Phân tích cơ sở lí thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong ngành cơ khí ô tô

Tài liệu tham khảo Phân tích cơ sở lí thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong ngành cơ khí 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 1I( 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.   GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG 10 12/8/2007  u o gió dùng cánh qut (chong chóng) u o gió dùng cánh qut biu di1n trên hình 1.6. Trc ca u o c t song song v(i h(ng ca t!c  dòng chy. Nu b% qua ma sát thì có th coi nh cánh qut (b/ng mt cách nào ó) c g7n vào dòng chy, khi ó: U = h. N (1.17) Trong ó U là vn t!c, N là s! vòng quay và h là h/ng s! ca u o. Nu tính n ma sát và ng=ng khi ng thì biu thc ca t!c  gió s3 là: U = a + bN (1.18) Các h/ng s! a và b c trng cho cánh qut và cht lu.  m c s! vòng quay ca cánh qut ng#i ta dùng mt trong ba cách d(i ây: Dùng mt nam châm nh% g7n trên cánh qut, khi cánh qut quay nam châm i qua cun dây và gây nên xung in. m s! xung theo th#i gian s3 tính c t!c  quay ca cánh qut. Dùng cm bin quang in: khi cánh qut quay nó s3 che ánh sáng, to nên xung in. Dùng mch o thích hp  o tng s! hoc in áp. Tr(c khi o phi chu)n u o b/ng mt trong hai cách: t u o trong dòng chy có vn t!c ã bit tr(c hoc di chuyn u o v(i t!c  quy nh tr(c trong n(c ng yên. Phm vi o ca u o cánh qut khác nhau !i v(i các cht lu. Trong không khí di o n/m trong khong t 0,1 ên 30 m/s, trong cht l%ng t 0,05 n 10 m/s. Hình 1.6 o tc  gió bng u o chong chóng. [...]... 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... ch t l%ng ho c 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 $ng s! này không ph thu c vào vào v trí c a nó trong ch t l u dF... ch n u nh trong môi tr #ng o xu t hi n ch t khí có d2n cao Vì hai lý do trên, ng #i ta a ra m t c u trúc khác trong ó c hai t C1 và C2 u n/m trong cùng m t môi tr #ng (hình 1.25) A2 M A1 Pr Hình 1.25 C m bi n t Px i n dùng hai b n c c không i x ng Trong tr #ng h p này, hai i n dung C1 và C2 thay i cùng chi u, tuy nhiên s" thay i c a chúng không nh nhau vì các b n c"c A1 và A2 c b! trí không !i x ng... t th p h$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 $ng !i Th tích ch t và th tích ng c a chúng nh%, th tích ch t c= vài cm3 và th tích ng c= ph n m #i mm3 C m bi n t i n C u t o c a c m bi n t i... c th ch anh và c u!n d ng lò so xo7n !c Ph n trong c a !ng c n!i thông v(i th tích c n o áp su t, phía ngoài c a !ng là không khí ho c môi tr #ng khép kín có áp su t không i ã bi t tr (c (g i là áp su t chu)n hay áp su t so sánh) N u môi tr #ng bên ngoài là !ng chân không (~10-1 Pa) thì c m bi n c g i là c m bi n áp su t tuy t !i Nguyên lý o nh sau: s" chênh l ch áp su t bên ngoài và bên trong !ng làm... t màng M hình tròn làm b/ng kim lo i ph.ng, c c4ng theo chi u bán kính gi m tr c$ 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;... ng Joule t trong m t !ng hình tr ng tâm, m t ngoài !ng ti p xúc v(i môi tr #ng và th tích bên trong c a !ng thông v(i áp su t c n o (hình 1.26) Nhi t c a s i !t ph thu c ch y u vào s" m t nhi t do d2n nhi t trong ch t khí S" m t nhi t này càng l(n khi áp su t càng cao Trên th"c t , công su t cung c p cho s i !t c gi* không i, vì v y vi c o nhi t c a dây cho phép xác nh áp su t c a ch t khí Nhi t c... 1.4.3.1 D i chân không và các lo i chân không k Theo truy n th!ng ng #i ta chia chân không thành b!n d i t $ng $ng v(i b!n vùng áp su t Trong m0i d i, m t s! c tr ng và tính ch t c a ch t khí có th thay i khác nhau T $ng ng v(i m0i d i chân không có m t lo i c m bi n d"a trên m t tính ch t c bi t c a ch t khí trong d i ó Trong b ng li t kê các d i áp su t chân không Các c m bi n o chân không c chia thành... tr ng i n c a ch t khí B ng 1.3 Chân không Chân không Chân không th p trung bình cao siêu cao Pa 105- 102 102- 10-4 10-4- 10-5