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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)(論文）題目: 基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 車輛工程B07-11班
學(xué) 生 姓 名: 遲 宇
導(dǎo) 師 姓 名: 付百學(xué)
開 題 時(shí) 間: 2011年2月28日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
遲 宇
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車輛工程B07-11班
指導(dǎo)教師姓名
付百學(xué)
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(shù)的汽車油耗檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)
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(cè)方法分類
目前汽車油耗檢測(cè)方法包括直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩類。
1.1.1直接測(cè)量法
直接測(cè)量法通過計(jì)量一定時(shí)間或里程內(nèi)汽車所消耗的燃油體積或質(zhì)量，得到汽車的燃油消耗量。包括容積法、質(zhì)量法（失重法）等。
1.1.2間接測(cè)量法
間接測(cè)量法即不解體測(cè)量法，包括碳平衡法、超聲波法（測(cè)體積流量）、燃油噴射量累積法等。
直接測(cè)試法通過計(jì)量一定時(shí)間或里程內(nèi)汽車消耗的燃油體積或質(zhì)量得到汽車油耗，需要拆開發(fā)動(dòng)機(jī)油路接入油耗儀,安裝不便，歷時(shí)較長(zhǎng),且存在安全隱患；既破壞了汽車原有結(jié)構(gòu),又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的供給和油耗測(cè)試精度。間接測(cè)試法以碳平衡法為主，測(cè)量精度較高，但整套測(cè)試設(shè)備昂貴,體積龐大、無法移動(dòng)，對(duì)測(cè)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(yīng)用。
相對(duì)于直接測(cè)量法而言，間接測(cè)量法要方便的多。由于它不是與被測(cè)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(jié)構(gòu)的前提下安裝在被測(cè)液體的管道上，所以安裝方便，而且不會(huì)影響燃油供給和測(cè)量精度。
2.選題目的和意義：
2.1我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)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(jì)算，這是最權(quán)威的數(shù)據(jù)了)顯示，我國機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)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(jī)動(dòng)車2000多萬輛的數(shù)量在增加。2002年中國有將近2050萬輛車，當(dāng)時(shí)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(píng)估：僅中國自己就需要世界石油需求增長(zhǎng)的40%，中國的能源消費(fèi)占全球的10%，美國能源消費(fèi)是中國的兩倍，因此中國石油的消費(fèi)將增長(zhǎng)7.6%，每天達(dá)920萬桶。到2015年中國預(yù)計(jì)將每天消費(fèi)石油達(dá)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(yù)測(cè)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(chǔ)備量和2008年中國石油靜態(tài)消費(fèi)量計(jì)算，我國的石油儲(chǔ)備再過10年將全部耗盡。如果想將之延長(zhǎng)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(nèi)的很多國家和地區(qū)都已經(jīng)根據(jù)各自國情實(shí)施了不同形式的汽車燃料消耗量標(biāo)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(jì)的飛速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車保有量急劇膨脹所引起的石油危機(jī)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(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：
《輕型汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法》于2003年出臺(tái)，解決了制造商在標(biāo)示汽車油耗值時(shí)的隨意性，必須按照統(tǒng)一的試驗(yàn)方法得到的數(shù)值來標(biāo)示；
《乘用車燃料消耗量限值》GB19578-2004于2005年7月1日實(shí)施。我國首次按車輛重量分組確定不同汽車應(yīng)該達(dá)到的燃料消耗量，實(shí)施后汽車廠商要通過產(chǎn)品文件和網(wǎng)絡(luò)等途徑向消費(fèi)者公示生產(chǎn)車型的燃料消耗量;對(duì)于新認(rèn)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(duì)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(shí)施第3階段，將把車型燃油消耗量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而取代原先按單車限制的評(píng)價(jià)方法。第3階段乘用車燃油消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)將不再針對(duì)單車采用限值的燃油消耗量評(píng)價(jià)方法，而是從技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的角度上，以整車裝備質(zhì)量為特征參數(shù)，為各個(gè)不同的質(zhì)量段分別設(shè)定車型燃油消耗量目標(biāo)值。第3階段乘用車燃油消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是使我國乘用車燃油消耗量平均水平在2006年的基礎(chǔ)上下降15%左右，到2015年達(dá)到7L/100km的目標(biāo)。
《輕型商用車燃料消耗量限值》（GB20997-2007）為我國的輕型商用車設(shè)定了兩個(gè)階段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新認(rèn)證基本型車及其變型車應(yīng)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(rèn)證車型的在生產(chǎn)車及其變型車應(yīng)符合第一階段限值要求；自2011年1月1日起，適用于本標(biāo)準(zhǔn)的所有車輛應(yīng)符合第二階段限值要求。第二階段目標(biāo)實(shí)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(cè)量方法》（GB21378-2008）于6月1 日起實(shí)施。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是我國第一項(xiàng)限制低速貨車燃料消耗量的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。低速貨車是指最高設(shè)計(jì)時(shí)速不大于每小時(shí)70公里，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不大于4500千克的貨運(yùn)車
《營運(yùn)客車燃料消耗量限值及測(cè)量方法》JT 711—2008規(guī)定營運(yùn)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(chǔ)上相應(yīng)增加15%。新投入的營運(yùn)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(biāo)示管理規(guī)定》規(guī)定從2010年1月1日起，所有最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量在3500kg以下的乘用車和輕型商用車在銷售時(shí)都必須粘貼《汽車燃料消耗量標(biāo)識(shí)》并標(biāo)注由國家指定檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的市區(qū)、市郊、綜合三種工況的燃料消耗量;消費(fèi)者可以根據(jù)購車后的預(yù)期使用情況參照相應(yīng)的燃料消耗量選擇車輛。
2.2油價(jià)不斷上漲，人們更加關(guān)注汽車油耗,廠家公布的油耗與實(shí)際差距很大
2.2.1國際燃油價(jià)格的不斷攀升和廠家的燃油消耗測(cè)量存在誤差
石油在1998年最低點(diǎn)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(jià)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(xiàng)每天需要96600萬美元。雖然我們自己國家開采石油可供應(yīng)一半市場(chǎng)需求。那我們國家每天也在石油這一項(xiàng)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(huì)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(jī)動(dòng)車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，飛快的增長(zhǎng)。所以經(jīng)濟(jì)、節(jié)油型汽車就是目前眾多汽車廠家研究的對(duì)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(cè)出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速測(cè)取。因此同類型、同價(jià)位車型間無法進(jìn)行油耗對(duì)比。一輛排量2.4L的車，理論油耗為6.2L/100km，而實(shí)際油耗卻高達(dá)10L/100km以上。實(shí)測(cè)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(biāo)示管理規(guī)定》：針對(duì)總質(zhì)量在3.5t以下的乘用車和輕型商用車，包括國產(chǎn)和進(jìn)口車型，在銷售時(shí)必須粘貼《汽車燃料消耗量標(biāo)識(shí)》，并標(biāo)注按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)示數(shù)據(jù)根據(jù)GB/T 19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》測(cè)定。
《輕型汽車燃料消耗量標(biāo)示管理規(guī)定》,標(biāo)志著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的車輛真實(shí)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(qiáng)制要求在指定檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行燃料消耗量檢測(cè),以獲得統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的車輛真實(shí)油耗數(shù)據(jù)。這在消費(fèi)者對(duì)各種油耗值信任度下降的背景下,需要一個(gè)更專業(yè)、更權(quán)威的檢測(cè)數(shù)據(jù)來正本清源。
2.2.2油耗檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)置和檢測(cè)設(shè)備精確需要提高
（1）檢測(cè)機(jī)構(gòu)：負(fù)責(zé)真實(shí)油耗檢測(cè)的機(jī)構(gòu)應(yīng)該具備高責(zé)任心和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,對(duì)油耗的真實(shí)性和準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)到底。
（2）檢測(cè)儀器：檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)精度、儀器成本、使用便利性等應(yīng)滿足要求。
2.3汽車油耗關(guān)系到環(huán)保節(jié)能及汽車前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用
我們的機(jī)動(dòng)車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，飛快的增長(zhǎng)。這些增長(zhǎng)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(jì)，每千輛汽車每天排出一氧化碳約3000kg，碳?xì)浠衔?00—400kg，氮氧化合物50—150kg；美國洛杉磯市汽車等流動(dòng)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(jī)動(dòng)車，如果全部開動(dòng)，那么一天就會(huì)排出一項(xiàng)一氧化碳就是60萬噸。會(huì)對(duì)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(jī)動(dòng)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(nèi)的油田產(chǎn)量已經(jīng)嚴(yán)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(yán)重的空氣污染、等等！這些嚴(yán)重的問題?，他迫切的要求我們對(duì)汽車燃油消耗進(jìn)行精確控制，達(dá)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(dǎo)和鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能環(huán)保型小排量汽車。汽車產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)要注重發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)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(guān)節(jié)能方面技術(shù)規(guī)范的強(qiáng)制性要求，建立汽車油耗公示制度。
國家發(fā)改委等相關(guān)部門制定的乘用車類汽車的節(jié)能目標(biāo)也與我國的石油資源狀況吻合——即通過先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共計(jì)下降50%，也即2020年時(shí)乘用車的平均燃料消耗量達(dá)到5L/100km，實(shí)現(xiàn)與國際水平的接軌。
因此研究汽車油耗檢測(cè)方法，采用不同的油耗檢測(cè)方法適應(yīng)不同的檢測(cè)要求，具有重要意義。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
（1）介紹基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)技術(shù)理論；分析汽車油耗不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)；設(shè)計(jì)本次油耗儀器的結(jié)構(gòu)；
（2）確定基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)的控制原理；設(shè)計(jì)建立汽車油耗檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型；
（3）設(shè)計(jì)汽車油耗檢測(cè)儀器的總體結(jié)構(gòu)和選擇硬件設(shè)備，并進(jìn)行系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)；
（4）根據(jù)儀器功能要求和油耗檢測(cè)數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行軟件系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，編寫控制程序流程圖。
擬解決的主要問題：
（1）針對(duì)以往流量計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便、測(cè)量精度不高等問題。利用超聲波技術(shù)的時(shí)差法設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波油耗檢測(cè)儀器；
（2）采用多聲路方法進(jìn)行測(cè)量，并通過查閱大量文獻(xiàn)、資料，參照流量計(jì)算公式以及各權(quán)重系數(shù)的取值方法，盡量減少由于實(shí)際流體的流速分布不均而造成的測(cè)量誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性；
（3）通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)超聲波流量計(jì)在工作環(huán)境以及安裝中易出現(xiàn)的誤差，對(duì)其提出改進(jìn)辦法，以提高超聲波流量計(jì)的工作可靠度。
（4）完成一臺(tái)超聲波流量計(jì)，完成硬件電路的設(shè)計(jì)與軟件程序流程圖的編寫。
3、 技術(shù)路線（研究方法）
本次課題研究的是基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)。
超聲波流量測(cè)量按原理分為時(shí)差法、多普勒法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法和空間濾波法等，其中時(shí)差法應(yīng)用最廣泛。時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)主要用于氣泡、雜質(zhì)含量不超過3％的純凈流體的測(cè)量，其測(cè)量電路簡(jiǎn)單，采用信號(hào)自動(dòng)跟蹤、溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，具有性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確可靠、儀表運(yùn)算和測(cè)試精度高、安裝使用方便和測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)。
3.1理解超聲波流量計(jì)工作原理
超聲波在流體中傳播時(shí), 由于流體的流動(dòng), 聲波在順流和逆流時(shí)傳播速度是不同的。設(shè)流體的流動(dòng)方向如圖1 所示。從圖中可以看出, 當(dāng)探頭1 發(fā)射、探頭2 接收時(shí), 聲波順流傳播, 所需時(shí)間比靜態(tài)流體時(shí)要少。反聲波逆流傳播時(shí)所需時(shí)間比靜態(tài)流體時(shí)要長(zhǎng)。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(dāng)我們分別測(cè)出順流與逆流時(shí)所需的傳播時(shí)間就可以求得流體的流速。
圖 1.超聲波流量檢測(cè)原理圖
3.2時(shí)差法超聲波汽車油耗檢測(cè)方法的技術(shù)分析
時(shí)差法超聲波汽車油耗檢測(cè)原理見圖2。測(cè)量超聲波脈沖在同一流體中順流和逆流傳播的時(shí)間差，得到被測(cè)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(jī)的控制下，同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖和接收對(duì)方發(fā)射的超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)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(cè)流體的分界面上發(fā)生二次折射，以β角穿過被測(cè)流體達(dá)到對(duì)面管壁的內(nèi)側(cè)面，經(jīng)反射后超聲波信號(hào)按相反的順序進(jìn)入另一個(gè)換能器。
圖2 超聲波流量檢測(cè)原理圖
TRA、TRB-超聲波換能器；d-油管內(nèi)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(shè)超聲波信號(hào)在被測(cè)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(shí)從TRA到TRB歷時(shí)t1，逆流時(shí)從TRB到TRA歷時(shí)t2，則：
；
式中，Q-被測(cè)燃油的流量；k-流量修正系數(shù)；c0-溫度為0℃時(shí)的聲速；kt-被測(cè)燃油聲速溫度系數(shù)；T-環(huán)境溫度。
根據(jù)超聲波流量計(jì)的工作原理，利用單片機(jī)控制超聲波流量計(jì)的開閉，使傳感器發(fā)出或者接收脈沖信號(hào)，并通過接收到的超聲波脈沖頻率經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字的流量信號(hào)，再通過信號(hào)就可以得到順流與逆流時(shí)的聲波流速。利用公式就可以求出一段時(shí)間內(nèi)的燃油流量，從而計(jì)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(shí)準(zhǔn)備
理解超聲波油耗儀的工作原理
通過實(shí)驗(yàn)修正 調(diào) 試
設(shè) 計(jì) 描 繪 超 聲 波 檢 測(cè) 儀 的 整 體 結(jié) 構(gòu) 圖
硬件設(shè)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(shí)驗(yàn)，信號(hào)采集
外 形 設(shè) 計(jì)
外殼材料選擇
外形尺寸確定
應(yīng)用試驗(yàn)調(diào)整
組裝成完整油耗檢測(cè)儀器
實(shí) 驗(yàn)
完成設(shè)計(jì)
四、進(jìn)度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開題報(bào)告 第1～2周（2月28日～3月13日）
（2）方案設(shè)計(jì)與分析、整理 第3～4周（3月14日～3月27日）
（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)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(duì)、完善和打印 第13～14周（5月23日～6月5日）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)審核、修改 第15～16周（6月6日～6月19日）
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周（6月20日～6月26日）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日