Thí nghiệm ô tô CAC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM

- Theo công dụng: o Loại để đo đại lượng cơ o Loại nhiệt o Loại quang o Loại hoá,… - Theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn: o Nhóm phát điện

Chương 2 Các loại cảm biến dùng trong thí nghiệm II.1 Phân loại cảm biến

Cảm biến là bộ phận dùng để nhận tín hiệu về trạng thái của đối tượng cần đo

và biến đổi nó thành tín hiệu tương ứng

- Theo công dụng:

o Loại để đo đại lượng cơ

o Loại nhiệt

o Loại quang

o Loại hoá,…

- Theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn:

o Nhóm phát điện, ở nhóm này các đại lượng không điện từ đối tượng cần đo được biến đổi thành sức điện động hoặc cường độ dòng điện

o Nhóm thông số, ở nhóm này đại lượng không điện từ đối tượng cần đo

sẽ làm thay đổi một hoặc vài thông số điện của cảm biến như điện trở

R, điện dung C, từ cảm L, … Trong thí nghiệm ô tô thương dùng cảm biến loại cơ để đo các đại lượng chuyển dịch, tốc độ, gia tốc, lực, áp suất và ứng suất

II.2 chọn cảm biến dùng trong thí nghiệm

Khi chọn cảm biến để đo một đại lượng nào đấy cần phải chú ý đến đặc tính của cảm biến và tính chất của đại lượng càn đo, gồm các vấn đề sau:

- Hàm số chỉ sự phụ thuộc giữa đại lượng cần đo x với tín hiệu phát ra từ cảm biến y: y = f(x)

Hàm số này tốt nhất là tuyến tính

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

- Độ nhạy tuyệt đối Sa và độ nhạy tương đối S của cảm biến:

o Độ nhạy tuyệt đối Sa y

x

Δ

= Δ

o Độ nhạy tương đối: S y / y

x / x

Δ

= Δ

- Sai số tĩnh và sai số động của cảm biến

- Sự nhạy của cảm biến với ảnh hưởng của bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, sự rung động,…sẽ gây nên các sai số phụ thêm

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

II.3 Cấu tạo vμ nguyên lý lμm việc của cảm biến

II.3.1 Cảm biến điện từ

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

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến cảm ứng từ 1- khung dây; 2 - nam châm vĩnh cửu; 3 - chổi than ; 4 - cổ góp;

N – cực Bắc; S – cực Nam

Khi khung dây điện quay từ thông đi qua khung dây điện sẽ thay đổi và sức

điện động e sinh ra ở hai đầu khung dây sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi từ thông đi qua khung dây

Sức điện động: e Wd

dt

∅

= ư Trong đó: W – số vòng dây của khung quay

d

dt

∅

- tốc độ thay đổi từ thông qua khung dây ∅ =B.l.τ

B – cảm ứng từ; L – chiều dài khung dây

D

2p

π

τ = ; D – là đường kính khung dây

Do có sự phụ thuộc trực tiếp của sức điện động bởi tốc độ cho nên cảm biến cảm ứng từ được dùng để đo tốc độ góc của các trục quay Trên nguyên lý này đã chế tạo những đồng hồ đo tốc độ góc để đo tốc độ góc các trục quay hoặc đo tốc độ chuyển động của ô tô Sức điện động được đo bằng von kế hoặc được ghi lại bằng máy ghi sóng

II.3.2 Cảm biến điện áp

Cấu tạo của cảm biến điện áp gồm hai tấm thạch anh 2 nằm giữa ba tấm kim loại 3 Các tấm thạch anh bị ép bởi lực P tác dụng qua vỏ 1, nắp 4 và hòn bi 5 Nhờ hòn bi mà lực truyền tới các tấm thạch anh được đều hơn Tấm kim loại giữa được nối với đầu dây dẫn 7 ra ngoài, dây này nằm trong ống cách điện 8 Nắp 4 và vỏ 1 được nối với nhau nhờ dây dẫn 6 để nối ra ngoài Các tấm thạch anh được đặt để cho mạch

điện ở dây dẫn 7 mang điện tích âm còn điện tích dương được truyền qua vỏ 1 và nắp

4 đến dây đẫn 6

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo cảm biến điện áp 1- Vỏ; 2 –tấm thạch anh; 3- Tấm kim loại; 4 - Nắp; 5 – Bi; 6 - Dây dẫn;

7 - Dây dẫn; 8 - ống cách điện

Điện lượng sinh ra trên tinh thể khi có lực P tác dụng được xác định: Q = k.P Trong đó: K –hằng số, xác định độ nhạy của cảm biến

P – lực tác dụng lên cảm biến

ưu điểm: có đường đặc tính tuyến tính giữa điện tích sinh ra và lực tác dụng, có hằng số k ổn định khi nhiệt độ dưới 3500, có độ cứng cao, có điện trở suất lớn, điều này rất thuận lợi để đo các quá trình va đập xảy ra trong thời gian ngắn Nhờ quán tính không lớn và có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao cho nên cảm biến thạch anh được dùng nhiều để đo áp suất trong động cơ đốt trong

II.3.3 Cảm biến điện cảm

Hình 2.3 Cảm biến điện cảm a)Loại đơn; b)Loại kép 1- lõi thép; 2- cuộn dây; 3- phần ứng

Cảm biến điện cảm làm việc theo nguyên lý cảm kháng của cảm biến thay đổi khi thay đổi đại lượng cần đo Cảm biến điện cảm gồm lõi thép 1, cuộn dây 2, và phần ứng 3 đặt cách lõi thép một khoảng hở δ Cuộn dây 2 được nối với dòng điện xoay chiều Khi thay đổi khoảng hở δ sẽ làm thay đổi điện cảm của dây 2, tức là làm thay

đổi cảm kháng của mạch điện và làm ảnh hưởng đến dòng xoay chiều đi trong mạch

điện Từ cảm thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở toàn bộ

Cảm biến điện cảm loại đơn có kết cấu đơn giản nhưng ít được sử dụngvì quan

hệ giữa khoảng hở δ và trở kháng toàn bộ của cuộn dây có dạng đường hypecbol và nó lại bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, bởi sự sự không ổn định của thế hiệu và tần số của nguồn điện

Để khắc phục các nhược điểm nói trên người ta chế tạo cảm biến điện cảm loại ghép (hay còn gọi là loại vi sai) Khi phần ứng 3 chuyển dịch sẽ làm thay đổi khe hở

δ1 và δ2 từ đó thay đổi từ cảm ở hai cuộn dây Cảm biến điện cảm loại vi sai có độ nhạy cảm gấp đôi so với loại đơn Đường dặc tính I = f(δ) có dạng tuyến tính trong phạm vi khe hở δ1 và δ2 thay đổi khá rộng

Cảm biến điện cảm được dùng để đo độ võng trục và nửa trục khi ngiên cứu độ cứng của cầu chủ động hoặc để đo lực ở móc kéo hoặc mô men quay ở các trục các

đăng

II.3.4 Cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung thay đổi tương ứng với sự thay đổi của tín ghiệu từ đối tượng đo

Hình 2.4 Cảm biến điện dung có diện tích thay đổi a)Loại phẳng; b)Loại hình trụ; c)Loại xoay

Cấu tạo của cảm biến điện dung loại phẳng gồm hai tấm 1 và 2 nằm cách nhau một khoảng d, diện tích tác dụng ban đầu của cảm biến S0 = 2Bh0 Khi có tín hiệu từ

đối tượng cần đo sẽ làm các tấm 1 và 2 dịch chuyển tương đối với nhau làm thay đổi

chiều cao h0 và diện tích tác dụng S0 Diện tích tác dụng S là S = B.h Khi thay đổi S

làm cho điện dung C thay đổi theo: C S

d

ε

= Trong đó: ε - độ thẩm thấu điện môi tưong đối, nếu môi trường giữa các tấm

là không khí thì ε = 1

S – diện tích tác dụng của các tấm 1 và 2 của cảm biến

D - chiều dầy điện môi (hay khe hở giữa các tấm 1 và 2

của cảm biến)

Ta thấy quan hệ C = f(S) là hàm số tuyến tính Điện dung C thay đổi sẽ làm thay đổi dòng điện I ở trong mạch đo, do đó ta có thể dùng điện dung loại phẳng để đo chuyển dịch

Để đo chuyển dịch còn dùng cảm biến điện dung loại hình trụ đồng tâm 1 và 2

có thể dịch chuyển tương đối với nhau Điện dung của cảm biến loại hình trụ được xác

định:

ng

tr

2 l C

D ln D

π ε

=

Trong đó: Dng – là đường kính của trụ ngoài

Dtr - đường kính của trụ trong

L – chiều dài tác dụng hai trụ 1 và 2

Quan hệ C = f(l) là hàm số tuyến tính Do đó, có thể dùng cảm biến điện dung loại trụ để đo chuyển dịch Khi l thay đổi sẽ làm cho C thay đổi dẫn đến thay đổi dòng

điện I trên mạch đo

Trong trường hợp cần đo góc quay của đối tượng đo người ta có thể dùng cảm biến điện dung loại xoay Điện dung C của cảm biến điện dung loại xoay tỷ lệ thuận với góc xoay tác dụng ϕ của cảm biến C = f(ϕ) là hàm tuyến tính

2

o r C

360.D

ε π

Trong đó: r-bán kính trong

D- đường kính ngoài

II.3.5 Cảm biến từ đàn hồi

Cảm biến từ đàn hồi làm việc theo nguyên lý thay đổi cảm ứng từ của vật sắt từ khi có lực tác dụng lên cảm biến

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến từ đàn hồi

1,2-cuộn dây điện; 3- lõi thép

ở cảm biến từ đàn hồi (2.5a) và (2.5b) trên lõi sắt từ 3 có quấn một cuộn dây

điện 1 Khi có lực P tác dụng lên lõi 3 thì độ cảm ứng từ của lõi sẽ thay đổi làm thay

đổi tổng trở Z của cuộn dây Z = f(P) ở cảm biến từ đàn hồi (2.5.c) và (2.5.d) trên lõi sắt 3 có hai cuộn dây điện 1 và 2 ở cuộn dây 1 có số vòng quay W1 đ−ợc cung cấp

điện thế U1 không đổi ở cuộn dây 2 có số vòng quay W2 sẽ có điện thế đi ra là U2

Khi tác dụng lên lõi 3 một lực P sẽ làm cho độ cảm ứng từ của lõi thay đổi và từ đó làm thay đổi điện thế U2 ở mạch ra U2 = f(P)

Trên hình 2.5e là sơ đồ kết cấu cảm biến từ đàn hồi có dạng hình lập phương ở lõi 3 của cảm biến có khoan bốn lõ để đặt các cuộn dây 1 có số vòng ω1 và 2 có số vòng ω2 Các lỗ này được khoan theo vị trí như trên hình nhằm đảm bảo các mặt phẳng của cuộn dây cắt nhau dưới một góc 900 và tạo thành với đường trục của cảm biến một góc 450 Do cách bố trí các cuộn dây như vậy cho nên khi không có lực tác dụng lên lõi 3 thì ở mạch ra điện thế sẽ bằng không (U2 = 0) mặc dù ở cuộn dây 1 có

điện thế dòng điện xoay chiều U1 Còn khi có lực P tác dụng vào lõi 3 thì từ trường sinh ra ở cuộn dây thứ nhất sẽ bị lệch đi và ôm được cuộn dây thứ hai, và ở mạch điện

ra có thế điện U2 Lực P tác dụng càng lớn thì điện thế U2 càng tăng U2 = f(P)

Cảm biến từ đàn hồi dùng để đo lực và ứng suất trong các chi tiết

II.3.6 Cảm biến dây điện trở

Cảm biến dây điện trở được chế tạo bằng dây điện trở nhỏ có đường kính 0,02 – 0,04 (mm) được uốn nhiều lần và được dán lên trên giấy hoặc trên lớp nhựa mỏng ở hai đầu cuối có gắn các dây nối ra

Hình 2.6 Cảm biến dây điện trở loại dây tiết diện tròn

Để đo biến dạng người ta dán cảm biến lên bề mặt của chi tiết bằng một thứ keo

đặc biệt, nhờ thế dây điện trở của cảm biến sẽ bị biến dạng khi chi tiết bị biến dạng và

sẽ làm thay đổi kích thước hình học của sợi dây điện trở (chiều dài và diện tích tiết diện ngang), qua đó làm thay đổi tính chất vật lý của dây điện trở (điện trơ suất) Khi

điện trở của cảm biến thay đổi sẽ làm thay đổi dòng điện trong mạch tương ứng

Điện trở của dây điện trở xác định:

= ρ l R S Trong đó: R- điện trở

ρ - điện trở suất

l – chiều dài

S – diện tích tiết diện

Khi biến dạng phương trình biến dạng: =ρ ư ρ +

2

dR dl dS d

Nhưng = π =

π

2 2

dS d( r ) dr

2

r – bán kính của tiết diện dây

Ta có dr = ưμdl

μ-hệ số Poatxong

= ư μ

2

điện trở suất phụ thuộc bởi biến dạng dọc của dây theo phương trình Đê – pho –

ret: ρ = ν

ρ

l l

ν - hệ số thay đổi điện trở suất của dây

ΔR = Δl k

= + μ + ν = R l