Tài liệu Luận văn: Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khi ô tô pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khó ô tô GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 1 12/8/2007 CHNG 1 PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT 1.1 Gii thiu chung Ngày nay, cm bin là thit b c s dng rt ph bin trong tt c các thit b, t  dùng trong gia ình cho n các thit b tiên tin và trong ó có c ngành công nghip ô tô. Vì vy nghiên cu v cm bin  ng dng nó cách hiu qu là vn  ang c quan tâm c bit. 1.1.1 Công dng cm bin Cm bin là thit b chu tác ng ca i lng cn o không có tính cht in  u vào ký hiu là m và cho  u ra mt i lng mang bn cht in có th o c ký hiu là s. i lng in s là hàm ca i lng cn o m: s = F(m) 1.1.2 Phân loi Cm bin c phân loi theo nhiu cách: 1. Theo nguyên lý chuyn i Nguyên lý chuyn i vt lý; Nguyên lý chuyn i hóa h c; Nguyên lý chuyn i sinh h c. 2. Theo thông s! ca mô hình mch thay th Cm bin tích c"c: u ra là ngun áp hoc ngun dòng; Cm bin th ng: c trng bi các thông s! R,C,L…tuyn tính hay phi tuyn tính. 3. Theo tín hiu kích thích Cm bin quang in; Cm bin nhit in; Cm bin v trí, khong cách; Cm bin vn t!c, gia t!c; Cm bin o l#ng, th tích cht lu; Cm bin in hóa; Cm bin t; Cm bin l"c. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 2 12/8/2007 1.1.3 Yêu cu Phân tích c$ s lý thuyt và mô ph%ng hot ng mt s! cm bin s dng trong ngành c$ khí ô tô. 1.2 Mc tiêu  tài Phân tích c$ s lý thuyt và nguyên lý hot ng ca các cm bin. &ng dng ca các cm bin trong ngành c$ khí. Mô ph%ng hot ng, kim tra các cm bin ã ch n. Kt lun –  xut. 1.3 Gii hn  tài Vì th#i gian  th"c hin  án không cho phép nên  án ch' gi(i hn trong các cm bin sau: Cm bin vn t!c, lu lng, áp sut và mc cht lu. Cm bin o chân không,  )m và in hoá. Cm bin o bc x ht nhân và thành phn khí. 1.4 C s lý thuyt các loi cm bin nghiên cu trong  tài 1.4.1 Cm bin o vn tc, lu lng và mc cht lu Cht lu là các môi tr#ng vt cht  dng l%ng hoc khí tn ti d(i nh*ng iu kin nhit , áp sut và th tích c xác nh bi các nh lut nhit ng h c. D(i tác dng ca l"c bên ngoài, thí d s" chênh lch áp sut, cht lu có th chuyn ng. Nghiên cu chuyn ng này là !i tng ca c$ h c cht lu. L+nh v"c ng dng ca cht lu bao gm: hàng không, khí tng h c, sinh lý h c.  áp ng các l+nh v"c ng dng a dng này, các cm bin o vn t!c, lu lng và mc cht lu ca cht lu c,ng rt a dng c v cu to và ph$ng pháp o. 1.4.1.1 c trng ca dòng chy Chuyn ng ca cht lu c t trng bi dòng chy. Trên th"c t mu!n mô t vt lý mt dòng chy ca mt cht lu cn phi o vn t!c, kh!i lng riêng, áp sut và nhit   các im khác nhau ca cht lu ó. Nh*ng c tính khác ca cht lu nh  nh(t,  khuych tán nhit, nhit lng riêng… c coi là không i. Dòng chy có th là mt pha hoc nhiu pha. Các dòng chy nhiu pha th#ng có bn cht rt khác nhau: có th là t hp ca các pha h$i, khí, l%ng, thí d nh s" hình thành các lung khí do gió gây nên hoc tr#ng hp các lung khói b!c lên t nh*ng ám cháy. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 3 12/8/2007 Tính cht vt lý ca dòng chy ti mt im có th thay i hoc không thay i theo th#i gian. Khi tính cht vt lý ca dòng chy ti mt im không thay i thì ó là dòng chy theo l(p, ngc li, nu chúng thay i thì ó là dòng chy r!i.  thun li cho vic mô t và c bit là cho vic so sánh gi*a các dòng chy khác nhau, trong c$ h c cht lu thòng s dng các i lng không th nguyên, iu này cho phép gim s! thông s! ca dòng chy. Trng hp dòng chy không nén và ng nhit: Tr#ng hp này (kh!i lng riêng và nhit  không i) thì ch' cn mt thông s! không th nguyên c,ng   xác nh dòng chy, ó là thông s! Reynolds Re: Re = UD/- (1.1) V(i : U – vn t!c c trng ca dòng chy, trong tr#ng hp !ng thì vn t!c trung bình ca dòng chy U = Q/S; D – kích th(c c trng (trong tr#ng hp !ng, D là #ng kính); Q – lu lng th tích; S – tit din !ng;  nh(t ng h c. !i v(i nh*ng iu kin gi(i hn hoàn toàn gi!ng nhau v hình h c, hai dòng chy không nén và .ng nhit c coi là gi!ng nhau nu chúng có thông s! Reynolds b/ng nhau. Thí d: xét hai dòng chy trong hai !ng có  nhám b mt phía trong thành !ng nh nhau và #ng kính t$ng ng b/ng D 1 và D 2 . Vn t!c dòng chy (lu lng) là U 1 , U 2 và  nh(t là - 1 ,- 2 .  tho mãn iu kin Re 1 = Re 2 thì: 2 22 1 11 νν DUDU = (1.2) Nh vy, nu bit vn t!c u 1  im cách thành !ng ca !ng th nht mt khong x 1 thì có th xác nh vn t!c u 2  thành !ng ca !ng th hai mt khong x 2 = x 1 (D 2 /D 1 ) t biu thc: 2 2 1 1 U u U u = (1.3) C,ng nh vy, có th coi u 1 /U 1 là hàm ca s! Reynolds: ( ) Re 1 1 f U u = (1.4) GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 4 12/8/2007 Ngh+a là mt cách tng quát, m0i i lng không th nguyên liên quan n dòng chy u có th biu di1n d(i dng hàm s! ph thuc vào s! Reynolds ca dòng chy ó. Dòng chy mt pha có th là dòng chy theo l(p hoc dòng r!i, iu này ph thuc vào s! Reynolds. Trong mt #ng !ng d2n có tit din tròn, dòng chy tr thành dòng r!i nu có s! Reynolds l(n h$n 220. Trong tr#ng hp phc tp h$n khi nhit  và kh!i lng riêng thay i, s! thông s! cn thit  mô t mt i lng A b sung s3 t4ng lên. Thí d, v(i cht khí có vn t!c l(n: A = f(Re,Ma) (1.5) Trong ó M a = U 1 /c, c = 5rT là vn t!c âm v(i 5 = Cp/Cv (t6 s! gi*a nhit dung riêng  áp sut không i và th tích c! nh, trong không khí 5 =1,4). r là h/ng s! ca cht khí lý tng và T là nhit  tuyt !i. Trên th"c t, các cm bin d"a trên mt nguyên t7c hot ng nhng v k8 thut thì không gi!ng nhau khi dùng cho dòng chy là cht khí hoc cht l%ng. Trong bng 1.1 gi(i thiu mt s! im khác nhau ca hai môi tr#ng này. Bng 1.1 Kh!i lng riêng 9  nh(t : T!c  chy Cht l%ng Không i t 800 n 1000 kg/m 3 PI 4 101÷≈ smU /2000 ≤ ≤ Cht khí Ph thuc vào T và P, !i v(i không khí  nhit  phòng 3 /1 mkg≈ ρ PI 5 10≈ PI: posieuille smU /2000 ≤ ≤ 1.4.1.2 Cm bin và phng pháp o vn tc ca cht lu Vn t!c ca các cht lu th#ng c o gián tip thông qua nh hng ca nó n các c trng vt lý ca vt trung gian hoc n hin tng vt lý trong ó vn t!c là mt thông s! và vt trung gian là n$i xy ra hin tng. Vt trung gian có th chính là cht lu hoc mt phn t cu thành ca cm bin. Khi vt trung gian là bn thân cht lu, vn t!c ca nó xác nh áp sut ng 9U 2 /2, hiu ng Doppler tác ng bi laze hoc siêu âm và th#i gian truyn qua ca mt ng v phóng x. Trong tr#ng hp này phi s dng các cm bin thích hp v(i i lng o là áp sut, ánh sáng, siêu âm, tia phóng x. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 5 12/8/2007 Khi vt trung gian là mt phn t ca cm bin t trong cht lu, vn t!c ca cht lu s3 xác nh mt trong các c trng vt lý nh nhit  ca dây d2n t trong cht lu và nuôi b/ng dòng mt chiu, hoc t!c  quay ca mt chong chóng hoc bánh xe t trong cht lu. a) Phong k dây và phong k màng mng  Nguyên tc hot ng Khi t trong dòng chy mt dây d2n hoc mt màng m%ng có nhit  cao h$n nhit  ca cht lu thì s3 xy ra s" trao i nhit !i lu. S" trao i nhit ph thuc vào tính cht vt lý ca dòng chy, vn t!c ca cht lu và s" chênh lch nhit  gi*a phn t nóng và cht lu. Nhit  cân b/ng T 0 ca dây hoc màng (cm bin) xác nh b/ng cách o in tr R ca chúng. in tr này ph thuc vào nhit lng Joule t%a ra và vn t!c ca cht lu. Trên hình 1.1 biu di1n các dng dây d2n và các loi màng m%ng th#ng s dng  o vn t!c dòng chy. Các kim loi dùng cho mc ích này cn có h s! nhit in tr R cao. Thí d:  o vn t!c dòng chy trong cht khí dùng dây platin và wonfram có #ng kính 0,6µm< D < 10mµ, trong cht l%ng dùng màng m%ng platin. Công sut Pj t%a ra trên in tr  nhit  T s3 b/ng: Pj = R(T). 2 Ι (1.6) Trong ó I là dòng mt chiu chy qua in tr R. Hình 1.1 Các dng dây dn và màng mng dùng  o vn tc dòng chy. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 6 12/8/2007 Nu gi thit s" trao i nhit ch' xy ra do hin tng !i lu ca cht lu  nhit  T a thì công sut trao i c biu di1n bi biu thc: P c = h.S l .(T – T a ) (1.7) Trong ó h là h s! trao i nhit và S l là din tích mt xung quanh ca cm bin. !i v(i dây d2n S l = ;Dl, D là #ng kính và l là chiu dài. !i v(i màng m%ng S l = 2;Dl, D là chiu rng và l là chiu dài. Khi có cân b/ng nhit, P j = P c , ngh+a là: ( ) ( ) aL TTShITR −= 2 (1.8) Vn t!c U ca cht lu liên quan n h s! trao i nhit. Nhiu công thc th"c nghim ã c a ra  phn ánh m!i liên h này, thí d công thc ca King: Ubah += (1.9) Trong ó a,b là các h/ng s! ph thuc vào cht lu và cm bin. Nu s dng biu thc ca King ta s3 có: ( ) ( ) ( ) a TTUBAITR −+= 2 (1.10) Trong ó A = a.S l và B = b.S l .  S  o 1. Ch  dòng không i Trong tr#ng hp này dòng chy qua dây d2n c gi*  giá tr không i I = const (b/ng cách dùng ngun dòng). Vì công sut nhit trao i ph thuc vào vn t!c U nên nu U thay i thì nhit  c,ng thay i theo. Mc khác in tr R ph thuc vào nhit , ngh+a là in áp u ra c,ng ph thuc vào nhit . S$  nguyên lý mch o dùng dòng không i c biu di1n trên hình 1.2. Hình 1.2 S  o trong ch  dòng không i. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 7 12/8/2007 Do dây d2n có nhit dung nht nh nên s3 phát sinh mt h/ng s! th#i gian. Trong mch này có ghép thêm mt phn t bù tr quán tính nhit  ci thin th#i gian áp ng. 2. Ch  nhit  không i Trong tr#ng hp này nhit  (và do ó in tr) c gi* không i. S$  o biu di1n trên hình 1.3. Trong s$  nhit  không i, cm bin óng vai trò là mt nhánh ca cu Wheatstone. Dòng in cn thit  cân b/ng cu ph thuc vào vn t!c ca cht lu. Dùng s$  trên ây có u im là quán tính nhit nh% h$n tr#ng hp dùng dòng không i. b) Phong k ion Có nhiu loi cm bin o t!c  gió trên c$ s o dòng ion, chúng khác nhau ch yu v hình dng. Trên hình 1.4 biu di1n s$  nguyên lý ca mt cm bin o t!c  gió b/ng cách o dòng ion. A4 A2(I2) A1(I1) A3 2A 0A 1 I( u Hình 1.4 Phong k ion: a) nguyên lý cu to; b) mch o.     Hình 1.3 S  o trong ch  nhit  không i.           U I 1 I 2 GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 8 12/8/2007 u o gm mt dây d2n có in th cao, xung quanh nó là b!n in c"c góp. Dây d2n c t sao cho h(ng ca nó vuông góc v(i h(ng ca dòng chy. Trong không khí  gn si dây cao áp luôn có các ion, thí d ion (H 2 O) n H + . T!c  di chuyn ca các ion này gi*a các in c"c t6 l v(i  l(n ca in tr#ng. Khi không khí ng yên, dòng in o  các in c"c b/ng nhau. Khi không khí chuyn ng v(i vn t!c U, h tr nên bt !i xng. Hiu s! dòng in (I 1 – I 2 ) ca mt cp in c"c A 1 và A 2 liên quan n hình chiu ca U trên #ng th.ng A 1 A 2 , trong khi ó tng (I 1 + I 2 ) hu nh không i.  nhy S ca cm bin là hàm ca thông s! <: U S ∆ ∆ = σ (1.11) Trong ó < là thông s! c vit d(i dng: 21 21 II II + − = σ (1.12) Phong k ion c s dng  o t!c  gió có giá tr n/m trong khong t 0 n 10 m/s. Trong vùng giá tr này ca t!c , áp ng ca cm bin c coi là tuyn tính. !i v(i dây #ng kính 100 :m dài 2 cm c bao quanh bi các in c"c góp #ng kính 1,2cm và n/m cách dây mt khong b/ng 1 cm,  t c  tuyn tính cao, cn t in áp khong 6000 V trên dây d2n. Dòng in trong in c"c góp t t(i 1,5 :A,  nhy c= 0,04 m/s. c) Phong k dùng chén bán cu và cánh qut  Phong k dùng chén bán cu Hình dng ca phong k dùng chén bán cu biu di1n trên hình 1.5. Phong k bán cu có cu to gm t 3 n 4 chén bán cu c g7n vào cánh tay òn  có th quay quanh mt trc. Khi t máy o trong dòng chy, các chén bán cu s3 quay quanh trc ca máy o bi vì h s! sc cn ca mt tr(c (mt lõm) và mt sau bán cu (mt li) khác nhau. GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 9 12/8/2007  tìm ph$ng trình cân b/ng ta xét hai bán cu 1 và 3 t vuông góc v(i vn t!c U ca dòng chy và coi l"c tác dng lên hai bán cu 2 và 4 là nh nhau. Các bán cu 1 và 3 có vn t!c th.ng v  và - v  ,  th#i im ang xét chung cùng h(ng v(i vn t!c U  ca dòng chy. L"c cn !i v(i các bán cu: ( ) 2 1 2 1 νρ −= USCF X (1.13) ( ) 2 3 2 1 νρ − ′ = USCF X (1.14) Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu, C x và C ’ x là h s! l"c cn !i v(i hai mt cu, S là din tích ca mt cn chính ca bán cu (din tích hình chiu ca bán cu trên mt ph.ng vuông góc v(i vn t!c U  ). T biu thc trên rút ra: ( ) ( ) 22 νν + ′ =− UCUC X X (1.15) Do ó: XX XX CC CC U ′ − ′ + = ν (1.16) Minh h a b/ng s!: C X = 1,42; C ’ x = 0,38; U = 3,1       Hình 1.5 Phong k dùng chén bán cu: a) loi 3 chén bán cu; b) s  b trí ca loi 4 chén bán cu.     [...]... ch t khí (g i chung là ch t l u) vào trong m t bình ch a nó s3 gây nên l"c tác d ng lên thành bình g i là áp su t Áp su t này ph thu c vào b n ch t c a ch t l u, th tích mà nó chi m tr (c và sau khi a vào bình và vào nhi t Áp su t p c a ch t l u c a thành bình: c xác nh t l"c dF tác d ng vuông góc lên di n tích ds Ρ= Th $ng s! này không ph thu c vào vào v trí c a nó trong ch t l u dF ds (2.1) nh h... c th ch anh và c u!n d ng lò so xo7n !c Ph n trong c a !ng c n!i thông v(i th tích c n o áp su t, phía ngoài c a !ng là không khí ho c môi tr #ng khép kín có áp su t không i ã bi t tr (c (g i là áp su t chu)n hay áp su t so sánh) N u môi tr #ng bên ngoài là !ng chân không (~10-1 Pa) thì c m bi n c g i là c m bi n áp su t tuy t !i Nguyên lý o nh sau: s" chênh l ch áp su t bên ngoài và bên trong !ng làm... t th p h$n, t 2.10-4 ÷ 2.105 Pa v(i sai l ch tuy n tính -6 ~0,5% và phân gi i 10 , th#i gian áp ng n/m trong kho ng 20 ÷ 50 µs &u i m c a các u o chân không dùng c m bi n áp tr là có th s d ng chúng trong môi tr #ng 4n mòn o áp su t tuy t !i ho c áp su t t $ng !i Th tích ch t và th tích ng c a chúng nh%, th tích ch t c= vài cm3 và th tích ng c= ph n m #i mm3 C m bi n t i n C u t o c a c m bi n t i... u bán kính gi m tr c$ h c Màng này óng vai trò là m t i n c"c và ng4n cách hai môi tr #ng (môi tr #ng c n o áp su t px và môi tr #ng có áp su t chu)n pr so sánh), hai b n i n c"c A1 và A2 t trong hai môi tr #ng khác nhau và !i x ng nhau qua M (hình 1.24a) M A2 A1 +e es Pr D0 D0 Px -e C2 Vm b) a) Hình 1.24 C m bi n t C1 i n: a) s nguyên lý; b) m ch o S" bi n d ng c a màng d (i tác d ng c a chênh l ch... bi n !i x ng là ch0 trong tr #ng h p o áp su t c a môi tr #ng 4n mòn, i n c"c có th b h%ng Ngoài ra, ho t ng c a c m bi n có th b sai l ch n u nh trong môi tr #ng o xu t hi n ch t khí có d2n cao Vì hai lý do trên, ng #i ta a ra m t c u trúc khác trong ó c hai t C1 và C2 u n/m trong cùng m t môi tr #ng (hình 1.25) A2 M A1 Pr Hình 1.25 C m bi n t Px i n dùng hai b n c c không i x ng Trong tr #ng h p này,... ch t l u trong bình ch a pháp này là h/ng s! i n môi c a ch t l u ph khí, thông th #ng là g p ôi ph n ng p và không khí ph n khô i n dung c a t i n i n dung này i u ki n c n thi t áp d ng ph $ng i l(n h$n h/ng s! i n môi c a không Trong tr #ng h p ch t l u d2n i n, ch' c n s d ng m t i n c"c bên ngoài có ph v t li u cách i n, l(p ph óng vai trò l(p i n môi c a t , còn i n c"c th hai chính là ch t l u... gi*a, hai c m bi n nhi t o T1 th ng ngu n ( u vào) và T2 h l u ( u ra) c t hai phía c a s i !t và !i x ng v(i nhau qua s i !t Khi không có dòng ch y l u l ng b/ng không (Q = 0), s" truy n nhi t ra hai phía c a s i !t là nh nhau, hi u ng nung nóng s3 !i x ng và trong tr #ng h p này T1 = T2 Khi l u l ng khác không, T1 gi m và T2 t4ng S" khác nhau gi*a T1 và T2 (DT = T1- T2) t6 l v(i l u l ng Q Trên hình... tuy n tính và tr n/m trong kho ng t ± 0,2 n ± 2% c a d i o, phân gi i t!t h$n 0,1% và chính xác t 0,1 n 0,5% nhanh ph thu c vào t n s! riêng c a màng T n s! này ph thu c vào #ng kính và b dày c a màng và thay i trong kho ng t 50 kHz n 1 MHz &u i m c a c m bi n lo i này là tín hi u ra t $ng !i l(n, kích th (c nh% và kh!i l ng không áng k Trên th"c t có th ch t o các màng có #ng kính c= mm, không nh y... U l dt (1.22) Khi U vuông góc v(i l và B vuông góc v(i m t ph.ng t o b i l và U ta có: e = B l U (1.23) Công th c này có th t ng quát hóa cho tr #ng h p ch t l u d2n i n ch y trong #ng !ng #ng kính D có v n t!c U vuông góc v(i B : su t i n ng c m ng d c theo #ng kính vuông góc v(i U và B có d ng: e = BDU (1.24) Trên th"c t v n t!c thay i tu> v trí c a i m trên bán kính !ng, nh ng nó phân b! !i x ng... Trong tr #ng h p này, hai i n dung C1 và C2 thay i cùng chi u, tuy nhiên s" thay i c a chúng không nh nhau vì các b n c"c A1 và A2 c b! trí không !i x ng v(i tr c c a màng Tín hi u i n t $ng ng v(i s" thay i khác nhau c a C1 và C2 không ph thu c vào h/ng s! i n môi c a ch t khí, ngay c trong i u ki n áp su t cao, )m l(n, ho c có h$i c a ch t h*u c$, ch t b ion hóa và phóng x SVTH: HU NH H U LONG 35 . VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khó ô. cu Phân tích c$ s lý thuyt và mô ph%ng hot ng mt s! cm bin s dng trong ngành c$ khí ô tô. 1.2 Mc tiêu  tài Phân tích c$ s lý thuyt và