BÀI GIẢNG môn HỌC CẢM BIẾN VÀ cơ cấu CHẤP HÀNH

Trên một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn giúp ECU điều khiển hộp số tự động.Có nhiều loại cảm biến vị trí bớm ga, tùy theo yêu cầu và thiết kế trong các đời xe thường có các loại sau:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

(Trên ô tô)

Hưng Yên, tháng 08 năm 2012

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TRÊN Ô TÔ

Ô tô ngày nay được trang bị một số lượng lớn các cảm biến Chúng được coi như là một tập hợp thống nhất của các cảm biến Các cảm biến này biến đổi các đại lượng hoá lý thành các đại lượng điện cần thiết cho các ECU trên ô tô thực hiện việc điều khiển động cơ, điều khiển hệ thống

an toàn, tiện nghi

1.1 Định nghĩa về cảm biến

Cảm biến có nghĩa là thăm dò và chuyển đổi giá trị Nó chuyển đổi dạng đại lượng hoá lý (đại lượng không điện) gọi là đầu vào cùng với yếu tố gây nhiễu thành đại lượng đầu ra -một đại lượng điện như: điện áp, dòng điện, tần số, xung…

Hình 1.1 Chức năng của cảm biến

Hình 1.2 Biểu tượng cảm biến Một cảm biến có thể được xác định với các thông số sau:

- Tín hiệu đầu vào:

- Đại lượng cần đo:

Cảm biến cũng có thể có chức năng xử lý tín hiệu hoặc không

1.2 Ứng dụng của cảm biến trên ô tô

Cảm biến và cơ cấu chấp hành hình thành lên giao diện của ô tô với các tính năng phức hợp như lái, phanh, treo, khung vỏ… cũng như chức năng dẫn hưỡng và định vị Các tín hiệu phải được xử lý bởi mạch xử lý tín hiệu để đưa về dạng tiêu chuẩn yêu cầu bởi ECU

Hình 1.3 Cảm biến trên ô tô Các mạch xử lý tín hiệu này được chế tạo riêng cho từng cảm biến cụ thể và tương thích với một chiếc ô tô cụ thể Bộ xử lý của ô tô sẽ xử lý phức hợp các tín hiệu này với các tín hiệu từ các ECU liên kết và việc điều khiển của người lái Bộ phận hiển thị thông tin cho người lái các trạng

thái hoạt động trong toàn bộ quá trình Dưới đây là tổng quát hệ thống điện tử trên ô tô hiện tại

Và nó còn tăng thêm nhanh chóng trong các năm tới đây

Hình 1.4 Tổng quát hệ thống điện tử ô tô

1.3 Sự phân loại cảm biến

Các cảm biến trên ô tô có thể được phân chia thành ba kiểu: + Kiểu chỉ thị/hành động

+ Kiểu tín hiệu liên tục

+ Kiểu tín hiệu dạng xung

1.3.1 Kiểu chỉ thị/hành động:

Các cảm biến trong kiểu này lại có thể phân chia theo hai nhóm:

+ Nhóm cảm biến có chức năng phát hiện trạng thái đóng/mở

+ Nhóm cảm biến về an toàn hay chống trộm

+ Nhóm cảm biến theo dõi nhiên liệu, độ mòn hay thông tin về người lái/hành khách

1.3.2 Kiểu tín hiệu liên tục:

Kiểu này có thể phân chia thành các nhóm sau:

+ Tín hiệu liên tục, tuyến tính: Nhóm này rất thích hợp cho dải đo rộng

+ Tín hiệu liên tục, không tuyến tính: Nhóm này thường sử dụng cho phạm vi đo hẹp (ví dụ tỷ lệ hoà khí, độ võng lò xo…)

+ Tín hiệu không liên tục, dạng 2 bậc, nhiều bậc: Dùng để theo dõi giá trị giới hạn

Hình 1.5 Tín hiệu liên tục

1.3.3 Kiểu tín hiệu dạng xung:

+ Tín hiệu tương tự: Dòng điện, điện áp, tần số, tỷ lệ thường trực xung

+ Tín hiệu rời rạc: tín hiệu số (mã nhị phân)…

Hình 1.6 Tín hiệu dạng xung

1.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến

1.4.1 Hàm truyền

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị,

đồ thị hoặc biểu thức toán học

‐ Hàm tuyến tính:  y = a + bx 

‐ Hàm logarit:    y = 1 + b ln x 

‐ Hàm mũ:    y = a.ekx 

  ‐ Hàm lũy thừa:   y= a0 + a1kx 

- Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn

  Gọi ∆x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến:

x x x

δ =∆

Có 2 loại sai số của cảm biến:

• Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá

trị đo được

Nguyên nhân:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Giá trị đại lượng chuẩn không đúng

- Do thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do nhiễu ngẫu nhiên

- Do ảnh hưởng các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…)

Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng Là tỉ

số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích

Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra

1.4.7 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó

độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo m

Trên thực tế và ngay cả trong lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm Si, mi cũng không nằm trên một đường thẳng Đó là do có sự không chính xác trong khi đo và sai lệch trong khi chế tạo cảm biến

Từ thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính, đường thẳng đó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = am + b

với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến

Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất trong dải đo (tính bằng %)

1.4.8 Độ nhanh và thời gian đáp ứng

Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không

Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh

1.4.9 Hiện tượng trễ

Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích Độ rộng của sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ

1.4.10 Nhiễu

Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu

do sự dao động của tín hiệu kích thích Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến Nhiễu được phân bố qua phổ tần số

Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa Làm giảm ảnh hưởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp

Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại:

- Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng

- Nhiễu do truyền dẫn

Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu

ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn

Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn

- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến

- Sử dụng cáp ít nhiễu

1.4.11 Giới hạn sử dụng cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến

- Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến

- Vùng không gây nên hư hỏng

- Vùng không phá hủy

Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra Thông thường dải đo trùng với vùng danh định

CHƯƠNG 2- CẢM BIẾN VỊ TRÍ 2.1 Đặc điểm chung

Các cảm biến vị trí bao gồm cảm biến đo khoảng cách và góc xoay, là những cảm biến phổ biến nhất trên ô tô Chúng đều là loại không tiếp xúc và không bị mài mòn nên có tuổi thọ cao

Biến đo: Có thể là đo trực tiếp hoặc gián tiếp

Bảng 2.1 Một số loại cảm biến vị trí loại đo trực tiếp

Bảng 2.2 Một số cảm biến vị trí loại đo gián tiếp

2.3.CẢM BIẾN BƯỚM GA (CẢM BIẾN VỊ TRÍ BƯỚM GA)

Cảm biến bướm ga được lắp ở trên trục bướm ga Cảm biến này đóng vai trò chuyển đổi

vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi về ECU

Cảm biến bướm ga có một số loại: Loại công tắc (tiếp điểm), loại biến trở (còn gọi là loại tuyến tính), loại Hall

Tín hiệu không tải (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở chế

độ cầm chừng cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa

Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng công suất động cơ Trên một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn giúp ECU điều khiển hộp

số tự động.Có nhiều loại cảm biến vị trí bớm ga, tùy theo yêu cầu và thiết kế trong các đời

xe thường có các loại sau:

2.3.1 Cảm biến bướm ga loại công tắc

Cấu tạo: Trục bướm ga được lắp với một miếng cam rãnh bằng nhựa (1) Các tiếp điểm lá

(2) được gắn với chân các giắc PSW, E hoặc TL, IDL, trong đó một chốt của lá tiếp điểm giữa (E hoặc TL) được cắm vào rãnh cam của miếng cam nhựa 1 Lá tiếp điểm giữa của loại cảm biến âm chờ được nối mát, còn của loại cảm biến dương chờ được nối với nguồn dương (+B hoặc 5V)

Hình 2.3: Cảm biến bướm ga loại công tắc

1 Cam rãnh bằng nhựa

2 Các lá lò xo gắn tiếp điểm

Hình 2.4: Mạch điện cảm biến bướm ga loại âm chờ (a) và loại dương chờ (b)

Nguyên lý làm việc: Khi trục bướm ga xoay theo mức mở bướm ga, cam nhựa cũng xoay

theo một góc tương ứng làm cho lá tiếp điểm E hoặc TL bị đẩy sang bên này hoặc bên kia

Ở chế độ không tải (cầm chừng) bướm ga đóng ( góc mở <50) thì tiếp điểm di động E hoặc

TL sẽ tiếp xúc với tiếp điểm IDL và tín hiệu điện áp tại giắc IDL báo cho ECU biết động cơ đang hoạt động chế độ không tải Tín hiệu này dùng để cắt nhiên liệu khi động cơ giảm tốc đột ngột

Ở chế độ tải lớn, bướm ga mở 500-700 ( tùy từng loại động cơ) so với vị trí đóng hoàn toàn, tiếp điểm di động E hoặc TL tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải PSW và tín hiệu điện áp

tại giắc PSW báo cho ECU biết động cơ đang hoạt động chế độ tải lớn để ECU điều khiển

phun xăng tăng thêm nhằm phát huy công suất của động cơ

2.3.2 Cảm biến bướm ga loại biến trở

Hình 2.5:Cảm biến bướm ga loại biến trở

Cấu tạo loại này có một hoặc hai con trượt, ở mỗi đầu con trượt được thiết kế những

tiếp điểm để trượt trên mạch điện trở than Mạch điện trở than được gắn trên miến nhựa lắp với trục bướm ga Tùy loại cảm biến mà các con trượt có thể được đấu với giắc (hoặc các giắc) VC, VTA, E2 và IDL, trong đó:

VC- Điện áp ổn áp 5V từ ECU; E2- Mát; VTA- Tín hiệu ra của cảm biến; IDL- Tín hiệu không tải

Khi bướm ga mở, con trượt trượt trên điện trở than và tạo ra điện áp tăng dần ở giắc VTA tương ứng với góc mở của bướm ga Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm không tải IDL nối với cực E2 Trên đa số các xe, cảm biến bướm ga loại biến trở chỉ có 3 dây VC, VTA

và E2 mà không có dây IDL

a) b) c)

Hình 2.6: Cảm biến bướm ga loại Hall

a- Cấu tạo b- Sơ đồ mạch c- Đặc tính

Cấu tạo cơ bản gồm hai IC Hall được lắp cố định trên một nắp nhựa của cụm bướm ga và được cấp nguồn 5V qua chân VC và E ,đầu ra của cảm biến là VTA1 và VTA2 Hai miếng

nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục bướm ga và lồng vào phía ngoài các IC Hall thông qua một khe hở nhỏ Để đảm bảo độ tin cậy cao hơn, phải cung cấp nguồn độc lập cho từng IC Hall

Hoạt động: Khi bướm ga mở, trục bướm ga xoay kéo theo các nam châm xoay quanh các

IC Hall Từ thông của các nam châm tác động đến các IC Hall thay đổi và dẫn đến điện áp tại các đầu ra VTA1, VTA2 thay đổi theo góc mở bướm ga

Một số loại cảm biến bướm ga có thêm giắc tín hiệu cháy nghèo LSW hoặc các giắc phụ

L1, L2, L3 , ACC1 và ACC2 dùng để điều khiển số tự động hoặc hệ thống phanh ABS

2.4 CẢM BIẾN CHÂN GA (CẢM BIẾN VỊ TRÍ BÀN ĐẠP GA)

Trên động cơ ôtô thường sử dụng 2 loại cảm biến chân ga đó là: cảm biến chân ga loại tuyến tính và cảm biến chân ga loại hall

2.4.1 Cảm biến chân ga loại tuyến tính: (Pedal position sensor- PPS)

Cảm biến này được lắp đặt rất chính xác vào chân ga Cấu tạo và hoạt động của cảm biến này giống với cảm biến bướm ga loại tuyến tính

Trong các tín hiệu từ cảm biến này gửi tới ECU, một tín hiệu là VPA truyền điện áp thay đổi tuyến tính với góc đạp chân ga Tín hiệu thứ hai (VPA2) là tín hiệu bù của tín hiệu VPA

a b c a- Cấu tạo b- Sơ đồ mạch c-Đườngđặc tuyến

Hình 2.7: Cảm biến chân ga loại tuyến tính

2.4.2 Cảm biến chân ga loại Hall

Cấu tạo và hoạt động của cảm biến này giống như cảm biến bướm ga loại Hall

Hình 2.8: Cảm biến chân ga loại Hall

2.5 Cảm biến mức nhiên liệu

Một phần tử lưỡng kim được gắn ở đồng hồ chỉ thị và một biến trở trượt kiểu phao được dùng ở cảm biến mức nhiên liệu

Hình 2.8 Bơm xăng

Hình 2.9 Cấu tạo bơm xăng

Biến trở trượt kiểu phao bao gồm một phao dịch chuyển lên xuống cùng với mức nhiên liệu Thân bộ cảm nhận mức nhiên liệu có gắn với điện trở trượt, và đòn phao nối với điện trở này Khi phao dịch chuyển, vị trí của tiếp điểm trượt trên biến trở thay đổi làm thay đổi điện trở Vị trí chuẩn của phao để đo được đặt hoặc là vị trí cao hơn hoặc là vị trí thấp hơn của bình chứa Do kiểu đặt ở vị trí thấp chính xác hơn khi mức nhiên liệu thấp, nên nó được sử

dụng ở những đồng hồ có dãi đo rộng như đồng hồ hiển thị số

Hình 2.11 Nguyên lý làm việc của cảm biến góc lái

Khi dĩa cảm biến quay cùng với cột lái, dòng ánh sáng phát ra từ led sẽ bị ngắt quãng làm cho phần tử cảm quanh dẫn ngắt liên tục tạo ra các xung vuông làm tín hiệu để xác định chiều quay lái, vận tốc góc của vô lăng, mô men cản trên vô lăng

Xung incremental Encoder:

Hình 2.12 Hình xung Encoder

Ta thấy rằng nếu như khi xung ST 1 đang từ mức thấp xuống mức cao, mà lúc đó ST 2 đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định được chiều chuyển động của encoder theo chiều mũi tên (quay sang trái) Nếu ST 1 đang từ mức cao xuống mức thấp, mà ST 2 đang ở mức cao, thì chúng ta sẽ biết encoder đang quay theo chiều mũi tên (quay sang phải)

2.7 Cảm biến độ cao thân xe

Cảm biến này phát hiện độ cao thân xe trong việc điều khiển khoảng sáng gầm xe để tăng tính ổn định ở tốc độ cao Đồng thời cảm biến này còn phát hiện sự nảy đuôi xe hoặc đầu xe trong trường hợp tăng tốc nhanh hoặc phanh gấp để giúp hệ thống treo điện tử có điều khiển độ cứng các phần tử đàn hồi phù hợp sao cho xe ổn định khi tăng tốc nhanh và phanh gấp

2.7.1 Cảm biến loại Hall

1 Đòn xoay(pivot lever); 2 Giá treo nối với đòn treo dưới;

3.Giá treo nối với khung; 4 Cảm biến độ cao thân xe; 5 Cần dẫn

Hình 2.13 Cảm biến độ cao thân xe

ST 1 

ST  2 

  ST N 

Cấu tạo:

Đòn xoay (pivot lever) xoay tương ứng với độ cao thân xe, thông qua trục dẫn động 2

làm xoay giá 4 và xoay nam châm hình xuyến 6 được gắn trên giá này IC Hall được gắn trên stator 5 sẽ sinh ra điện áp Hall có độ lớn tương ứng với lượng từ thông của các nam châm xuyên qua nó Khi trục 2 xoay theo sự thay đổi độ cao thân xe dẫn đến xoay giá 4 và xoay các nam châm, từ thông của các nam châm xuyên qua IC Hall thay đổi sẽ dẫn đến điện

áp Hall thay đổi theo

Hình 2.14 Cấu tạo cảm biến độ cao thân xe

Hình 2.15 Đặc tính đầu ra của cảm biến

2.7.2 Cảm biến loại biến trở

Cảm biến này chuyển đổi các biến động về chiều cao của xe thành những thay đổi về góc quay của thanh liên kết Khi đó kết quả thay đổi được phát hiện dưới dạng thay đổi điện

áp Khi xe trở nên cao hơn thì điện áp tín hiệu cũng cao hơn; khi xe trở nên thấp hơn thì điện áp tín hiệu cũng tụt xuống

Hình 2.16 Cảm biến điều chỉnh chiều cao xe

2.8 Cảm biến khoảng cách (ultrasonic sensor)

Cảm biến khoảng cách loại siêu âm này dùng để xác định khoảng cách từ ô tô tới các

chướng ngại vật và thăm dò khoảng cách an toàn phía trước và phía sau của ô tô khi ra vào chuồng

Hình 2.17 Mặt cắt cảm biến

Cảm biến với vỏ nhựa được tích hợp giắc cắm, bộ phát sóng siêu âm (là màng nhôm có gắn phần tử áp điện), một bản mạch pcb

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý xung phản hồi Nhận xung điều khiển từ ECU, trong khoảng thời gian 300 micro giây, mạch điều khiển của cảm biến kích hoạt màng nhôm bằng một xung vuông ở tần số cộng hưởng và khiến nó sinh ra sóng siêu âm Xung phản hồi từ vật cản sẽ đập trở lại màng nhôm và được truyền trở lại mạch tạo dao động Trong khoảng thời gian (khoảng 900 micro giây) từ lúc nhận tín hiệu phản hồi cho đến khi ngừng dao động thì không tiếp nhận thêm sóng phản hồi nào nữa Phần tử áp điện

trong bộ tạo dao động sẽ tạo ra tín hiệu dạng tương tự, sau đó tín hiệu này được khuếch đại

và số hoá ở mạch điều khiển của cảm biến

Hình 2.18 Sơ đồ khối cảm biến

Chương 3- CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

3.1 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ CẢM BIẾN VỊ TRÍ TRỤC CAM

3.1.1 Cảm biến loại từ- điện

Loại nam châm đứng yên :

Cảm biến bao gồm một rotor có số cánh phát xung tương ứng với số xylanh động cơ (cũng có loại 1 ,2 hoặc 3 cánh phát xung), một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ ghép với một thanh nam châm vĩnh cửu Cuộn dây và lõi sắt được đặt cách các cánh phát xung của rotor một khe nhỏ (0,2÷0,4mm) và được cố định trên vỏ bộ chia điện Khi rotor quay, các

Hình 3.1 Cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên

cánh phát xung lần lượt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn phát xung

Khi cánh phát xung ở vị trí như hình 2.2.A , điện áp trên cuộn phát xung bằng 0 Khi cánh phát xung tiến lại gần cực từ của lõi thép, khe hở giữa cánh phát xung và lõi thép giảm dần và từ trường mạnh dần lên Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn phát xung sẽ tại ra sức điện động e ( hình 2.3)

dt

d k

- ω : số vòng dây của cuộn phát xung

- n : tốc độ quay của rotor

-

t

d

dφ

: tốc độ biến thiên của từ thông trong lõi thép

Khi cánh phát xung của rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trường bằng 0 và sức điện động trong cuộn phát xung nhanh chóng giảm về 0 ( hình 2.2 C)

Khi cánh phát xung đi xa lõi thép ( hình 2.2 D), từ thông qua lõi thép giảm dần

và sức điện động xuất hiện trong cuộn phát xung có chiều ngược lại (xung âm)

Ở chế độ khởi động, sức điện động phát ra rất nhỏ, chỉ vào khoảng 0,5 (V) Ở tốc độ cao lên khoảng vài chục V

Hình 3.2 Vị trí tương đối của rotor và cuộn dây nhận tín hiệu

Hình 3.3 Nguyên lý làm việc của cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên

Hình 3.3 mô tả quá trình biến thiên của từ thông lõi thép và xung điện áp ở hai đầu ra của cuộn phát xung Xung này có dạng nhọn

Loại nam châm quay:

Đối với loại này, nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn phát xung được quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ bộ chia điện Khi nam châm quay, từ thông xuyên qua cuộn phát xung biến thiên tạo nên một sức điện động trong cuộn phát xung

Do từ thông qua cuộn phát xung đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn phát xung lớn Ở chế độ cầm chừng, tín hiệu điện áp ra khoảng 2(V) Xung điện áp có dạng trên hình 2.48

Hình 3.4 Cảm biến từ điện loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xylanh

1 Rotor nam châm ; 2 Lõi thép từ ; 3.Cuộn phát xung

Một số kiểu cảm biến từ- điện phổ biến trên thị trường

Cảm biến từ điện phổ biến trên thị trường chia làm 3 kiểu: kiểu đặt trong bộ chia điện, kiểu đặt ở đầu trục khuỷu, trục cam và kiểu tách rời

Kiểu lắp trong bộ chia điện:

Hình 3.5: Kiểu cảm biến lắp trong bộ chia điện

Đối với kiểu này cảm biến vị trí trục cam (G) và cảm biến tốc độ động cơ (NE) đều được lắp trong bộ chia điện Số lượng cánh phát xung của rotor và số lượng cuộn phát xung cho từng loại động cơ và từng hãng có thể khác nhau Trên các hình 2.5, 2.6,2.7 là kết cấu và dạng xung (tín hiệu) của bộ cảm biến G và NE tiêu biểu của dòng TOYOTA Xung (tín hiệu) G báo cho ECU biết góc trục quay trục cam, tức là kỳ của các xylanh trong động cơ để xác định thời điểm đánh lửa so với điểm chết trên (TDC) của mỗi xylanh

Các bộ phận để tạo xung (tín hiệu) G gồm:

- Rotor tín hiệu G có 4 cánh phát xung, được gắn vào trục của bộ chia điện và

quay 1 vòng khi trục khuỷu quay 2 vòng

- Cuộn phát xung G, được lắp bên trong vỏ của bộ chia điện

Rotor có 4 cánh phát xung và kích hoạt cuộn phát xung 4 lần trong mỗi vòng quay trục bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng xung như hình 2.6 Từ tín hiệu này, ECU nhận biết được piston nào gần điểm chết trên (TDC) để điều khiển đánh lửa

Xung (tín hiệu) NE được ECU động cơ sử dụng để nhận biết tốc độ động cơ Tín hiệu

NE được sinh ra trong cuộn phát xung nhờ cánh phát xung giống như khi tạo ra tín hiệu

G Chỉ có sự khác biệt duy nhất là rotor cảm biến NE có 24 cánh phát xung Nó kích hoạt cuộn phát xung 24 lần trong một vòng quay của trục bộ chia điện (tương ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ), tạo ra tín hiệu dạng xung như hình 2.7 Từ các tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết tốc độ đông cơ cũng như từng thay đổi 300 một của góc quay trục

khuỷu

Kiểu lắp ở đầu trục cam :

Hình 3.7: Cảm biến NE và xung tín hiệu

Cuộn phát Rotor cảm biến NE

Hình 3.6:Cảm biến G và xung tín hiệu

Cuộn phát xung Rotor G

Kết cấu và hoạt động của kiểu lắp ở đầu trục cam giống như kiểu lắp trong bộ chia điện, nhưng phía trên rotor cảm biến G không có con quay chia điện và nắp chia điện

Kiểu lắp trên trục cam và trục khuỷu:

So với các loại khác, cảm biến G và NE loại tách rời khác về vị trí lắp đặt của cảm biến, như trong hình 2.9 Tuy nhiên, chức năng cơ bản là giống nhau Chuyển động quay của cánh phát xung G trên trục cam và cánh phát xung NE trên trục khuỷu làm thay đổi khe hở không khí giữa các cánh phát xung và cuộn phát xung Sự thay đổi này tạo ra sự biến thiên của từ trường trong cuộn phát xung, làm xuất hiện các xung G và

NE theo nguyên lý cảm ứng từ điện đã nêu trên

Hình 3.9: Cảm biến G và NE loại tách rời

Cảm biến vị trí trục cam (G)

Hình 3.8 :Cảm biến G và NE

lắp ở trục cam

Hình 3.10:Cảm biến vị trí trục cam (G) và xung tín hiệu

Trên trục cam đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục cam có các cánh phát xung Số cánh phát xung là 1 hoặc 3 hoặc một số khác tùy theo kiểu động cơ ( trong hình 2.11 có 3 cánh phát xung)

Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE)

Hình 3.11: Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE) và xung tín hiệu

Trên trục khuỷu, đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục khuỷu có một rotor với 34 cánh phát xung chia đều trên chu vi và một khu vực có hai cánh khuyết Khu vực có 2 cánh khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu

nhưng nó không thể xác định xem đó là điểm chết trên (TDC) của chu kỳ nén hoặc của

kỳ xả ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục khuỷu ứng với điểm chết trên của xilanh số 1 Ngoài loại này, một số bộ cảm biến có rotor với 12, 24 cánh phát xung , và độ chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo số cánh phát xung Ví dụ: loại 12 cánh phát xung có độ chính xác về phát hiện góc trục khuỷu là 300

3.1.2 Cảm biến loại quang- điện

Cảm biến quang gồm hai loại, khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang :

- Loại sử dụng một cặp LED - photo transistor

- Loại sử dụng một cặp LED – photo diode

Phần tử phát quang (LED – lighting emission diode) và phần tử cảm quang (photo transistor hoặc photo diode ) được đặt trong một cụm bao kín (có thể lắp trong bộ chia điện hoặc lắp ở trục cam) Đĩa cảm biến (đĩa tạo xung) được gắn vào trục và có số rãnh

xẻ tùy theo loại động cơ (Hình 2.12)

Điểm đặc biệt của hai loại phần tử cảm quang này là khi có dòng ánh sáng chiếu vào,

nó sẽ trở nên dẫn điện và ngược lại Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng

Hình 3.12 : Nguyên lý làm việc của cảm biến quang

Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng từ LED (phần tử phát quang) chiếu rọi về phía phần tử cảm quang sẽ bị ngắt quãng tạo ra hiện tượng dẫn - ngắt điện và bộ phận chuẩn xung sẽ tạo ra các xung vuông

Hình dạng và vị trí của các rãnh xẻ trên đĩa cảm biến sẽ quyết định biên dạng xung Tùy từng hệ thống đánh lửa mà người ta thiết kế đĩa có các kiểu xẻ rãnh khác nhau (Hình 3.13)

Hình 3.13: Hình dạng đĩa cảm biến và xung tín hiệu

a : Đĩa cảm biến và hai xung đơn NE và G

b : Đĩa cảm biến và xung kép NE và TDC

Một số kiểu cảm biến quang- điện phổ biến trên thị trường

Kiểu lắp trong bộ chia điện

Hình 3.14: Cảm biến quang lắp trong bộ chia điện Kiểu lắp ở đầu trục cam

Hình 3.15: Cảm biến quang lắp ở đầu trục khuỷu

3.1.3 Cảm biến loại Hall

Một số loai cảm biến Hall (cảm biến tốc độ động cơ NE, cảm biến vị trí trục cam G,

cảm biến bướm ga, cảm biến chân ga, cảm biến tốc độ bánh xe …) dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Hall

Hiện tượng sau đây được gọi là hiệu ứng Hall (tên của người đã khám phá ra hiện tượng này) Một tấm bán dẫn loại n có kích thước như hình 2.16 được đặt trong từ trường đều sao cho vector cường độ từ trường B vuông góc với bề mặt của tấm bán dẫn Khi cho dòng điện Iv đi qua tấm bán dẫn có chiều từ trái qua phải, các hạt điện tử dịch chuyển với tốc độ V trong tấm bán dẫn sẽ bị tác dụng bởi lực Lawrence là tích có hướng của hai vector V và B và chiều hướng từ dưới lên trên

Trong đó: q là điện tích của hạt

Như vậy, dưới tác dụng của lực Lawrence, các hạt điện tử sẽ bị dịch lên phía trên của tấm bán dẫn khiến giữa hai bề mặt A1 và A2 xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu Sự xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu này tạo ra một điện trường E giữa hai bề mặt A1và A2, ngăn cản quá trình dịch chuyển của các hạt điện tử, do chúng bị tác dụng bởi lực

FL = FC ⇒ q E = q.B.v ⇒ E = B.v ⇒

a

UH = B.v ⇒ U H = B.v.a (3.1)

Từ định nghĩa cường độ dòng điện ta có

Iv = j.S hay : Iv = q.ρ.v.a.d

⇒ v =

d.a.v q

Iv

ρ (3.2) Trong đó:

- j : Vectơ mật độ dòng điện

- ρ : Mật độ của hạt điện tử

- d : Bề dầy của tấm bán dẫn

- a : Chiều cao của tấm bán dẫn

Thay (3.2) vào (3.1) ta được:

d q

I B

U H

ρ

=

Điện áp UH chỉ vào khoảng vài trăm mV Nếu dòng điện Iv được giữ không đổi

thì khi thay đổi từ trường B, điện thế UH sẽ thay đổi Sự thay đổi từ trường làm thay đổi

điện áp UH tạo ra các xung điện áp được ứng dụng trong cảm biến Hall

Để tạo ra cảm biến Hall người ta phải chế tạo IC Hall, đó là một mạch IC tổ hợp gồm

mạch ổn áp 5(V), mạch khếch đại tín hiệu Hall và mạch biến đổi xung đầu ra

Cảm biến Hall với kiểu lắp trong bộ chia điện hoặc lắp ở đầu trục cam, trục khủy và

trên đầu bánh đà có cấu trúc cơ bản như trên hình 2.17

Để chế tạo 1 cảm biến Hall lắp trong bộ chia điện thì IC Hall được gắn vào một khung dẫn từ và một nam châm vĩnh cửu cũng được gắn vào khung dẫn từ đối diện với

IC Hall cách nhau một khe hở đủ để cánh chắn từ (cánh phát xung) quay

Hoạt động của cảm biến Hall có thể tóm tắt như sau:

áp Hall rất nhỏ sẽ được khuyếch đại bởi OP- AMP để điều khiển Transistor, làm

Transistor dẫn (ON) Kết quả là đường dây tín hiệu Vra được thông với Mát E và điện

áp của tín hiệu ra sẽ bằng 0V

Khi cánh chắn từ nằm chắn khe hở giữa IC Hall và nam châm thì từ trường của nam châm vĩnh cửu bị cánh chắn, không tác động lên IC Hall làm Transistor ngắt (OFF), tín hiệu điện áp ở ngõ ra Vra là 5(V)

Xung của cảm biến Hall gửi về ECU có dạng xung vuông (hình 3.19)

Một số kiểu cảm biến Hall phổ biến trên thị trường

Kiểu lắp trong bộ chia điện :

Hình 3.18: Các trạng thái làm việc của cảm biến Hall

Hình 3.19:Cấu trúc mạch điện của

Kiểu lắp trên trục cam, trục khuỷu :

Hình 3.22: Cảm biến Hall lắp trên trục cam, trục khuỷu

3.3 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ÔTÔ(Vehicle Speed Sensor- VSS):

Cảm biến tốc độ ôtô dùng để báo tốc độ thực của xe.Cảm biến này truyền tín hiệu SPD đến ECU để điều khiển phun xăng, điều khiển số tự động điện tử (nếu có), điều khiển hệ thống treo, lái tự động Có 4 loại cảm biến tốc độ ôtô: Loại công tắc lưỡi gà, loại từ điện, loại quang điện, loại mạch từ trở MRE

3.2.1 Loại công tắc lưỡi gà

Hình 3.23: Cảm biến tốc độ ôtô loại công tắc lưỡi gà

Cảm biến này gồm một ống thủy tinh, trong đó lắp một cặp tiếp điểm nhiễm từ (được gọi là công tắc lưỡi gà) lắp cố định ở phía sau đồng hồ tốc độ ôtô (công tơ mét) Hai miếng nam châm được lắp trên một mâm quay và lắp vào trục cáp mềm của đồng hồ tốc

độ như trong hình 2.55 Khi ôtô chuyển động, dây cáp mềm của đồng hồ tốc độ truyền tốc độ quay lên đồng hồ và làm quay mâm nam châm, lực từ trường của các nam châm

Hình 3.21: Cảm biến Hall lắp trong bộ chia điện

tác động lên các tiếp điểm lưỡi gà làm cho công tắc lưỡi gà đóng và mở bốn lần trong mỗi vòng quay của cáp đồng hồ tốc độ và tạo ra chuỗi xung vuông 5 V hoặc 12 V (tùy vào nguồn điện áp cấp vào công tắc lưỡi gà)

3.2.2.Loại cảm biến từ điện

Nguyên lý hoạt động của cảm biến này giống như cảm biến đánh lửa loại từ điện

Cánh phát xung của cảm biến được lắp vào trục thứ cấp hộp số, cuộn phát xung được lắp trên vỏ hộp số và phát hiện tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số bằng cách tạo ra chuỗi xung xoay chiều tỷ lệ với vận tốc của ôtô

3.2.3 Loại cảm biến quang điện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến này cũng giống như cảm biến đánh lửa loại quang

Hình 3.25: Cảm biến tốc độ ôtô loại quang điện

Cảm biến này được đặt trong cụm đồng hồ ở bảng táplô và có cánh phát xung được xẻ

20 khe Xung vuông 5V hoặc 12V của cảm biến có tần số tỷ lệ với vận tốc của ôtô

3.2.4 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE

Hình 3.24: Cảm biến tốc độ ôtô loại từ điện