thiết kế, chế tạo mô hình các cảm biến trang bị cho động cơ phun xăng điện tử

Qua sơ ược tài liệu, đề tài đã tìm hiểu được nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các cảm biến trang bị cho hệ thống phun xăng điện tử.. Hệ thống cảm biến của động cơ sử dụng hệ thống phun

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KĨ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

CÁC CẢM BIẾN TRANG BỊ CHO ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ngô Mã Anh (MSSV: 1117680)

Ngành: Cơ khí giao thông - Khóa: K37

Tháng 5/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KĨ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

CÁC CẢM BIẾN TRANG BỊ CHO ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ngô Mã Anh (MSSV: 1117680)

Ngành: Cơ khí giao thông - Khóa: K37

Tháng 5/2015

LỜI CẢM ƠN

Trong bốn năm đại học, tôi xin chân thân thành c ảm ơn quý thầy cô đã tận tình tuyền đạt nguồn kiến thức chuyên ngành cơ khí vô cùng quý báo làm nền tảng vững chắc để tôi tự tin bước vào đời và thành công trong công việc sau này

Để hoàn thành đề tài “ Thiết kế, chế tạo mô hình các cảm biến trong động cơ xăng”, xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Văn Hữu đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ dạy khi thực hiện đề tài

Xin cảm ơn thầy Trần Thanh Tâm, thầy Phạm Văn Măng và thầy Nguyễn Quý Dương đã tận tình hướng dẫn những kiến thức thực tế về sửa chữa và tạo điều kiện thuận lợi để mô hình thực hiện chế tạo và lắp đặt được hoàn thành

Xin cảm ơn cha mẹ đã dạy dỗ, nuôi dưỡng và tạo điều kiện thuận lợi nhất để việc học đại học được hoàn thành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN

1 Cán bộ chấm phản biện: Trần Thanh Tâm

Huỳnh Việt Phương Phạm Văn Bình Bùi Văn Hữu

2 Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình các cảm biến trang bị cho động cơ phun

xăng điện tử

3 Sinh viên thực hiện: Ngô Văn Lix MSSV: 1110488

Ngô Mã nh 1117680

4 Lớp: Cơ Khí Giao Thông Khóa: K37 5 Nội dung nhận xét:

6 Điểm đánh giá:

Cần thơ, ngày … tháng … năm 2015

Cán bộ chấm phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, ứng dụng cảm biến vào các thiết bị con người đang sử dụng à vô cùng đa dạng và phong ph đặc biệt à trên các thiết bị ô tô Vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu các cảm biến àm tiền đề cho sự phát triển và ứng dụng vào thực tế Đồng thời, Để phục vụ cho công tác giảng dạy việc mô hình h a các thiết bị cảm biến à vô cùng cần thiết đem ại cái nhìn trực quan cho các học sinh và thêm phần sinh động cho quá trình giảng dạy và học tập Chính vì thế, vấn đề tìm hiểu, nghiên

cứu và mô hình h a các cảm biến ô tô à rất cần thiết

Qua sơ ược tài liệu, đề tài đã tìm hiểu được nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các cảm biến trang bị cho hệ thống phun xăng điện tử Dựa vào những kiến được tìm hiểu, đề tài đã thiết kế mô hình cho từng cảm biến và chế tạo được mô hình thực tế Mô hình thực tế được chế tạo các linh kiện điện tử trên thị trường thì

mô hình hoạt động đ ng với yêu cầu đặt ra của đề tài Tuy mô hình còn nhiều mặt hạn chế do một số cảm biến chưa đáp ứng kịp khi điều kiện thử nghiệm thay đổi

Đề tài còn hạn chế nhưng vẫn đáp ứng được quá trình học tập, giảng dạy của giáo viên với mục tiêu giúp sinh viên tiếp thu nhanh và hiểu sâu hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xii

CHƯƠNG 1 1

XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ô TÔ 1

CHƯƠNG 2 3

KHÁI QUÁT CẢM BIẾN 3

2.1 Khái niệm và phân loại 3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Phân loại cảm biến 3

2.2 Một số loại cảm biến thông dụng 6

2.2.1 Cảm biến nhiệt 6

2.2.1.1 Cặp nhiệt điện (Thermocoup e - Can nhiệt) 6

2.2.1.2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD) 7

2.2.1.3 Điện trở oxit kim oại (PTC Thermistor và NTC Thermistor) 8

2.2.1.4 Cảm biến nhiệt bán dẫn 9

2.2.1.5 Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế) 9

2.2.2 Cảm biến quang 10

2.2.3 Cảm biến độ vận tốc 10

2.2.3.1 Tốc độ kế điện từ 11

2.2.4 Cảm biến ưu ượng 13

2.2.4.1 Công tơ thể tích 13

2.2.4.2 Công tơ tốc độ 14

2.2.4.3 Lưu ượng kế màng chắn 16

2.2.5 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 17

2.2.5.1 Cảm biến quang phản xạ 17

2.2.5.2 Cảm biến quang soi thấu 18

2.2.5.3 Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 20

2.2.5.4 Cảm biến âm từ 21

CHƯƠNG 3: 23

CÁC CẢM BIẾN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 23

3.1 Cảm biến ưu ượng 23

3.1.1 Kiểu van trượt 23

3.1.2 Kiểu dây sấy 32

3.1.3 Kiểu Karman 34

3.1.3.1 Karman siêu âm 35

3.1.3.2 Karman quang 37

3.2 Cảm biến chân không 41

3.3 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp 48

3.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 49

3.5 Cảm biến vị trí bướm ga 52

3.5.1 Cảm biến vị trí bướm ga kiểu tiếp điểm 53

3.5.2 Kiểu tuyến tính 54

3.6 Cảm biến vị trí trục cam, vị trí trục khuỷu 58

3.6.1 Cảm biến vị trí kiểu từ trường 60

3.6.1.1 Cảm biến vị trí trục cam kiểu từ trường 60

3.6.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu kiểu từ trường 61

3.6.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu kiểu quang 62

3.7 Cảm biến oxy 65

3.8 Cảm biến kích nổ 68

CHƯƠNG 4: 70

KHÁI QUÁT LINH KIỆN 70

4.1 Tụ điện 70

4.2 Điện trở 72

4.3 Op-Amps 73

4.4 Led 75

4.5 Ic 555 79

4.6 Cảm biến nhiệt độ LM35 81

CHƯƠNG 5: 82

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CẢM BIẾN 82

5.1 Chọn cảm biến 82

5.2 Thiết kế chung 82

5.3 Các cảm biến: 84

5.3.2 Cảm biến karman dây sấy 86

5.3.2.1 Mạch nhận tín hiệu dây sấy 86

5.3.2.2 Mạch điều chỉnh tốc độ quạt 89

5.3.3 Mạch cảm biến karman dạng quang 91

5.3.3.1 Mạch nhận tín hiệu karman 91

5.3.3.2 Mạch điều chỉnh tốc độ quạt 93

5.3.4 Mạch cảm biến vị trí dạng quang 94

5.3.4.1 Mạch nhận tín hiệu dang quang 94

5.3.4.2 Mạch điều chỉnh tốc độ quay của đĩa 96

5.3.4.3 Mạch đếm số vòng quay 98

5.4 Mạch cảm biến vị trí dạng từ trường 101

5.5 Cảm biến vị trí bướm ga 104

5.6 Lắp ghép sa bàn 108

5.7 Chạy thử và kiểm tra mô hình 109

CHƯƠNG 6: 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

6.1 Kết luận 111 6.2 Kiến nghị 112

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Nhu cầu sử dụng ô tô 1999- 2004 1

Bảng 2.1: Phân loại cảm biến theo chuyển đổi đáp ứng và kích thước 3

Bảng 2.2 : Phân loai cảm biến theo dạng kích thích 4

Bảng 2.3: Phân loại cảm biến theo tính năng của bộ cảm biến 5

Bảng 2.4: Phân loại cảm biến theo phạm vi sử dụng 6

Bảng 3.1 Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng 1MZ - FE 1997 - 2003 (Toyota) 26

Bảng 3.2: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng 1MZ - FE 1997 - 2003 (Toyota) 26

Bảng 3.3: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng một số dòng xe hãng Nissan 26

Bảng 3.4: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng Nissan BlueBird 1993 – 1997 28

Bảng 3.5: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng Nissan PULSAR 1995 – 2000 28

Bảng 3.6: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng Nissan PULSAR 2000 – 2003 28

Bảng 3.7: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng Nissan SKYLINE 1986 – 1980 28

Bảng 3.8: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng một số dòng ô tô Kia 29

Bảng 3.9: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng một số dòng xe Maxda 29

Bảng 3.10: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng MAZADA 121 2001 – 2002 30

Bảng 3.11: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng MAZADA 121 1996 – 2000 30

Bảng 3.12: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng MAZADA 323 2001 – 2004 2.0L 30

Bảng 3.13: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng MAZADA 323 1998 – 2003 1.6L 30

Bảng 3.14: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng một số dòng ô tô Huyndai 31

Bảng 3.15: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng SONATA 1998 – 2003 31

Bảng 3.16: Thông số tín hiệu bộ đo ưu ượng một số dòng ô tô Ford 31

Bảng 3.17: Thông số karman quang xe SONATA 1990 – 1992 40

Bảng 3.18: Thông số karman quang của hãng MITSUBISHI 40

Bảng 3.19 Thông số tín hiệu karman quang một số xe HUYNDAI 41

Bảng 3.20: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 3S - GE 1986 -1989 43

Bảng 3.21: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 4A – FE (1989 - 1995), 43

Bảng 3.22: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 5S – FE (1993 - 1997), (1997 - 2003) 43

Bảng 3.23: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1FZ – FE (1998 – 2003) 44

Bảng 3.24: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1989 – 1993 F22A5 44

Bảng 3.25: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1986 – 1989 2.0 4xyl A20A 44 Bảng 3.26: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1989 – 1993 F22A5 44

Bảng 3.27: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1989 – 1993 F22A5 45

Bảng 3.28 : Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe 1989 – 1993 F22A5 45

Bảng 3.29: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe ACCENT 200- -2003 45

Bảng 3.30: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe COUPE 1996 – 2001 46

Bảng 3.31: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe EXEL 1992 – 1994 46

Bảng 3.32: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe ELAMTRA 2000 – 2003 46

Bảng 3.33: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe NISSAN NAVARA 2001- 2004 47

Bảng 3.34: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe PULSAR 1987- 1991 47

Bảng 3.35: Thông số tín hiệu cảm biến chân không xe PULSAR 1987- 1991 47

Bảng3.36: Thông số tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát 51

Bảng 3.37: Thông số tín hiệu một số xe hãng TOYOTA 56

Bảng 3.38: Thông số tín hiệu một số xe hãng TOYOTA 57

Bảng 3.39: Thông số tín hiệu một số xe hãng TOYOTA 57

Bảng 3.40: Thông số tín hiệu một số xe hãng TOYOTA 58

Bảng 3.41: Thông số tín hiệu một số xe hãng TOYOTA 58

Bảng 3.41: Thông số tín hiệu cảm biến vi trí một số ô tô hãng ToYoTa 63

Bảng 5.1: Linh kiện lắp mạch cảm biến nước làm mát 84

Bảng 5.2: Linh kiện lắp mạch cảm biến dây sấy 87

Bảng 5.3: Linh kiện cần lắp mạch điều khiển quạt 90

Bảng 5.4: Linh kiện cần lắp mạch karman quang 91

Bảng 5.5: Linh kiện lắp mạch điều khiển quạt 94

Bảng 5.6: Linh kiện cần lắp mạch vị trí dạng quang 95

Bảng 5.7: Linh kiện cần lắp mạch điều chỉnh tốc độ đĩa 96

Bảng 5.8: Linh kiện lắp mạch đếm số vòng quay 98

Bảng 5.9: Linh kiện cần lắp mạch vị trí dạng từ trường 102

Bảng 5.10: Linh kiện cần lắp mạch vị cảm biến vị trí bướm ga 104

Bảng 5.11: Vật liệu lắp ghép khung sa bàn 108

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Cặp nhiệt điện 6

Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều 11

Hình 2.3: Cảm biến dùng cuộn dây di động 12

Hình 2.4: Cảm biến có lõi từ di dộng 13

Hình 2.5: Công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ô van 13

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hướng trục 14

Hình 2.7: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến 16

Hình 2.8: Phân bố vân tốc và áp suất của một dòng chảy ý tưởng qua lỗ thu hẹp 17

Hình 2.9: Cảm biến quang phản xạ 17

Hình 2.10: a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu, b) Tín hiệu ra 18

Hình 2.11: Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng s ng đàn hồi 19

Hình 2.12: Các dạng s ng đàn hồi 20

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 21

Hình 3.1: Cảm biến ưu ượng kiểu van trượt 23

Hình 3.2: Cấu tạo cảm biến 24

Hình 3.3: Kiểu van trượt tăng áp 24

Hình 3.4: Kiểu van trượt giảm áp 25

Hình 3.5: Karman dạng dây sấy 32

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý karman dây sấy 32

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động và tín hiệu điện áp 33

Hình 3.8: Vị trí điện lắp điện trở nhiệt 33

Hình 3.9: Sơ đồ mạch karman siêu âm 35

Hình 3.10: Nguyên lý hoạt động karman siêu âm 36

Hình 3.11: Dòng xoáy tạo ra ở nhiều cấp độ 36

Hình 3.12: Tín hiệu điện áp 37

Hình 3.13: Cấu tạo karman quang 37

Hinh 3.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động 38

Hình 3.15: Sơ đồ nhận tín hiệu 38

Hình 3.16: Tín hiệu nhận ở nhiều tốc độ 39

Hình 3.17: Sơ đồ mạch điện bộ phận nhận tính hiệu 39

Hình 3.18: Cấu tạo cảm biến chân không 41

Hình 3.19: Sơ đồ mạch cảm biến áp suất đường ống nạp 42

Hình 3.20: Sơ đồ mạch nhiệt độ khí nạp 48

Hình 3.21: Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ khí nạp 48

Hình 3.22: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 49

Hình 3.23: Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ nước làm mát 50

Hình 3.24: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nướt làm mát 50

Hình 3.25: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 51

Hình 3.26: Cảm biến bướm ga 52

Hình 3.27: Bướm ga kiểu tiếp điểm 53

Hình 3.28: Bướm ga kiểu tuyến tính 54

Hình 3.29: Cảm biến tốc độ trục khuỷu và vị trí cam 59

Hình 3.30: Vị trí đặt cảm biến 59

Hình 3.31: Cảm biến vị trí cam kiểu từ trường 60

Hình 3.32: Cảm biến vị trí trục khuỷu 61

Hình 3.33: Cảm biến vị trí quang 62

Hình 3.34: Sơ đồ trên động cơ nissan 62

Hình 3.35: Mạch cảm biến vị trí kiểu quang 63

Hình 3.36: Cấu tạo cảm biến oxy 66

Hình 3.37: Mạch điện cảm biến oxy 66

Hình 3.38: Cảm biến kích nổ 68

Hình 3.39: Cấu tạo cảm biến kích nổ 68

Hình 3.40: Biểu đồ biên độ dao động của cảm biến 69

Hình 3.41: Mạch cảm biến kích nổ 69

Hình 4.1: Cấu tạo tụ điện 70

Hình 4.2: Kí hiệu tụ điện 70

Hình 4.3: Tụ phân cực 71

Hình 4.4: Tụ xoay 71

Hình 4.5: Cấu tạo điện trở 72

Hình 4.6: Bảng màu giá trị điện trở 73

Hình 4.7: Cấu tạo Op-Amps 73

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý Op-Amps 74

Hình 4.9: Sơ đồ chân Op-Amps 75

Hình 4.10: Kí hiệu led 75

Hình 4.11: Cấu tạo led 76

Hình 4.12: Cấu tạo led màu trắng 76

Hình 4.13: Led PCB 77

Hình 4.14: Led chân kim loại 77

Hình 4.15: Led dạng bướm bằng kim loại 77

Hình 4.16: Led dạng phát sáng bề mặt 77

Hình 4.17: Led dạng đ ng g i vuông g c 78

Hình 4.18: Led công suất lớn 78

Hình 4.19: Nguyên lý phát sáng led 79

Hình 4.20: Ic 555 80

Hình 4.20: Cảm biến nhiệt độ LM35 81

Hình 5.1: Bản vẽ khung sa bàn 83

Hình 5.2: Bản vẽ bố trí cảm biến 83

Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát 84

Hình 5.2: Sơ đồ lắp mạch cảm biến nhiệt độ nhiệt độ nước làm mát 85

Hinh 5.3: Ảnh cảm biến nhiệt độ nước làm mát lắp trên sa bàn 85

Hình 5.4: Sơ đồ cấu tạo cảm biến karman dây sấy 86

Hình 5.5: Sơ đồ mạch cảm biến dạng dây sấy 88

Hinh 5.6: Ảnh cảm biến karman dây sấy lắp trên sa bàn 88

Hình 5.7: Sơ đồ lắp mạch điều khiển quạt 90

Hình 5.8: Sơ đồ cấu tạo cảm biến karman dây sấy 91

Hình 5.9: Sơ đồ mạch cảm biến karman quang 92

Hình 5.10: Sơ đồ mạch cảm biến karman quang lắp trên sa bàn 92

Hình 5.11: Sơ đồ mạch tốc độ quạt 93

Hình 5.12: Sơ đồ cấu tạo cảm biến vị trí dạng quang 94

Hình 5.13: Sơ đồ mạch cảm biến vị trí dạng quang 95

Hình 5.14: Sơ đồ lắp mạch điều khiển tốc độ đĩa 97

Hình 5.15: Cảm biến karman quang lắp trên sa bàn 97

Hình 5.16: Sơ đồ mạch hiện thị số vòng quay 99

Hình 5.17: Led 7 đoạn lắp trên sa bàn 98

Hình 5.18: Mạch cảm biến vị trí quang 100

Hình 5.19: Sơ đồ cấu tạo cảm biến vị trí dạng từ trường 101

Hình 5.20: Nguyên tắc hoạt động cảm biến dạng từ trường 101

Hình 5.21: Sơ đồ lắp mạch vị trí từ trường 102

Hình 5.22: Cảm biến vị trí dạng từ trường trên sa bàn 103

Hình 5.23 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bánh răng 103

Hình 5.24: Sơ đồ mạch bướm ga tuyến tính 106

Hình 5.25: Sơ đồ mạch bướm ga tiếp điểm 107

Hình 5.26: Cảm biến vị trí bướm ga lắp trên sa bàn 108

Hình 5.27: Bản vẽ hoàn thành sa bàn 109

Hình 5.27: Tất cả cám biến hoạt động 110

CHƯƠNG 1

XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ô TÔ

Năm 1885 tại thành phố Mannhenim của Đức, chiếc ô tô chạy bằng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới được chế tạo bởi Car Benz, một k sư người Đức và à người tiên phong trong ngành ô tô ng được cấp bằng sáng chế ngày 20 tháng 1 năm 1886 và trở thành nhà sản suất ô tô đầu tiên vào năm 1888 ngay sau khi vợ ông, bà Bertha Benz, thực hiện thành công chuyến đi xa đầu tiên ( từ Manheim đền Pforzheim và trở về ) vào tháng 8 cùng năm Thật vậy, chuyến đi của bà đã chứng minh với mọi người rằng chiếc xe không dùng sức ngựa k o hoàn toàn phù hợp để

sử dụng như phương tiện đi ại hằng ngày Sự kiện trên à cột mốc ịch sử chứng minh thời kì mở đầu cho ngành sản xuất ô tô phát triển mạnh mẽ như hiện nay

N ố t ớ vị

- Điều khiển cho động cơ dầu: hệ thống Common Rai

- Điều khiển cho động cơ xăng: hệ thống RS

Để các hệ thống trên hoạt động đ ng theo yêu cầu của người sản suất đặt ra thì hệ thống cảm biến đ ng g p vai tr quan trọng Hệ thống các cảm biến thông báo tình trạng àm việc tại mỗi thời điểm của động cơ cho ECU xử ý và đưa ra ệnh điều khiển phù hợp Hệ thống cảm biến của động cơ sử dụng hệ thống phun xăng bao gồm: cảm biến vị trí bớm ga, cảm biến oxy, cảm biến nhiệt độ nước trong động

cơ, bộ đo ưu ượng gi , cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Việc tìm hiểu nguyên ý hoạt động và cấu tạo của cảm biến àm tiền đề cho quá trình chế tạo vì các inh kiện cảm biến đang sử dụng hiện nay chủ yếu à nhập

kh u từ các nước c ngành công nghiệp phát triển Nước ta c n nhiều hạn chế và gặp nhiều kh khăn trong quá trình chế tạo, phát triển và ứng dụng các oại cảm biến này Ngày nay, tất cả các hệ thống thông minh ch ng ta đang sử dụng điều bắt buộc dùng các cảm biến để ch ng hoạt động được Đồng thời, để gi p giáo viên truyền đạt dễ dàng, học sinh hiểu nhanh thêm phần sinh động cho bài giảng việc nghiên cứu cảm biến và chế tạo mô hình hoạt động của các cảm biến à cần thiết

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT CẢM BIẾN

2.1 Khái niệm và phân loại

s = F(m) (1.1)

Người ta gọi (s) à đại ượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại ượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc à đại ượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m)

2.1.2 Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng phân oại, cảm biến c thể được chia thành nhiều oại khác nhau

- Biến đổi hoá học

- Biến đổi điện hoá

- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

Phân loại theo phạm vi sử dụng

Bảng 2.4: Phân loại cảm biến theo phạm vi sử dụng

Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :

- Cảm biến tích cực c đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến

2.2 Một số loại cảm biến thông dụng

2.2.1 Cả b ế ệt

2.2.1.1 Cặp ệt ệ T r o oup - C ệt

Hình 2.1: Cặp nhiệt điện

- Cấu tạo: Gồm 2 chất iệu kim oại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên ý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi mV

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng àm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: L nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy

n n,…

- Dải đo: -100 ~ 1800oC

- ng dụng: Sản xuất công nghiệp, uyện kim, giáo dục hay gia công vật iệu…

- Trên thị trường hiện nay c nhiều oại cặp nhiệt điện khác nhau (E, J,

K, R, S, T, B…) đ à vì mỗi oại cặp nhiệt điện đ được cấu tạo bởi 1 chất iệu khác nhau, từ đ sức điện động tạo ra c ng khác nhau dẫn đến dải đo c ng khác nhau Người sử dụng cần ch ý điều này để c thể ựa chọn oại cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình

Đồng thời khi ắp đặt sử dụng oại cặp nhiệt điện thì cần ch ý tới những điểm sau đây:

- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp (mV) nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều)

- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt

- Không để các đầu dây nối của cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo

- Đấu nối đ ng chiều âm, dương cho cặp nhiệt điện

2.2.1.2 N ệt ệ trở R s t t p r tur t tor –RTD)

- Cấu tạo:RTD gồm c dây kim oại àm từ: Đồng, Nike ,

P atinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên í hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim oại này sẽ thay đổi, và tùy chất iệu kim oại sẽ c độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo b hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~700oC

- ng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật iệu, h a chất…Hiện nay phổ biến nhất của RTD à oại cảm biến Pt, được àm từ P atinum P atinum c điện trở suất cao, chống oxy h a, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường

c các oại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0o

C) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường c oại: 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

2.2.1.3 Đ ệ trở o t oạ PTC T r stor và NTC T r stor

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim oại: mangan, nicke , coba t,…

- Nguyên ý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

2.2.1.4 Cả b ế ệt b ẫ

- Cấu tạo: Làm từ các oại chất bán dẫn

- Nguyên ý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên ý: Đo tính chất bức xạ năng ượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp x c với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- ng dụng: Làm các thiết bị đo cho nung

Cảm biến quang có những ứng dụng hết sức mạnh mẽ và linh hoạt trong ngành công nghiệp n i riêng và điện tử nói chung

Cảm biến quang gồm các loại: Cảm biến quang thu phát riêng, Cảm biến quang phản xạ qua gương, Cảm biến quang thu phát chung

Ưu và nhược điểm của từng loại cảm biến quang

- Cảm biến quang nhìn chung uôn c nhiều ưu điểm hơn so với các oại cảm biến khác (cảm biến từ, cảm biến điện dung )

- Cảm biến quang không tiếp x c trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên tuổi thọ, độ bền sẽ cao hơn

- Khoảng cách phát hiện của Cảm biến quang khá xa, việc này c ng

gi p ít không nhỏ cho việc thiết kế c ng như ắp đặt

- Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đ à phát hiện hầu hết các oại vật thể, vật chất

2.2.3 Cả b ế ộ vậ tố

Cảm biến tốc độ là một loại cảm biến để đo tốc độ và chiều quay của máy, động cơ, máy điện và nó hiển thị kết quả cho người điều khiển biết, đồng thời làm tình hiệu phản hồi lúc hiệu chỉnh, nó có vai tro quan trọng trong việc đo ường như

đo tốc độ oto và moto,bô đồng bộ tính tiền trong taxi, đo và hiển thị tốc độ trong máy phát, hiện nay ch ng được ứng dụng rộng rãi

2.2.3.1 Tố ộ kế ện từ

Tố ộ kế ện từ o vận tốc góc

Tốc độ kế dòng một chiều:

Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng một chiều biểu

Hình 2.2: Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều

1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét

Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi

là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các á đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto Hai chổi quét ép sát vào cổ g p được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai á đồng đối diện nhau

Tố ộ kế ện từ o vận tốc dài

Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (>1m) thường chuyển thành đo vận tốc g c Trường hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây Khi đo, một phần tử được giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo

Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động

Hình 2.3: Cảm biến dùng cuộn dây di động

1) Nam châm 2) Cuộn dây

Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:

Trong đ :

N - số vòng dây

r - bán kính vòng dây

B - giá trị của cảm ứng từ

v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây

l - tổng chiều dài của dây

Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 2.3)

Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược chiều nhau và mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều nhau Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động

ở đầu ra khác không

Hình 2.4: Cảm biến có lõi từ di dộng

a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây

Ngoài ra còn có các cảm biến đo vận tốc khác như tốc độ kế xung, tốc độ kế

từ trở biến thiên, tốc độ kế quang

2.2.4 Cảm biế u ợng

2.2.4.1 C t t ể tích

Công tơ thể tích đo thể tích chất ưu chảy qua công tơ bằng các đếm trực tiếp ượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tơ

Sơ đồ nguyên lý của công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ô van

Hình 2.5: Công tơ thể tích kiểu bánh răng hình ô van

Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với nhau (hình 20.13a) Dưới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 20.13b) cho đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng, bánh răng (1) nằm ngang Chất lỏng trong thể tích được đ y sang cửa ra Sau đ bánh răng (1) quay và quá trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong

buồng được đ y sang cửa ra Trong một vòng quay của công tơ thể tích chất lỏng qua công tơ bằng bốn lần thể tích (bằng hoặc ) Trục của một trong hai bánh răng iên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài công tơ

Thể tích chất ưu chảy qua côngtơ trong thời gian Δt = - tỷ lệ với số

v ng quay xác định bởi công thức:

Trong đ :

- thể tích chất ưu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay

, - tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm và

2.2.4.2 C t tố ộ

Hình 2.6 trình bày sơ đồ cấu tạo của một công tơ tốc độ tuabin hướng trục

Bộ phận chính của công tơ à một tuabin hướng trục nhỏ (2) đặt theo chiều chuyển động của dòng chảy Trước tuabin c đặt bộ chỉnh dòng chảy (1) để san phẳng dòng rối và loại bỏ xoáy Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng - trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4)

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hướng trục

1) Bộ chỉnh dòng chảy 2) Tuabin

3) Bộ truyền bánh răng-trục vít 4) Thiết bị đếm

Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy:

n=kW

F - tiết diện dòng chảy

n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay trong một giây)

Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong một khoảng thời gian từ t1 đến t2 sẽ nhận đƣợc thể tích chất lỏng chảy qua công tơ:

Hình 2.7: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến

Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất ưu tăng ên và đạt cực đại (W2) tại tiết diện B-B, do đ tạo ra sự chênh áp trước và sau lỗ thu hẹp Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có thể xác định được ưu ượng của dòng chảy

Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc cực đại của dòng chảy tại tiết diện B-B được xác định theo biểu thức:

Hình 2.8: Phân bố vận tốc và áp suất của một dòng chảy lý tưởng qua lỗ thu hẹp

Hình 2.9: Cảm biến quang phản xạ

1) Nguồn phát 2) Thước đo 3) Đầu thu quang

Cảm biến loại phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhưng cự

ly cảm nhận thấp và chịu ảnh hưởng của ánh sáng từ nguồn sáng khác

2.2.5.2 Cảm biến quang soi thấu

Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc soi thấu trình bày trên hình 2.10a Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một ưới chia kích quang và các phần tử thu quang (thường là tế bào quang điện)

Hình 2.10: a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu, b) Tín hiệu ra

1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Thước đo 4) Lưới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mã chuẩn

Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và ưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu ánh sáng hình sin Tín hiệu này được thu bởi các tế bào quang điện đặt sau ưới chia Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật

Các tế bào quang điện bố trí thành hai dãy và đặt lệch nhau một phần tư độ chia nên ta nhận được hai tín hiệu lệch pha 90o (hình 2.10b), nhờ đ không những xác định được độ dịch chuyển mà còn có thể nhận biết được cả chiều chuyển động

Để khôi phục điểm gốc trong trường hợp mất điện nguồn người ta trang bị thêm mốc đo chu n trên thước đo Ưu điểm của các cảm biến soi thấu là cự ly cảm

nhận xa, có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn, tuy nhiên có hạn chế là khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu

Nguyên ý đo dịch chuyển bằng s ng đàn hồi

Tốc độ truyền s ng đàn hồi v trong chất rắn ~ 103m/s Thời gian truyền sóng giữa hai điểm trong vật rắn cách nhau một khoảng xác định bởi biểu thức:

Biết tốc độ truyền s ng v và đo thời gian truyền sóng tP ta có thể xác định được khoảng cách l cần đo:

= v Thời gian truyền sóng từ khi tín hiệu xuất hiện ở máy phát đến khi nó được tiếp nhận ở máy thu được đo bằng máy đếm xung Máy đếm hoạt động khi bắt đầu phát s ng và đ ng ại khi tín hiệu đến được máy thu

Hình 2.11: Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi

Gọi số xung đếm được là N và chu kỳ của xung đếm là t , ta có:

Khi đ :

2.2.5.3 Cảm biến sử dụng phần tử p ện

Trong các cảm biến áp điện, s ng đàn hồi được phát và thu nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một ượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ngược lại dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện bị biến dạng

Để đo dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng s ng đàn hồi:

- Sóng khối: dọc và ngang

- Sóng bề mặt

- Sóng khối dọc truyền cho các phần tử của vật rắn dịch chuyển dọc theo phương truyền sóng tạo nên sự nén rồi lại giãn nở của các lớp của vật rắn S ng này được kích thích bằng phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 2.12a)

- Sóng khối ngang gây nên dịch chuyển vuông góc với phương truyền sóng, tạo ra chuyển động trượt tương đối giữa các lớp của vật rắn

S ng này được kích thích bằng một phần tử áp điện rung theo mặt cắt (hình 2.12b)

Hình 2.12: Các dạng sóng đàn hồi

a) Sóng dọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt và dạng điện cực kích thích

Sóng bề mặt truyền trong lớp bề mặt của vật rắn, biên độ của chúng hầu như bằng không ở độ sâu 2λ dưới bề mặt Sóng bề mặt gồm một thành phần sóng dọc và một thành phần sóng ngang Nguồn kích thích sóng bề mặt là một hệ điện cực kiểu răng ược cài nhau phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 2.12c) Khoảng cách giữa hai răng kề nhau của các điện cực phải bằng λ để có thể gây ra biến dạng khi có điện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệu ứng của chúng Máy thu sóng bề mặt

c ng c cấu tạo tương tự như máy phát được gắn cố định vào bề mặt vật rắn, khi có sóng bề mặt đi qua, các răng của điện cực làm biến dạng bề mặt vật rắn và gây nên điện áp do hiệu ứng áp điện

2.2.5.4 Cảm biến âm từ

S ng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng xoắn một ống trụ sắt từ khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ trường ngang

S ng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học

àm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ th m của vật liệu sắt từ

Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảm biến âm từ trình bày trên hình 2.13 Cấu tạo của cảm biến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trượt dọc ống gắn với vật cần xác định vị trí Dây dẫn (3) nằm giữa trục ống và được nối với máy phát xung (4) Máy thu (5) có lõi từ nối cơ học với ống

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ

1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu

Đầu thu

Máy

phát

xung

Nguyên lý hoạt động của cảm biến: Máy phát (4) cung cấp một xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền với vận tốc ánh sáng (c), từ trường do nó sinh ra c đường sức à đường tr n đồng tâm với trục ống Khi s ng điện từ truyền đến vị trí nam châm (2), sự kết hợp của hai từ trường làm cho ống bị xoắn cục bộ, xoắn cục bộ này truyền đi trong ống dưới dạng sóng đàn hồi với vận tốc v Khi sóng đàn hồi đến máy thu (5) n àm thay đổi độ từ hoá gây nên tín hiệu hồi đáp

Gọi là thời gian từ khi phát xung hỏi đến khi nhận được xung hồi đáp, do

CHƯƠNG 3 CÁC CẢM BIẾN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ