Giáo trình Thí nghiệm ô tô

¬ nhóm phát điện gênêratơ, ở nhớm 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

GS.TSKH.NGUYÊN HỮU CAN, PGS.TS.PHAM HUU NAM

HÀ NỘI — 2004

Giáo trình dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên chuyên ngành ô tô và dùng làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật cùng ngành

60 — 6V2

-KHKT— 04 113 — 349 — 03

Lời nói đầu

Môn học "Thí nghiệm ô tô" chiém vi tri quan treng trong

chương trình dào tao dai học chuyên ngành ô tô Môn hoc này

trang bi cho sinh uiên những biến thúc cơ bản uề phương phúp

thí nghiệm, uề sử dụng các thiết bị cần thiết cho cóc mục đích

thi nghiệm khóc nhau của ô tô, uề xử lý cóc hết quả thí nghiệm

để rút ra các bết luận cần thiết

Nhờ có thí nghiệm có thể xóc dịnh tính năng, do ổn dịnh,

độ bén va độ tin cậy làm uiệc của các chỉ tiết, cúc cụm, các hệ

thống uà cỏ toàn bộ ô tô, trên cơ sở đó có thể cải tién va hoan

thiện các ô tô đã sản xudt cling nhu cdc 6 tô sẽ chế tạo mới để

6 6

CÓ cóc xe ngày càng dảm bảo chất lượng cao

Giáo trình dược hoàn thành bởi nhóm cún bộ giảng day

thuộc Bộ môn ô tô Trường Đại học Bach khoa Hà Nội, dưới sụ

chủ biên của GS TSKH Nguyễn Hữu Cẩn nhằm muc dich lam

tài liệu học tập cho sinh uiên chuyên ngành ô tô hệ chính quy

Uờ hệ tại chúc, đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho ky

su va can bộ kỹ thuật cùng ngành

Tham gia biên soạn giáo trình gồm :

GS TSKH Nguyễn Hữu Cẩn : chương 1,3,3,4,6,6,7,8.11,19,13

PGS TS Phạm Hữu Nam : chương 9,10,14

Trong giáo trừình không trớứnh khỏi những sơ suốt, rất mong

nhận dược những ý hiến dóng góp quý báu của dộc giả nhằm

hoàn thiện giáo trình này

Hà Nội, ngày I—5—2003

Các tác giả

Thí nghiệm ô tô chiếm vị trí rất quan trọng trong nền công

nghiệp ô tô nói chung Mục đích của thí nghiệm là để đánh giá

hoặc phát hiện các ưu nhược điểm của các chỉ tiết, các cụm và

toàn bộ ô tô về các mặt :

- thông số kỹ thuật và tính năng làm việc cơ bản ;

- độ tin cậy làm việc ;

- độ bền và tuổi thọ

Tớm lại, nhờ có thí nghiệm chúng ta có thể đánh giá chất

lượng của chỉ tiết, của cụm và toàn bộ ô tô một cách tổng thể

và từ đó có cơ sở đề xuất cải tiến và hoàn thiện chúng nhằm

đảm bảo sản xuất được những ô tô ngày càng có chất lượng cao

Cần chú ý rằng chữ thí nghiệm có thể được hiểu ở nghia

rất hẹp, thí dụ thí nghiệm xác định độ cứng của lò xo ly hợp,

nhưng cũng có thể có nghĩa rất rộng thí dụ thí nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của ô tô trong điều kiện sử dụng v.v

Quy mô và độ phức tạp của thí nghiệm phụ thuộc vào mục

dich dé ra ban dau

Tùy theo mục đích và tính chất của thí nghiệm mà đề ra _ chương trình thí nghiệm bao gồm :

- phương pháp tiến hành và thời gian thí nghiệm ;

trang thiết bị dùng cho thí nghiệm ;

- vị trí chế độ và điều kiện thí nghiệm ; phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

1.2 CAC DANG THI NGHIEM

Thi nghiệm ô tô được phân loại theo :

~ mục đích thí nghiệm ;

?

- vị trí tiến hành thí nghiệm ; ? đối tượng thí nghiệm ;

›

- cường độ và thời gian thí nghiệm

Theo mục đích thí nghiệm ta có thí nghiệm kiểm tra ở nhà máy sản xuất, thí nghiệm trong điều kiện sử dụng, thí nghiệm trong nghiên cứu khoa học

Theo tính chất thí nghiệm ta có thí nghiệm để xác định tính chất kéo, tính nhiên liệu, tính chất phanh, tính ổn định và 6

điều khiển, tính êm dịu chuyển động, tính cơ động, độ tỉn cậy

làm việc, độ mòn, độ bền v.v của 6 tô

Theo vị trí tiến hành thí nghiệm ta có thí nghiệm trên bệ

thử (trong phòng thí nghiệm), thí nghiệm ở bãi thử, thí nghiệm

trên đường Thí nghiệm trên bệ thử có thể tiến hành cho từng

chỉ tiết, cho từng cụm hoặc cho cả ô tô một cách dễ dàng hơn

so với khi thí nghiệm trên đường

Theo đối tượng thí nghiệm ta có thí nghiệm mẫu ô tô đơn

chiếc, thí nghiệm mẫu ô tô của một đợt sản xuất nhỏ, thí

nghiệm ô tô được sản xuất hàng loạt đại trà

Theo cường độ và thời gian thí nghiệm ta cố thí nghiệm

bình thường theo quy định và thí nghiệm tăng cường Ỏ thí

nghiệm tăng cường thì thời gian thường được rút ngắn và chế

độ tải trọng được tăng

13 YEU CAU DOI VOI THIET BI DO

Thiết bị đo dùng cho thí nghiệm cần đảm bảo những yêu

cầu chính sau đây :

- 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 rất gần

với tuyến tính trong suốt phạm vi do

- Trọng lượng và kích thước nhỏ để có thể đặt được ở trong

ô tô Điều này rất quan trọng khi thí nghiệm trên đường

- Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết

Chương 2

CÁC LOẠI CẨM BIỂN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM

———— .F-.-.-Ỷ-ễF—=ỶŸ—-ỶŸƑ——=-=-m

21 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Câm biến là bộ phận dùng để nhận tín hiệu về trạng thái của đối tượng cẩn đo và biến đổi nó thành tín hiệu điện tương

Cam biến được phân loại theo các tính chất khác nhau,

nhưng quan trọng nhất là phân loại theo công dụng Theo công

dụng cảm biến được chia ra loại để đo đại lượng cơ (hay gọi là loại cơ), loại nhiệt, loại quang, loại hóa v.v

các đại lượng : chuyển dịch, tốc độ, gia tốc, lực, áp suất và ứng suất Khi nghiên cứu động cơ đốt trong cũng như những cơ cấu

khác của ô tô có thể dùng đến cảm biến loại nhiệt, loại quang

và loại hóa

Câm biến còn phân loại theo nguyên lý biến đổi đại lượng

không điện thành đại lượng điện theo hai nhom lớn :

¬ nhóm phát điện (gênêratơ), ở nhớm 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 làm thay đổi một hoặc vài thông số điện của cảm biến như điện trở R điện dung C, từ cảm L, hỗ cám M Nhớm thứ nhất gồm những câm biến điện cảm, cảm biến

thạch anh, cảm biến quang và những cảm biến khác không cần

nguồn điện bởi vỉ chính các cảm biến ấy là nguồn điện

2.2 CHỌN CẨM BIẾN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM

Khi chọn cảm biến để đo một đại lượng nào đấy cần phải chú ý đến đặc tính của cảm biến và tính chất của đại lượng cần

đo, gồm các vấn đề sau :

a) Hàm số chỉ sự phụ thuộc giữa đại lượng cần đo x với tín hiệu phát ra từ cảm biến y

y = f(x) Hàm số này tốt nhất là tuyến tính

b) Khoảng thay đổi biên độ và tần số của đại lượng đo và đặc tính biên độ - tần số của cảm biến

c) Độ nhạy tuyệt đối §, và độ nhạy tương đối Š của cảm biến

d) Sai số tĩnh và sai số động của cảm biến

e) Sự nhạy của cảm biến với ảnh hưởng bên ngoài như nhiệt độ, độ ấm, sự rung động v.v sẽ gây nên các sai số phụ

thêm

g) Kích thước và trọng lượng của cảm biến, phương pháp đặt cảm biến trên chỉ tiết hoặc cơ cấu để đo, độ phức tạp về kết

cấu của cảm biến

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO CAC

_ LOẠI CẢM BIẾN

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến được dùng trong kỹ thuật nơi chung, trong phạm vi của môn học này chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý làm việc và cấu tạo của các cảm biến thường dùng cho thí nghiệm ô tô

2.3.1 Cảm biến cảm ứng từ

Những cảm biến này làm việc trên nguyên lý phát sinh sức điện động trên mạch khi thay đổi từ thông

Nguyên lý làm việc của cảm biến này được trình bày trên

hình 2-1 Cảm biến cấu tạo bởi khung dây điện quay trong

trường nam châm vĩnh cửu gây nên bởi hai cực bắc N và cực nam 8

Khi khung dây điện quay như vậy thì từ thông đi qua

khung dây điện sẽ thay đổi và sức điện động e (tín hiệu ra) sinh

ra ở hai đầu ra của khung dây điện sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ

thay đổi từ thông đi qua khung dây điện

Sức điện động e được biểu diễn bằng công thức :

11

để đo tốc độ góc có thể không cần đo sức điện động mà đo tần

số thay đổi sức điện động, tần số này tỷ lệ với tốc độ góc

12

Trên cơ sở nguyên lý nơi trên có thể chế tạo các cảm biến

Các cảm biến cảm ứng để đo tốc độ rung động có thể dùng

để đo biên độ và gia tốc rung động

2.3.2 Cảm biến điện áp

Ỏ một vài loại tỉnh thể như thạch anh SiO,, mudi xé nhét

(KNaC,H,O,.4H;O) v.v có tính chất đặc biệt là khi tác dụng

lực lên chúng thỉ trên bề mặt của chúng sẽ xuất hiện các điện

tích tỷ lệ thuận với lực tác dụng Khi không tác dụng lực thì

điện tích mất đi Hiện tượng này trong vật lý gọi là hiện tượng

điện áp Vì điện tích sinh ra trên bề mặt của tỉnh thể tỷ lệ

thuận với lực tác dụng lên nó cho nên có thể dùng các tỉnh thể

gọi là cảm biến điện áp Dùng thạch anh để đo lực thuận tiện

hơn vì nó có mô đun đàn hồi cao E = 9.10! MN/mÏ (9.10°

kG/cm?) và ứng suất cơ học cho phép tới 6 = 10? MN/m? (10°

kG/em?) Muối xe nhét mặc dù có các tính chất về điện tốt,

lực lớn được Trên hình 2.3 trình bày sơ đồ cấu tạo cảm biến

điện áp Nó gồm hai tấm thạch anh 2 nằm giữa ba tấm kim loại

18

ở Các tấm thạch anh bị ép bởi lực P tác dụng qua vỏ Ì, nắp 4

và hòn bi ð Nhờ có hòn bi 5 mà lực truyền tới các tấm thạch anh được đều hơn

Tấm kim loại giữa được nối với đầu dây dẫn 7 ra ngoài, dây này được nằm trong ống cách điện 8 Nắp 4 và vỏ 1 được nối với nhau và nhờ dây dẫn 6 để nối ra ngoài Các tấm thạch anh thường được đặt thế nào để cho mạch điện ở dây dẫn 7 mang điện tích âm (xem hình 2.3) còn điện tích dương được truyền qua vỏ l và nắp 4 đến dây dẫn 6

3 4

Pp

Hình 23 Sơ đồ cấu tạo cảm biến điện dp

Điện lượng sinh ra trên tinh thể khi có lực P tác dụng được

ổn định khi nhiệt độ dưới 350°C, có độ cứng cao, có điện trở

suất lớn, điều này rất thuận lợi để đo các quá trình va đập xảy

ra trong thời gian ngắn Nhờ quán tính không lớn va cd kha

năng làm việc ở nhiệt độ cao cho nên cảm biến thạch anh được

dùng nhiều để đo áp suất trong động cơ đốt trong Trong những

trường hợp này thường dùng cảm biến tấm tròn có đường kính

5 + 10 mm va co chiéu dày 2 + 4 mm

2.3.3 Cam bién dién cam

Các cảm biến điện cảm làm việc theo nguyên lý cảm kháng

của cảm biến thay đổi khi thay đổi đại lượng cần đo

Trên hình 2-4a trình bày sơ đồ nguyên lý của cảm biến điện

cảm Nó gồm có lõi l cuộn dây 2 và phần ứng 3 đặt cách lõi

một khoảng hở ỏ Cuộn dây 2 được nối với dòng điện xoay chiều

Khi thay đổi khoảng hở 6 sé làm thay đổi điện cảm của cuộn

dây 2, nghĩa là làm thay đổi cảm kháng của mạch điện và làm

ảnh hưởng đến dòng điện xoay chiều đi trong mạch điện Từ

cảm thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở toàn bộ Cảm biến trình

bày trên hình 2-4a là loại cảm biến điện cảm loại đơn

Cảm biến điện cảm loại đơn mặc dù có kết cấu đơn giản

nhưng ít được sử dụng vi quan hệ giữa khoảng hở ô và trở

kháng toàn bộ của cuộn dây có dạng đường hypecbôn và nó bị

ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ, bởi sự không ổn định của thế hiệu

và tần số của nguồn điện

Để khắc phục các nhược điểm nói trên người ta chế tạo

cảm biến điện cảm loại ghép (hay còn gọi là loại vi sai) như ở

hình 2.4b Khi phần ứng 3 chuyển dịch sẽ làm thay đổi khe hở

6, và 6, từ đó thay đổi từ cảm ở hai cuộn dây Cảm biến điện

15

Hinh 2.4 Cam bién dién cam :

a) loại đơn ; b) loại ghép

cảm loại vi sai có độ nhạy cảm gấp đôi so với loại đơn Đường đặc tính I = f(ð) có dạng tuyến tính trong phạm vi khe hở 6,

và ð; thay đổi khá rộng Ưu điểm cơ bản của cảm biến điện cảm

là công suất ra khá lớn (1 + 5 W), do vậy trong sơ đồ mạch đo

có thể không cần dùng bộ khuếch đại Cảm biến điện cảm được

dùng để đo độ võng của trục và nửa trục khi nghiên cứu độ cứng của cầu chủ động hoặc để đo lực ở móc kéo hoặc do mô

men quay ở trục các đăng

16

2.3.4 Cảm biến điện dung

Ỏ cảm biến này điện dung của cảm biến sẽ thay đổi tương ứng với sự thay đổi của tín hiệu từ đối tượng do

Cấu tạo của cảm biến điện dung giống như tụ điện mà diện tích có thể thay đổi được (hinh 2-5)

Hình 25 Cảm biến điện dung có diện tích thay đổi :

d) loại phẳng ; b) loại hình trụ ; c) loại xoay

Trên hình 2.5 trình bày sơ đồ cấu tạo các loại cảm biến

điện dung khác nhau Cấu tạo của cảm biến điện dung loại phẳng (hình 2.5a) gồm hai tấm 1 và 2 nằm cách nhau một khoảng cách d, diện tích tác dụng ban đầu của cảm biến là

S, = 2Bh, (kích thước B và h„ xem trên hỉnh 2.ða)

Khi có tín hiệu từ đối tượng cần đo sẽ làm các tấm 1 va 2 dịch chuyển tương đối với nhau làm thay đổi chiều cao h„ và diện tích tác dụng 5„ cũng sẽ thay đổi Diện tích tac dung S bay giờ sẽ

la S = Bh Khi thay đổi Š sẽ làm cho điện dung € của cảm biến

thay đổi theo công thức của tụ điện loại phẳng như sau :

THU VIER °

Âu ca 17

trong dé : Dy, - đường kính của hình trụ ngoài ;

D, - đường kính của hỉnh trụ trong ;

£ - độ thẩm thấu điện môi tương đối của môi trường nằm giữa hai hình trụ l và 2 ;

¡ - chiều dài tác dụng của hai hình trụ 1 và 2

Từ công thức (2.4) thấy rằng quan hệ C = f() là hàm số

18

tuyến tính, do đó có thể dùng cảm biến điện dung hình trụ để

đo chuyển dịch Khi chiều đài / thay đổi (do sự chuyển dịch của

đối tượng cần đo) sẽ làm cho điện dung C của cảm biến thay đổi

và từ đó làm thay đổi dòng điện I trên mạch đo, nghia là có thể

dùng cảm biến điện dung hình trụ để đo chuyển dịch

Trong trường hợp cần đo góc quay của đối tượng cần đo

người ta có thể dùng cảm biến điện dung loại xoay (hinh 2.5c)

Điện dung C của cảm biến điện dung loại xoay tỷ lệ thuận với

góc xoay tác dung ø của cảm biến, nghỉa là C = f(y) la hàm số

tuyến tính

2.3.5 Cảm biến từ đàn hồi -

Cảm biến từ đàn hồi làm việc theo nguyên lý thay đổi cảm

ứng từ của vật sắt từ khi có lực tác dụng lên cảm biến

Trên hình 2.6 trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm -

biến từ đàn hồi

Ỏ cảm biến từ đàn hồi hình 2.6a và 2.6b trên lõi sắt từ 3

cớ quấn một cuộn dây điện 1 khi có lực P tác dụng lên lõi 3 thì

độ cảm ứng từ của lõi sẽ thay đổi làm thay đổi tổng trở 2 của

cuộn dây, nghĩa là 2 = f(P)

© cảm biến từ đàn hồi 2.6c và 2.6d trên lõi sất từ 3 có

quấn hai cuộn đây điện l và 2 Ỏ cuộn dây Í có số vòng ø¡

được cung cấp điện thế U; không đổi còn ở cuộn dây 2 có số

vòng œ; sẽ có điện thế đi ra U¿ Khi tác dụng lên lõi 3 một lực

P sé lam cho d6 cam ứng từ của lõi thay đổi và từ đó làm thay

đổi điện thế U, 6 mach ra, nghia la U, = f(P)

Trên hình 2.6e trình bày sơ đồ kết cấu cảm biến từ đàn hồi

19

Hình 26 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến từ dàn hồi

có dạng hÌnh lập phương Ỏ lõi 3 (vật dẫn từ) của cảm biến có khoan bốn lỗ để đặt các cuộn dây 1 có số vòng œ¡ và 2 có số vòng œ¿; Các lỗ này được khoan theo vị trí như trên hình 2.6e nhằm đảm bảo các mặt phẳng của cuộn dây cất nhau dưới một góc 902 và tạo thành với đường trục của cảm biến một góc 45°

Do cách bố trí các cuộn dây như vậy cho nên khi không có lực tác dụng lên lõi 3 thì ở mạch ra điện thế sẽ bằng không

(Uz = 0) mac da 6 cuộn đây 1 có điện thế dòng xoay chiều U,

Điều này được giải thích bởi sơ đồ hình 2.7

20

Ỏ hình 2.7a khi lực P = 0 (không có lực tác dụng) thì từ

trường sinh ra ở cuộn dây thứ nhất không bao quanh được cuộn

dây thứ hai cho nên điện thế ở cuộn dây thứ hai bằng không

Còn khi có lực P tác dụng vào lõi 3 (hÌnh 2.7b) thì từ trường

sinh ra ở cuộn dây thứ nhất sẽ bị lệch đi và ôm được cuộn dây

thứ hai, từ đó phát sinh sức điện động ở cuộn dây thứ hai, và ở

mạch ra có điện thế U; Lực P tác dụng càng lớn thì điện thế

U, cang tăng

Điện thế ở mạch ra là một hàm phức tạp của nhiều biến số

và có thể biểu diễn thu gọn như sau :

Đối với một cảm biến cụ thể thì øạ, w2 là không đổi và khi chọn dỗng điện xoay chiều với điện thế không đổi U¡ để cung cấp cho cuộn dây 1 thì điện thé ở mạch ra của cuộn dây 2 có thể viết như sau :

U, = f) hay là U; = fŒ) (2.6)

Cam biến từ đàn hồi có đường đặc tính có thể tuyến tính hoặc phi tuyến tùy theo biện pháp xử lý và nguyên liệu dùng để _ chế tạo lõi 8

© cam biến hình 2.7 lõi 3 (vật dẫn từ) được chế tạo từ các

lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành khối lập phương

Cam biến từ đàn hồi được dùng để đo lực, do ứng suất trong các chỉ tiết

2.3.6 Cảm biến dây điện trở (ten đô) Trên hình 2.8 trình bày cấu tạo của cảm biến dây điện

0,02 + 0,04 mm được uốn đi uốn lại nhiều lần và được dán trên giấy hoặc trên lớp nhựa mỏng Ỏ hai đầu cuối có gắn các dây nối ra Để đo biến dạng người ta dán cảm biến lên bề mặt của chỉ tiết bằng một thứ keo đặc biệt, nhờ thế dây điện trở của cảm biến sẽ biến dạng khi chỉ 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) Như vậy điện trở của cảm biến dây điện trở là hàm số của biến dạng của chỉ tiết được thử, mà biến dạng

của chỉ tiết là do lực tác dụng lên nó, cho nên điện trở của cảm biến sẽ thay đổi tương ứng với lực tác dụng lên chỉ tiết đó Khi điện trở của cảm biến thay đổi thì dòng điện trên mạch đó sẽ thay đổi tương ứng

22

Hinh 2.8 Cam biến dây điện trở loại dây tiết diện tròn

Để hiểu rõ ý nghĩa vật lý của cảm biến dây điện trở chúng

¡ - chiều dài của sợi dây điện trở ;

8 - diện tích tiết diện của sợi dây điện trở

Khi dây điện trở bị biến dạng thì các thông số nới trên đều thay đổi, nghĩa là R = fŒ,§/) Khi biến dang thỉ phương trinh

23

Pal - East giáp (2.8)

trong dé : w - hệ số Pu-át-xông (hệ số biến dạng ngang), nó

tính đến sự giảm tiết diện ngang khi bị biến dạng theo chiều dọc

ke=ẽ l1+d 22 + v = AR : Al R l trong đó : k - hệ số nhạy của cảm biến dây điện trở, có giá

trị không đổi đối với từng nguyên liệu chế tạo

nó, đối với cảm biến chế tạo bằng công -tăng _-tan k = 2,0 + 2,1

Từ phương trình (2.12) thấy rằng sự biến dạng của cảm

biến (phản ánh sự biến dạng của chỉ tiết cần đo) tỷ lệ thuận với

sự thay đổi điện trở của cảm biến, mà sự biến dạng của chỉ tiết

cần đo tỷ lệ thuận với lực P tác dụng lên nó cho nên có thể coi

sự thay đổi điện trở của cảm biến tỷ lệ thuận với lực P hay là :

trong đó : m - hệ số tỷ lệ

Nhu vay quan hé gitta Rr và P là tuyến tinh

Trên cơ sở lý luận và chứng minh ở trên thấy rằng có thể

dùng cảm biến dây điện trở để đo biến dạng, đo lực, đo ứng suất

cũng như đo các thông số khác Cảm biến dây điện trở hiện nay

được dùng rộng rãi trong kỹ thuật đo lường

Cảm biến dây điện trở có các ưu điểm :

- có thé dán trực tiếp lên chỉ tiết cẩn nghiên cứu, do có

kích thước bé có thể dán vào chỉ tiết rất nhỏ ;

- do trọng lượng không đáng kể nên có thể dán lên các chỉ

tiết quay nhanh ;

- khong có quán tinh về điện cho nên có thể sử dụng chúng

gia tốc với tần số tới vài nghìn Hz ;

25

— giá thành rất rẻ cho nên có thể dùng một lần rồi bỏ di Cảm biến dây điện trở có loại dây tiết diện tròn và loại dây tiết diện chữ nhật (loại dẹt) Trên hình 2.9 trỉnh bày cảm biến dây điện trở loại dẹt

Ưu điểm của loại dây dẹt so với loại dây tròn là có hệ số tỏa nhiệt cao hơn, do đó có thể cho dòng điện đi qua lớn hơn vài lần, nhờ thế tăng được độ nhạy khi đo và cớ thể không cần khuếch đại tín hiệu trước khi vào máy ghi sóng

Hình 29 Cảm biến dây điện trở loại dẹt

Sở di loại dây dẹt tỏa nhiệt nhanh là vì nó có diện tích tiếp

xúc với chỉ tết nhiều hơn so với loại dây tròn, hơn nữa dây dẹt

có dạng mặt phẳng cho nên dán lên chỉ tiết được vững chắc hơn Một ưu điểm nữa của cảm biến loại dây đẹt là nếu cùng có một tiết diện ngang như nhau của các dây điện trở thì chu vi của tiết diện ngang của dây dẹt lớn hơn nhiều so với dây tròn, nhờ 26

thế nớ dễ nhận biến dạng của chỉ tiết hơn, nghĩa là nó có độ chính xác cao hơn so với dây tròn

Nguyên liệu để chế tạo cảm biến dây điện trở là công tăng

tan (60% Cu ; 40% ND, ni crôm (80% Ni ; 20% Cr), măng ga

nin (84% Cu ; 12% Mn ; 4% Ni), v v Nguyên liệu thường

dùng nhất là công tăng tan Đường kính sợi dây của cảm biến dây điện trở tiết diện tròn nằm trong khoảng 0,02 + 0,05 mm, chiều dày sợi dây của cảm biến dây điện trở tiết diện dẹt nằm trong khoảng 0,004 + 0,01 mm

Dòng điện danh nghĩa cho qua cảm biến dây điện trở loại tròn có thể đến 30 mA còn đối với cảm biến dây điện trở loại dẹt có thể đến 0,2A Cảm biến dây điện trở có thể làm việc ở

thế hiệu đến 12 vôn |

Dac tinh co ban ‘cha cam biến dây điện trở là độ nhạy k,

chiều đài cơ sở và điện trở của cảm biến

2.3.7 Cảm biến loại điện trở

Câm biến loại điện trở chính là biến trở loại dây hoặc bằng than mà con trượt của biến trở đó được chuyển dịch dưới tác

dụng của đại lượng cơ

Khi con trượt chuyển động sẽ thay đổi điện trở của biến trở

và tương ứng với sự thay đổi điện trở sẽ làm thay đổi cường độ dòng điện l¡ ở mạch đo |

Nhờ kết cấu đơn giản và công suất ra của cầu đo cao cho nên cảm biến loại điện trở được dùng để đo chuyển dịch thẳng

và chuyển dịch góc của bàn đạp, của tay đòn điều khiển và của bánh dẫn hướng trong thí nghiệm Ô tô

27

Khuyết điểm của cảm biến này là có tiếp điểm loại con trượt làm thay đổi điện trở ở mặt tiếp xúc, do đó gây nên sai số nhất là khi bị rung Ngoài ra khi con trượt chuyển động với tốc

độ nhanh thì các chỉ tiết ma sát sẽ mau mòn

28

Người ta phân biệt các loại cầu đo như sau :

- Cầu đo dùng dòng điện một chiều và cầu do dùng dòng điện xoay chiều

- Cầu do loại thụ động (loại không mang tải) và cầu đo loại mang tải

Ò cầu đo dùng dòng điện một chiều thì các nhánh của

cầu chỉ gồm các điện trở đơn thuần, do đó không cần chống

nhánh của cầu đo là các điện trở phức, lúc đó cần có các

biện pháp chống nhiễu

29

Cầu đo loại thụ động là cẩu đo làm việc với bộ khuếch

đại điện tử có trở kháng vào rất lớn, còn cầu đo loại mang tải là cầu đo làm việc không qua bộ khuếch đại hoặc với bộ khuếch đại có trở kháng vào nhỏ

Dùng cầu đo có ưu điểm có thể khử được sai số phụ trong khi thí nghiệm như khử ảnh hưởng của nhiệt độ mà chúng ta sẽ xem xét sau này

Trên hỉnh 3.1 trình bày sơ đồ cấu tạo của cầu đo

Cầu đo gồm bởi bốn điện trở Rị, R¿, Rạ, R¿ gọi là các nhánh của cầu Trên một trong những nhánh chéo của cầu cung cấp điện thế U, còn trên nhánh chéo khác mắc dụng cụ đo có điện trở bên trong là Tạ Trên các nhánh của cầu với điện trở

R, va R¿ sẽ có các dòng điện I, va I, chay qua, còn trên các nhánh với điện trở Rạ và Ry sé cd ca dong điện l¿ chạy qua, dòng điện nay chạy qua dụng cụ đo

Hình 31 Sơ đồ cầu do

30

Chúng ta sẽ lập các phương trình về thế hiệu theo định luật

thứ hai của Kiếc-gốp đối với mạch điện phân nhánh như sau

Đối với mạch gồm bởi máy phát U và điện trở Rị và R„ ta

Từ biểu thức (3.5) thấy rằng dòng điện l¡ đi qua dụng cụ

đo sẽ có giá trị bằng không khi các giá trị điện tré R,, Ry, R,

và Rạ tuân theo điều kiện sau :

Khi lạ = 0 thì cầu đo được gọi là cân bằng

Nếu điều kiện (3.6) không được thỏa mãn thì ở trên nhánh

chéo của cầu sẽ cớ dòng điện đi qua dụng cụ đo Dòng điện này

31

được gọi là dòng điện không cân bằng Từ cơ sở lập luận trên

có thể có hai phương pháp sử dụng cầu đo vào việc đo lường a) Phuong phúớp cầu do cân bằng

Khi sử dụng phương pháp cầu đo cân bằng thì sự thay đổi điện trở của một nhánh được cân bằng bởi sự thay đổi điện trở của nhánh thứ hai Lúc đó dụng cụ đo ở trạng thái cân bằng, nghĩa là không có dòng điện đi qua nơ Điện trở dùng để cân bằng thường là biến trở được chia thang độ theo những giá trị cần thiết

Giả sử rằng Rị là điện trở cần đo (điện trở của cảm biến dây điện trở được dán trên chỉ tiết đang thí nghiệm), còn Rạ là biến trở dùng để cân bằng cầu đo, thì quan hệ của các điện trở nói trên được xác định từ công thức (3.6) khi cầu đo cân bằng

Ry

Như vậy khi cầu đo cân bằng thÌ điện trở cầu đo Rị sẽ tỷ

lệ thuận với điện trở cân bằng R„, hệ số tỷ lệ sẽ bằng tỷ số

Ry

R,’

Phương trình (3.7) đặc trưng tính chất cơ bản của cầu

đo Phương trình này nói lên khả năng có thể cân bằng cầu

đo khi điện trở của một nhánh cầu thay đổi bằng cách thay đổi điện trở của một nhánh cầu khác Tính chất quan trọng này của cầu đo còn được dùng để khử ảnh hưởng của nhiệt

độ trong khi đo

32

Giả sử rằng nhánh Rị của cầu do là cảm biến dây điện trở

được dán lên chi tiết đem thí nghiệm, cảm biến này gọi là cảm

biến đo Trên nhánh khác của cầu đo (thí dụ nhánh R„) cũng

mắc cảm biến dây điện trở, nhưng cảm biến này được dán trên

chỉ tiết không chịu tải trọng và nằm trong điều kiện nhiệt độ

giống như của chỉ tiết thí nghiệm, tức là chỉ tiết chịu tải Cảm

biến này gọi là cảm biến bù trừ nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của cảm biến đo và của

cảm biến bù trừ nhiệt độ cũng sẽ thay đổi như nhau vÌ các cảm

biến này cũng nằm trong điều kiện chịu nhiệt như nhau, nghĩa

là :

Rị = RịŒ + 9)

(3.8)

= R(1 + ở) trong dé : R’, - giá trị điện trở của cảm bién R, khi nhiét

độ thay đổi ;

R`; - giá trị điện trở của cảm biến R„ khi nhiệt độ

thay đổi ;

ð - hệ số thay đổi điện trở tương đối của cảm biến

dây điện trở khi thay đổi nhiệt độ

Nếu thay các giá trị R); và R', vào phương trình (3.7) thì

thừa số (1 + ð) sẽ được ước lược đi và điều kiện cân bằng của

cầu đo vẫn không bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Như vậy nếu chúng ta mắc cảm biến đo và cảm biến bù trừ

nhiệt độ ở hai nhánh liền nhau của cầu đo và chúng cùng nằm

trong một điều kiện nhiệt độ như nhau thì điêu kiện cân bằng

của cầu đo không thay đổi bởi nhiệt độ

- Trong khi làm thí nghiệm không phải lúc nào cũng dễ dàng

dán cảm biến đo và cảm biến bù trừ nhiệt độ trong một điều

33

kiện nhiệt độ làm việc như nhau Vì vậy trong nhiều trường hợp câm biến bù trừ nhiệt?độ được dán lên chỉ tiết có vật liệu giống như vật liệu của chỉ tiết đem thử và được đặt cạnh chỉ tiết đem thử này Điều kiện bù trừ nhiệt độ trong trường hợp này không triệt để nhưng cũng đảm bảo độ chính xác cần thiết trong khi

Chúng ta cũng cớ thể đảm bảo việc khử ảnh hưởng của

nhiệt độ một cách triệt để hơn, bằng cách nếu chỉ tiết chịu lực

theo một phương nào đấy thì cảm biến đo được dán trùng với phương chịu lực, còn cảm biến bù trừ nhiệt độ được dán thẳng góc với phương chịu lực của chỉ tiết

b) Phương pháp cầu do không cân bằng Phương pháp này dựa trên cơ sở đo dòng điện không cân bằng của cầu đo (dòng điện trên mạch chéo mắc dụng cụ đo) gây nên bởi sự thay đổi điện trở của một trong các nhánh của cầu đo Dòng điện này xác định theo công thức (3.ð) Từ tử số của công thức (3.5) thấy rằng khi đo theo phương pháp này cũng

có thể khử ảnh hưởng của nhiệt độ như ở phương pháp nêu tiên

ia st rang cam biến đo Rị dưới tác dụng của tải trọng lên

chỉ tiết sẽ thay đổi điện trở một giá trị AR và khi nhiệt độ thay

đổi sẽ thay đổi điện trở một đại lượng AR, Giả thiết R¿ là cảm biến bù trừ nhiệt độ, điện trở cia no chi thay đổi khi thay đổi nhiệt độ và thay đổi một đại lượng giống như của cảm biến đo,

nghĩa là bằng AR, Hai nhánh còn lại có điện trở như nhau

Sau khi thay các giá trị trên đây vào công thức (3.5) thi

ở tử số do các điện trở Rạ và R¿ bằng nhau cho nên còn lại hiệu các điện trở của cảm biến đo và cảm biến bù trừ nhiệt

độ (R; - Rạ) Hiệu Rị - R;ạ = AR, nghĩa là tử số không phụ

thuộc vào nhiệt độ Còn ở mẫu số của công thức (3.5) thì các

đại lượng AR và AR, sẽ rất nhỏ so với các giá trị điện trở ban

đầu, cho nên có thể bỏ qua Cuối cùng chúng ta có :

yak

R Ra(R + R,)

gọi là mắc đối xứng

Chúng ta cũng có thể mắc cảm biến bù trừ nhiệt độ vào

nhánh Rạ (xem hinh 3.1) Lúc đó cảm biến do và cảm biến bù

trừ nhiệt độ tạo thành hai nhánh của cầu, các nhánh này được

nối với nhánh chéo của nguồn điện Phương pháp mắc như vậy

gọi là không đối xứng Khi dùng phương pháp này cũng có thể

viết các công thức tương tự như các công thức (3.9)

tỷ lệ thuận với thế hiệu của nguồn điện cung cấp cho cầu và với

sự thay đổi tương đối điện trở của cảm biến đo gây nên bởi biến

dạng của chỉ tiết cần đo Các mẫu số của các công thức (3.10)

và (3.12) là những đại lượng cố định, đặc trưng cho cấu tạo của

Để có thể nhận được dòng điện không lớn lắm, nhưng có

công suất lớn thì điện trở của dụng cụ đo và điện trở của các

nhánh cầu phải nằm trong một quan hệ nhất định Công suất

đưa vào dụng cu đo là :

“Thay giá trị của dòng điện đi qua dụng cụ đo vào công thức (3.13) và thiết lập điều kiện để cho công suất trở thành cực đại chúng ta sẽ có biểu thức sau đây đối với sơ đồ nối đối xứng cảm

biến đo và cảm biến bù trừ nhiệt :

2R

Đối với sơ đồ nối không đối xứng cảm biến đo và cảm biến

bù trừ nhiệt sẽ có biểu thức sau :

36

R+R,

2

Nơi chung công suất nhận được từ cầu đo nối bằng các cảm -

biến dây điện trở sẽ có giá trị rất bé, bởi vậy cần phải dùng các

dụng cụ đo có độ nhạy cao hoặc dùng thêm bộ khuếch đại

Trong thực tế thường phải dùng thêm bộ khuếch đại

Các công thức và các lập luận ở trên là ứng với cầu đo

dùng dòng điện một chiều Trong trường hợp cầu đo dùng dòng

điện xoay chiều thì việc cân bằng cầu được thể hiện bằng biểu

thức sau :

trong đó : Z = ze@# - điện trở phức của nhánh cầu ;

7= 1 R2 + (wL)* - mô đun phức điên độ) ;

œL

L - từ cảm của nhánh cầu ;

R - điện trở thuần của nhánh cầu ;

œ - tần số của dòng điện cung cấp cho

cầu

- Đối với cầu gồm bốn nhánh ta có hệ phương trình cân bằng

Phuong trinh (3.17) thé hién sy cân bằng cầu theo biên độ,

còn phương trình (3.18) thể hiện sự cân bằng cầu theo pha

37

Cầu đo cớ thể dùng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều Trong thực tế đo lường thường dùng dòng điện xoay chiều vì bệ

khuếch đại dòng điện một chiều đất và làm việc chưa tốt bằng

bộ khuếch đại dòng điện xoay chiều

3.12 Phương pháp dán cảm biến dây điện trở lên chỉ tiết

Trên hình 3.2 trình bày các phương pháp dán cảm biến dây

điện trở hợp lý nhất để đo lực kéo và mô men uốn của thanh

Theo sơ đồ 3.2a (đo lực kéo) khi có một nhánh làm việc R, (nhánh đo) thì cảm biến bù trừ nhiệt R¿ được dán thẳng góc với phương tác dụng lực kéo P Ngoài việc bù trừ ánh hưởng của nhiệt độ, khi dán cảm biến R„ theo vị trÍ như trên sẽ bù trừ

được cả sự mất mát độ nhạy ở nhánh làm việc do cảm biến bị

biến dạng theo chiều ngang

Dán cảm biến theo sơ đồ hình 3.2b sẽ tăng độ nhạy lên hai

lần khi có cảm biến bù trừ nhiệt Ngoài ra trong sơ đồ này còn

bù trừ được cả ảnh hưởng khi thanh bị uốn

Khi đo mô men uốn theo sơ đồ hình 3.2c thì câm biến R,

được dán ở mặt bị kéo của thanh, còn cảm bién R, duge dan 6

mặt bị nén của thanh Sơ đồ này sẽ tăng độ nhạy lên hai lần so với sơ đồ có một nhánh làm việc và có bù trừ nhiệt độ

Trên sơ đồ 3.2d tất cả bốn nhánh đều làm việc và có bù trừ nhiệt độ, độ nhạy sẽ tăng lên bốn lần

Trên hình 3.3 trình bày phương pháp dán các cảm biến dây điện trở lên trục để đo mô men quay và sơ đồ mắc chúng vào cầu và nửa cầu (khi làm việc cùng bộ khuếch đại)

38

Hình 32 Sơ đồ dán cảm biến dây điện trở

để đo lực kéo và mô men uốn :

a) một nhánh làm việc và có bù trừ nhiệt ;

b,c) hai nhdnh làm việc và có bù trừ nhiệt ;

d) bốn nhánh làm việc và có bù trừ nhiệt

Để cho cảm biến dây điện trở không bị mô men uốn tác

góc 45° với đường sinh của trục (hình 3.3a) Bốn cảm biến được

39

để cho các cảm biến nằm đối xứng theo đường kính sẽ chịu biến dạng cùng dấu

Trước khi đo cần tiến hành cân bằng cầu Khi cầu được cân bằng thì dòng điện ở nhánh đo chéo bằng không, nghĩa là phải đảm bảo điều kiện ở công thức (3.6).'

Hình 33 Sơ đồ dán cảm biến dây điện trở khi do mô men quay : a) trén trục ; b) ở cầu toàn bộ ; c) ở nửa cầu

3.1.3 Phương pháp mắc cảm biến vào sơ đồ đo

Từ cơ sở lý luận của cầu đo rút ra hai phương pháp đo dùng cầu đo như sau : phương pháp cân bằng và phương pháp không cân bằng

Ỏ phương pháp cân bằng khi cầu đo bị mất cân bằng do cảm biến bị biến dạng dưới tác dụng lực, người ta tiến hành cân bằng lại cầu để cho dụng cụ đo mắc trên nhánh chéo của cầu 40

chỉ ở số không Theo giá trị điện trở cầu phụ thêm để cân bằng

cầu sẽ xét được sự thay đổi của đại lượng cần đo

Ỏ phương pháp không cân bằng khi cầu đo bị mất cân bằng

do cam biến bị biến dạng dưới tác dụng lực, người ta không tiến

hành việc cân bằng lại cầu mà dùng sự thay đổi chỉ số trên

dụng cụ đo mắc trên nhánh chéo để xét sự thay đổi của đại

lượng cần đo Phương pháp không cân bằng vạn năng hơn và - _ được dùng để đo các quá trỉnh động được ghi lại nhờ máy ghi

sóng, phương pháp này kém chính xác hơn phương pháp trên (độ

chính xác thường không vượt quá +1)

không quá vài mi li vôn và dòng điện ở nhánh đo chéo không

_ đủ để cho máy ghi sóng ð làm việc, vì thế tín hiệu trước khi vào máy ghi sóng ð phải được khuếch đại nhờ máy khuếch đại 4 Tín

41