slide Thí Ngiệm ô tô - Đại học chính quy - Chương1 và 2 các khái niệm và các loại cảm biến trong đo lường kỹ thuật

Cảm biến còn phân loại theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn: - Nhóm phát điện gênêratơ: ở nhóm này các đại lượng không điện từ đối tượng cầ

bµi gi¶ng ®iÖn tö m«n “ thÝ nghiÖm « t«”

Chuyên nghành : Công nghệ ô tô

Chương 1: Các vấn đề cơ bản trong đo lường kỹ thuật

Chương 2: Các loại cảm biến dùng trong thí nghiệm

Chương 3: Thí nghiệm động cơ

Chương 4: Thí nghiệm xác định hệ số tác động giữa ô tô và môi tr ường

Chương 5: Thí nghiệm hệ thống truyền lực

Chương 6: Thí nghiệm xác định tính chất động lực học của ô tô Chương 7: Thí nghiệm đánh giá chất lượng phanh

Chương 8: Thí nghiệm đánh giá tính năng chuyển động của ô tô Chương 9: Thí nghiệm đánh giá tính kinh tế nhiên liệu

Nội dung chương 1

1.1 Mục đích thí nghiệm.

1.2 Các dạng thí nghiệm ô tô.

1.3 Yêu cầu đối với thiết bị đo.

toàn bộ ô tô vầ các mặt :

Thông số kỹ thuật và tính năng làm việc cơ bản.

Độ tin cậy làm việc.

 Đối tượng thí nghiệm.

 Cường độ và thời gian thí nghiệm.

1.3 Yêu cầu đối với thiết bị đo

• Đảm bảo độ chính xác cần thiết cho thí nghiệm.

• Không bị ảnh hưởng bởi rung động, điều này rất cần thiết đối với thí

nghiệm trên đường.

• Đặc tính của thiết bị đo cần phải tuyến tính hoặc gần tuyến tính trong suốt

phạm vi đo.

• không bị ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết.

Nội dung chương 2

2.1 Định nghĩa và phân loại cảm biến.

2.2 Cấu tạo các loại cảm biến.

2.2.1 Cảm biến áp điện.

2.2.2 Cảm biến cảm ứng từ.

2.2.3 Cảm biến áp suất.

2.2.4 Cảm biến Hall.

2.2.5 Manheto- điện trở suất.

2.2.6 Cảm biến điện dung.

2.2.7 Cảm biến quang.

2.2.8 Cảm biến con trượt.

Nội dung chương 2

biến đổi nó thành tín hiệu điện tương ứng

Cảm biến còn phân loại theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn:

- Nhóm phát điện (gênêratơ): ở nhóm này các đại lượng không điện từ đối tượng cần đo được biến đổi thành sức điện động hoặc cường độ dòng điện.

-Nhóm thông số: ở nhóm này đại lượng không điện từ đối tượng cần đo sẽ

biến đổi thành một hoặc vài thông số điện của cảm biến

2.2 Cấu tạo các loại cảm biến

2.2.1 Cảm biến áp điện

a Nguyên lý hoạt động

Ở trạng thái ban đầu các tinh thể thạch anh là trung hòa về điện, tức là các ion dương và ion âm cân bằng như hình 2.1A Khi có áp lực bên ngoài tác dụng lên một tinh thể thạch anh làm cho mạng tinh thể bị biến dạng

Điều này dẫn đến sự dịch chuyển các ion Một điện áp điện (B) được tạo ra Ngược lại, khi ta dặt vào một điện áp, điều này dẫn đến một biến dạng tinh thể và bảo toàn lực (hình 2.1C).

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng áp

điện.

b Ứng dụng :

Cảm biến tiếng gõ động cơ :

Cảm biến tiếng gõ được đặt nắp trên động cơ dưới đầu xi lanh.

Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh là những vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp phần tử áp điện được thiết kế có kích thước với tần só riêng trùng với tần số rung của động cơ khi

có hiện tượng kích nổ để xẩy ra hiện tượng cộng hưởng (f=7kHz).

Hình 2.2 Cảm biến tiếng gõ

2.2.2 Cảm biến cảm ứng từ

a.Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc của cảm biến này được trình bày trên hình 2.4 Cảm biến cấu tạo bởi khung dây điện quay trong trường nam châm vĩnh cửu gây

nên bởi hai cực bắc N và nam S

Sức điện động e được biểu diễn dưới công thức:

Trong đó:

W số vòng dây của khung dây

tốc độ thay đổi từ thông đi qua dây điện.

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến cảm ứng từ

b Ứng dụng

Cảm biến tốc độ bánh xe :

Việc luân chuyển các bánh xe sẽ thay đổi khe hở dẫn

đến làm thay đổi từ trường Nhũng thay đổi của từ

trường tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây

Các tần số tín hiệu thay đổi như tốc độ bánh xe tăng

hoặc giảm.

Hình 2.4 Cảm biến tốc độ.

Cảm biến vị trí trục cam :

Việc luân chuyển trục cam sẽ thay đổi khe hở dẫn đến làm thay đổi

từ trường sự biến thiên từ trường tạo ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây Tần số này thay đổi như hình 2.7 Cảm biến giúp xác định góc

chuẩn của trục cam, từ đó xác định điểm chết trên và kỳ nén của mỗi xi lanh để đánh lửa.

Hình 2.5 Cảm biến vị trí trục cam.

1 Cảm biến vị trí trục cam; 2 Vòng cảm biến trục cam.

2.2.3 Cảm biến áp suất

a.Nguyên lý hoạt động :

Khi áp suất cao, khi đó màng 5 tác dụng làm các điện trở biến Các điện trở biến dạng được kết nối với nhau theo hình cầu mạch Wheatstone Và khi đó các điện trở thay đổi về giá trị điện trở dẫn đến thay đổi điện áp trên các điện trở đo Điện trở u m cũng thay đổi phù hợp Sự thay đổi đó phù hợp với áp suất trên màng.

Hình 2.6 Cảm biến áp suất.

b Ứng dụng :

Cảm biến áp suất đường ống nạp :

Hình 2.7 Cảm biến áp suất đường ống nạp.

Cảm biến MAP được đặt tại dẫn khí nạp Cảm biến bao gồm một tấm chip silicon Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay đổi các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheastone.

Cảm biến áp suất nhiên liệu :

Cảm biến được lắp đặt ống phân phối của hệ thống cung cấp nhiên liệu Cảm biến nhằm xác định áp suất nhiên liệu Việc xác định áp suất được thực hiện bằng cách sử dụng một màng mỏng bằng thép có thể thay đổi điện trở Việc làm biến dạng màng thép sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở, việc thay đổi điện trở này tỷ lên với áp suất nhiên liệu và được khuyếch đại trong IC khuyếch đại 2.

Hình 2.8 Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu.

Hình 2.9 Nguyên lý cảm biến HALL.

b Ứng dụng :

Cảm biến vị trí trục khuỷu :

Cảm biến được lắp gần bánh đà hoặc puli trục khuỷu Cảm biến xác định vị trí của trục và tốc độ của trục khuỷu Theo sơ đồ nguyên lý, khí có nguồn cung cấp đến IC Hall và có từ thông đi qua nó thì IC Hall sẽ cho một tín hiệu điện áp Khi cực bắc lại gần IC Hall thì IC Hall sẽ tạo ra điện áp Còn cực nam lại gần IC Hall thì sự thay đổi điệp áp là rất nhỏ so với cực bắc , do đó điện áp lúc này là 0V.

Hình 2.10 Cảm biến vị trí trục khuỷu.

Cảm biến mô men:

Khi người lái điều khiển vô lăng, mô men lái tác dụng lên trục của cảm biến

mô men thông qua trục lái chính Khi đó làm quay rotor của cảm biến Trên Stator là đĩa phân đoạn có tác dụng ngăn IC hall tiếp xúc với từ trường Trên rotor có các nam châm, do đó khi quay rotor làm cho IC Hall tiếp xúc với từ trường khi tiếp xúc sẽ sinh ra các điện áp Khi không tiếp xúc thì điện áp mất.

Hình 2.15 Cấu tạo cảm biến mô men.

IC Hall; 2 Rotor; 3 Stator

2.2.5 Manheto – điện trở suất :

a Nguyên lý hoạt động :

Sự liên kết của các thành phần từ hóa phụ thuộc trên độ mạnh của từ

trường bên ngoài :

Nếu từ trường yếu, sự liên kết của thành phần từ hóa đến từ trường bên

ngoài là ngẫu nhiên và do đó không đồng đều các vật liệu sắt từ có điện trở cao.

Nếu từ trường đủ mạnh, sự liên kết của thành phần từ hóa là thống nhất với

tù trường ngoài Các vật liệu sắt từ có điện trở thấp.

Hình 2.11 Cảm biến Manhêtô.

b Ứng dụng :

Cảm biến tốc độ bánh xe :

Cảm biến tốc độ bánh xe đặt trên các bánh xe trước và bánh sau

Cảm biến tốc độ bao gồm hai magneto- resistive điện trở kết nối với nhau theo dạng cầu Wheatstone Khi vòng từ tính quay, từ thông biến thiên qua các phần tử magneto này làm cho điện thế tại các điểm giữa của hai nhánh thay đổi một bộ so sánh khuyếch đại căn cứ vào sự chênh lệch điện áp tại 2 điểm này sẽ tạo ra các xung vuông Tần số các xung này bằng số cực các nam châm gắn vào vòng từ tính

Hình 2.12 Cảm biến tốc độ bánh xe.

2.2.6 Cảm biến điện dung

a Nguyên lý hoạt động :

Cảm biến điện dung dựa trên các nguyên tắc của một tụ điện Một trong những tính chất vật lý của tụ điện là sự phụ thuộc của điện dung, tức là khả năng lưu trữ năng lượng, vào khoảng cách giữa hai tấm kim loại

Các tấm có khoảng cách phù hợp Nếu hai mảnh là tương đối xa nhau, thì khả năng nạp giữa chúng là tương đối thấp.

Hình 2.13 Khi hai tấm khim loại ở xa nhau.

Nếu các tấm di chuyển lại gần nhau hơn, thì khả năng nạp tăng tương ứng.

Hình 2.14 Khi hai tấm kin loại ở gần nhau.

b Ứng dụng :

 Cảm biến đo gia tốc:

Cảm biến gia tốc được lắp trên khung kết cấu sàn xe theo chiều dọc và ngang trục.

Cảm biến gia tốc đo gia tốc của xe theo chiều dọc hoặc ngang, tùy thuộc vào

sử dụng.

Cảm biến này được dùng để điều khiển hoạt động của túi khí.

Hình 2.15 Cấu tạo cảm biến gia tốc.

Cảm biến áp suất phanh :

Cảm biến áp suất phanh có thể được lắp bên ngoài của xi lanh phanh chính hoặc có thể tích hợp vào HCU Cảm biến áp suất phanh dùng để đo áp suất trong hệ thống phanh thủy lực Khi áp suất phanh nhỏ thì khoảng cách giữa đĩa dung (di động) và đĩa dung (cố định) ở xa nhau do đó làm thay đổi điện dung của mạch do đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng.

Hình 2.16 cấu tạo cảm biến áp suất phanh.

 Cảm biến độ lệch của xe :

Cảm biến được lắp ở mặt cắt ngang bên phải của dầm ngang trong

khoang hành lý Một cái cộng hưởng gồm có một phần rung và một phần phát hiện được dịch chuyển 90 độ để hình thành một bộ phận.

Một miếng gốm áp điện được lắp vào cả phần rung và phấn phát điện để pháp hiện độ lệch hướng, người ta đặt điện áp xoay chiều vào phần rung, điện áp này làm cho nó rung

Hình 2.17 Cấu tạo cảm biến độ lệch của xe.

Sau đó, mức lệch hướng được phát hiện từ phần phát hiện theo mức lệch

và hướng lệch của miếng gốm áp điện, do tác dụng của lực coriolis được tạo

ra quang cái cộng hưởng.

2.2.7 Cảm biến quang

a Nguyên lý hoạt động :

Cảm biến quang điện sử dụng bộ phát và nhận ánh sáng cho tiếp xúc không gián tiếp với một bộ phận truyền động.Các bộ phận truyền động có thể là : một đĩa phân đoạn (hình vẽ) Các khoảng trống trên các cạnh của đĩa phân khúc cho phép các chùm ánh sang đi qua và đó cũng chính là khoảng cách dịch chuyển.

b Ứng dụng :

Hình 2.18 nguyên lý cảm biến quang.

 Cảm biến góc quay tay lái :

Cảm biến góc lái được lắp đặt trong cụm ống trục lái, để phát hiện góc và hướng quay Cảm biến bao gồm 3 bộ ngắt quang điện với các pha, và một đĩa

xẻ rãnh để ngắt ánh sáng nhằm đóng ngắt (on/ off) tranzito-quang điện nhằm phát hiện góc và hướng lái.

Hình 2.19 Cảm biến góc quqy tay lái.

2.2.8 Cảm biến con trượt

a.Nguyên lý hoạt động :

Một tiếp điểm trượt theo 1 góc xác định trên các rãnh điện trở Cảm biến này được cấp điện áp chuẩn thông qua một thanh tiếp xúc Thanh tiếp xúc này có điện trở rất thấp và cố định Khi con trượt di chuyển thì giá trị điện trở tăng hoặc giảm từ điểm đầu tới điểm cuối Đồng thời việc sụt giảm điện

áp qua những thay đổi biến điện trở tương ứng.

Hình 2.20 nguyên lý làm việc của cảm biến vị trí con trượt.

b Ứng dụng :

 Cảm biến hao mòn má phanh :

Cảm biến hao mòn má phanh nằm trong đệm

hãm phanh ( chỉ cho phanh đĩa) Ngay sau khi má

phanh bị mòn xuống đến mức độ dày quy định, điều

này dẫn đến :

A : nối chỗ mòn đó với mát

B : hoặc ngắn mạch.

Hình 2.21.vị trí lắp cảm biến hao mòn má phanh.

 Cảm biến vị trí bàn đạp phanh:

Cảm biến vị trí bàn đạp phanh trong xi lanh phanh chính (chỉ có trong hệ thống ABS) Cảm biến xác định vị trí bàn đạp phanh Hướng trượt được chia làm bảy phân đoạn, theo đó mỗi phân đoạn được kết nối qua điện trở ta có thể quan sát trên hình vẽ tại mỗi vị trí thì điện trở thay đổi hoặc thay đổi điện áp trên toàn bộ cảm biến.

Hình 2.22 Cấu tạo cảm biến vị trí bàn đạp

phanh.

1 Hướng trượt; 2.Con chạy; 3.điện trở; 4.giắc

kết nối điện.

 Cảm biến vị tri bướn ga :

Khi bướm ga được mở ra, một vành trượt di

chuyển bên trong rãnh điện trở của cảm biến Điện

trở của cảm biến tăng lên tương ứng là vị trí bướm

ga (hình 2.31).

Hình 2.31 Cảm biến vị trí

bướm ga.

Cảm biến vị trí bàn đạp ga :

Cảm biến vị trí bàn đạp ga được tích hợp vào bàn đạp ga.

Cảm biến xác định vị trí hiện tại của bàn đạp ga Khi ta đạp vào bàn đạp ga, trục

Hình 2.32 Cảm biến vị trí bàn đạp ga.

1.Rãnh trượt; 2 Trục với.

2.2.9 Cảm biến theo nguyên tắc dây nóng

a Nguyên lý hoạt động :

Dây sấy được mắc trong một mạch cầu wheatsone Mạch cầu này có đặc điểm là hiệu điện thế tại A và B bằng nhau khi tích điện trở tính theo đường chéo là bằng nhau :

[R a + R 3 ].R 1 =R h R 2 Khi dây sấy (R h ) bị làm lạnh bởi không khí, điện trở giảm kết quả là tạo ra

sự chênh lệch điện thế giữa A và B một bộ khuyếch đại hoạt động sẽ nhận biết sự chênh lệch này và làm cho điện áp cấp đến mạch tăng (tăng dòng điện chạy qua dây sấy (R h )) Khi đó nhiệt độ của dây sấy (R h ) tăng lên kết quả là làm điện trở tăng cho đến khi điện thế tại A bằng B

Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý cảm biến hoạt động

theo nguyên tắc dây nóng.

b Ứng dụng

 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp dùng dây sấy :

Cảm biến được lắp trên đường ống nạp của động cơ Cảm biến do lưu lượng khí nạp vào động cơ Dòng điện chạy qua dây nóng 2 làm nó nóng lên Khi không khí chạy qua dây nóng, dây nóng sẽ được làm mát phụ thuộc vào khối lượng không khí nạp vào Bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua dây sấy để giữ cho nhiệt độ của dây không đổi ta có thể đo được lượng khí nạp bằng cách đo dòng điện điện áp này tỷ lệ thuận với khối lượng khí nạp.

Hình 2.34 cấu tạo cảm biến đo lưu lượng khí nạp

dùng dây sấy.

Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 2 Dây nóng;

3.Đường ống đi vòng.

2.2.10 Cảm biến ôxy

a Nguyên lý hoạt động :

Cảm biến oxy loại này có một phần tử được chế tạo bằng Điôxít Zirconia ( Zro 2 , một laoij gốm) Nếu nồng độ oxy trên bề mặt trong của phần tử zirconia chênh lệch lớn so với bề mặt bên ngoài tại nhiệt độ cao (400 0 C hay cao hơn), phần tử zirconia sẽ tạo ra một điện áp để báo về nồng độ oxy trong khí xả tại mọi thời điểm Khi tỷ lệ không khí – nhiên liệu là nhạt, sẽ có nhiều oxy trong khí xả, sẽ có nhiều oxy trong khí xả, nên chỉ có sự chênh lệch nhỏ

về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài phần tử cảm biến Vì lý do đó, điện

áp nó tạo ra rất nhỏ (gần 0V) ngược lại, nếu tỷ lệ không khí – nhiên liệu đậm, oxy trong khí xả gần như biến mất Điều đó tạo ra sự chênh lệch lớn về nồng độ oxy bên trong và bên ngoài của cảm biến, nên điện áp tạo ra tương đối lớn (xấp xỉ 1V).

Hình 2.35 Cấu tạo cảm biến oxy.

A.Lưu lượng khí thải qua ống;

B không khí ngoài trời;

C cảm biến điện áp;

1 Lớp Zirconia; 2.platin (21 % oxy); 3.platin

( oxy còn lại quá trình cháy); 4.dòng khí thải.

2.2.11 Cảm biến Tenxơ

a Nguyên lý hoạt động :

Cảm biến được làm bằng dây điện trở nhỏ có đường kính 0,02 0,04 mm được uốn đi uốn lại nhiều lần và dán trên giấy hoặc trên lớp nhựa mỏng.Ở hai đầu cuối có gắn các dây nối ra Để đo biến dạng người ta dán cảm biến lên bề mặt của chi tiết bằng một thứ keo đặc biệt, nhờ thế dây điện trở của cảm biến sẽ biến dạng khi chi tiết bị biến dạng và sẽ làm thay đổi kích thước hình học của sợi dây điện trở (chiều dài và diện tích tiết diện ngang), qua đó làm thay đổi tính chất vật lý của dây điện trở (điện trở suất).

Hình 2.36 Cảm biến dây điện trở loại dây tiết

diện tròn.

Điện trở tenxơ; 2 Giấy hoặc lớp nhựa mỏng; 3

Dây dẫn.

2.3 Mạch chuyển đổi, thiết bị chỉ thị và ghi

2.3.1 Mạch chuyển đổi

Mạch chuyển đổi sẽ chuyển đổi mạch tương tự sang số hoặc từ dạng số sang dạng tương tự.

Công việc chuyển đổi xảy ra qua 3 quá trình:

Hình 2.38 Mô phỏng nguyên lý của bộ chuyển

đổi ADC và DAC.

 Lấy mẫu tín hiệu :

Lấy mẫu là quá trình chuyển từ một tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian sang tín hiệu rời rạc theo thời gian bằng cách "lấy mẫu" tức là lấy giá trị của tín hiệu tại những thời điểm cho trước Lưu ý khoảng thời gian lấy giữa 2 lần lấy mẫu liên tiếp là như nhau.

 Lượng tử hóa và mã hóa :

Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn Nghĩa là nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện

áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị Quá trình này gọi là lượng tử hóa

 Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu :

Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến đổi Ta có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách

sử dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu kỳ chuyển đổi diễn ra