟發(fā)展，飛快的增長。所以經(jīng)濟、節(jié)油型汽車就是目前眾多汽車廠家研究的對象。而許多汽車廠商也開始推行自己的汽車百公里油耗。
但是汽車廠商宣傳的百公里油耗，是在理想狀態(tài)下測出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速測取。因此同類型、同價位車型間無法進行油耗對比。一輛排量2.4L的車，理論油耗為6.2L/100km，而實際油耗卻高達10L/100km以上。實測綜合油耗與理論油耗相差的竟然如此之大。
因此工業(yè)和信息化部公布《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》：針對總質量在3.5t以下的乘用車和輕型商用車，包括國產(chǎn)和進口車型，在銷售時必須粘貼《汽車燃料消耗量標識》，并標注按照國家統(tǒng)一標準測定的市區(qū)、市郊、綜合三種工況的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽車燃料消耗量標示數(shù)據(jù)根據(jù)GB/T 19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》測定。
《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》,標志著統(tǒng)一標準下的車輛真實油耗即將取代目前車廠所公布的油耗數(shù)據(jù)。新車將被強制要求在指定檢測機構進行燃料消耗量檢測,以獲得統(tǒng)一標準下的車輛真實油耗數(shù)據(jù)。這在消費者對各種油耗值信任度下降的背景下,需要一個更專業(yè)、更權威的檢測數(shù)據(jù)來正本清源。
2.2.2油耗檢測機構設置和檢測設備精確需要提高
（1）檢測機構：負責真實油耗檢測的機構應該具備高責任心和嚴謹?shù)膽B(tài)度,對油耗的真實性和準確性負責到底。
（2）檢測儀器：檢測項目、檢測精度、儀器成本、使用便利性等應滿足要求。
2.3汽車油耗關系到環(huán)保節(jié)能及汽車前沿技術的發(fā)展和應用
我們的機動車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟發(fā)展，飛快的增長。這些增長潛在著消耗我們的外匯和我們的環(huán)境與身體健康。
據(jù)統(tǒng)計，每千輛汽車每天排出一氧化碳約3000kg，碳氫化合物200—400kg，氮氧化合物50—150kg；美國洛杉磯市汽車等流動污染源排放的污染物已占大氣污染物總量的90%。汽車尾氣可謂大氣污染的“元兇”。
我們每年購買石油使用的美元千億上下！我們近2億輛機動車，如果全部開動，那么一天就會排出一項一氧化碳就是60萬噸。會對人體健康產(chǎn)生多么大的影響？！石油每年消耗我們數(shù)千億美元、機動車每天給我們呼吸的空氣中添加一氧化碳60萬噸。所以我中國面臨著國內的油田產(chǎn)量已經(jīng)嚴重滿足不了國家與人民群眾的需求、必須每年外購千億美元的石油、使用石油帶來的嚴重的空氣污染、等等！這些嚴重的問題?，他迫切的要求我們對汽車燃油消耗進行精確控制，達到節(jié)能減排的目的。
2004年的產(chǎn)業(yè)政策，首次鮮明地提出國家引導和鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保型小排量汽車。汽車產(chǎn)業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)要注重發(fā)展和應用新技術，提高汽車的燃油經(jīng)濟性，明確提出2010年前，乘用車新車平均油耗比2003年降低15%以上。要依據(jù)有關節(jié)能方面技術規(guī)范的強制性要求，建立汽車油耗公示制度。
國家發(fā)改委等相關部門制定的乘用車類汽車的節(jié)能目標也與我國的石油資源狀況吻合——即通過先進節(jié)能技術的應用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共計下降50%，也即2020年時乘用車的平均燃料消耗量達到5L/100km，實現(xiàn)與國際水平的接軌。
因此研究汽車油耗檢測方法，采用不同的油耗檢測方法適應不同的檢測要求，具有重要意義。
二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題
設計內容：
（1）介紹基于超聲波技術的汽車油耗檢測技術理論；分析汽車油耗不同檢測方法的特點；設計本次油耗儀器的結構；
（2）確定基于超聲波技術的汽車油耗檢測的控制原理；設計建立汽車油耗檢測的數(shù)學模型；
（3）設計汽車油耗檢測儀器的總體結構和選擇硬件設備，并進行系統(tǒng)控制電路設計；
（4）根據(jù)儀器功能要求和油耗檢測數(shù)學模型等進行軟件系統(tǒng)流程設計，編寫控制程序流程圖。
擬解決的主要問題：
（1）針對以往流量計的結構復雜、安裝不便、測量精度不高等問題。利用超聲波技術的時差法設計一臺超聲波油耗檢測儀器；
（2）采用多聲路方法進行測量，并通過查閱大量文獻、資料，參照流量計算公式以及各權重系數(shù)的取值方法，盡量減少由于實際流體的流速分布不均而造成的測量誤差，提高測量準確性與穩(wěn)定性；
（3）通過實驗檢測超聲波流量計在工作環(huán)境以及安裝中易出現(xiàn)的誤差，對其提出改進辦法，以提高超聲波流量計的工作可靠度。
（4）完成一臺超聲波流量計，完成硬件電路的設計與軟件程序流程圖的編寫。
3、 技術路線（研究方法）
本次課題研究的是基于超聲波技術的汽車油耗檢測儀器設計。
超聲波流量測量按原理分為時差法、多普勒法、相關法、噪聲法、波束偏移法和空間濾波法等，其中時差法應用最廣泛。時差法超聲波流量檢測主要用于氣泡、雜質含量不超過3％的純凈流體的測量，其測量電路簡單，采用信號自動跟蹤、溫度自動補償?shù)认冗M技術，具有性能穩(wěn)定、計量準確可靠、儀表運算和測試精度高、安裝使用方便和測量范圍寬等特點。
3.1理解超聲波流量計工作原理
超聲波在流體中傳播時, 由于流體的流動, 聲波在順流和逆流時傳播速度是不同的。設流體的流動方向如圖1 所示。從圖中可以看出, 當探頭1 發(fā)射、探頭2 接收時, 聲波順流傳播, 所需時間比靜態(tài)流體時要少。反聲波逆流傳播時所需時間比靜態(tài)流體時要長。超聲波在流體中的傳播速度是靜態(tài)流體中的聲速與流體流速的矢量合成。在一定條件下, 靜態(tài)的流體中的聲速是一定的, 當我們分別測出順流與逆流時所需的傳播時間就可以求得流體的流速。
圖 1.超聲波流量檢測原理圖
3.2時差法超聲波汽車油耗檢測方法的技術分析
時差法超聲波汽車油耗檢測原理見圖2。測量超聲波脈沖在同一流體中順流和逆流傳播的時間差，得到被測流體的流速。超聲波換能器TRA和TRB采用管外V形安裝， TRA和TRB在單片機的控制下，同時發(fā)射超聲波脈沖和接收對方發(fā)射的超聲波信號。超聲波信號發(fā)射后以θ角穿過換能器斜楔，在換能器界面發(fā)生折射，以а角穿過管壁，在管壁與被測流體的分界面上發(fā)生二次折射，以β角穿過被測流體達到對面管壁的內側面，經(jīng)反射后超聲波信號按相反的順序進入另一個換能器。
圖2 超聲波流量檢測原理圖
TRA、TRB-超聲波換能器；d-油管內徑；d0-管壁厚度；D-油管外徑；L0-換能器前端面距離；θ-超聲波入射角；а-超聲波一次折射角；β-超聲波二次折射角
設超聲波信號在被測流體中的聲速為c1，在管壁中的聲速為c2，燃油在管路中的流速為u，超聲波順流時從TRA到TRB歷時t1，逆流時從TRB到TRA歷時t2，則：
；
式中，Q-被測燃油的流量；k-流量修正系數(shù)；c0-溫度為0℃時的聲速；kt-被測燃油聲速溫度系數(shù)；T-環(huán)境溫度。
根據(jù)超聲波流量計的工作原理，利用單片機控制超聲波流量計的開閉，使傳感器發(fā)出或者接收脈沖信號，并通過接收到的超聲波脈沖頻率經(jīng)過A/D轉換得到數(shù)字的流量信號，再通過信號就可以得到順流與逆流時的聲波流速。利用公式就可以求出一段時間內的燃油流量，從而計算燃油消耗。
3.3其研究方案流程圖如下所示：
收集資料 知識準備
理解超聲波油耗儀的工作原理
通過實驗修正 調 試
設 計 描 繪 超 聲 波 檢 測 儀 的 整 體 結 構 圖
硬件設備的選取
程序流程圖的編寫
描繪控制系統(tǒng)電路圖
油耗儀器的組裝，實驗，信號采集
外 形 設 計
外殼材料選擇
外形尺寸確定
應用試驗調整
組裝成完整油耗檢測儀器
實 驗
完成設計
四、進度安排
（1）調研、資料收集、完成開題報告 第1～2周（2月28日～3月13日）
（2）方案設計與分析、整理 第3～4周（3月14日～3月27日）
（3）結構設計、計算與分析 第5～7周（3月28日～4月10日）
（4）完成繪圖工作 第8～10周（4月11日～5月8日）
（5）說明書撰寫 第11～12周（5月9日～5月22日）
（6）校對、完善和打印 第13～14周（5月23日～6月5日）
（7）畢業(yè)設計審核、修改 第15～16周（6月6日～6月19日）
（8）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月20日～6月26日）
五、參考文獻
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六、備注
指導教師意見：
簽字： 年 月 日