BÀI GIẢNG môn HỌC CẢM BIẾN VÀ cơ cấu CHẤP HÀNH

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 trang bị số lượng lớn cảm biến Chúng coi tập hợp thống cảm biến Các cảm biến biến đổi đại lượng hoá lý thành đại lượng điện cần thiết cho ECU ô tô thực việc điều khiển động cơ, điều khiển hệ thống an toàn, tiện nghi 1.1 Định nghĩa cảm biến Cảm biến có nghĩa thăm dị chuyển đổi giá trị Nó chuyển đổi dạng đại lượng hố lý (đại lượng khơng điện) gọi đầu vào với yếu tố gây nhiễu đại lượng điện như: điện áp, dòng điện, tần số, xung… thành đại lượng đầu -một Hình 1.1 Chức cảm biến Hình 1.2 Biểu tượng cảm biến Một cảm biến xác định với thông số sau: - Tín hiệu đầu vào: - Đại lượng cần đo: Cảm biến có chức xử lý tín hiệu không 1.2 Ứng dụng cảm biến ô tô Cảm biến cấu chấp hành hình thành lên giao diện tơ với tính phức hợp lái, phanh, treo, khung vỏ… chức dẫn hưỡng định vị Các tín hiệu phải xử lý mạch xử lý tín hiệu để đưa dạng tiêu chuẩn yêu cầu ECU Hình 1.3 Cảm biến tơ Các mạch xử lý tín hiệu chế tạo riêng cho cảm biến cụ thể tương thích với ô tô cụ thể Bộ xử lý ô tơ xử lý phức hợp tín hiệu với tín hiệu từ ECU liên kết việc điều khiển người lái Bộ phận hiển thị thông tin cho người lái trạng thái hoạt động tồn q trình Dưới tổng quát hệ thống điện tử ô tô Và cịn tăng thêm nhanh chóng năm tới Hình 1.4 Tổng quát hệ thống điện tử ô tô 1.3 Sự phân loại cảm biến Các cảm biến tơ phân chia thành ba kiểu: + Kiểu thị/hành động + Kiểu tín hiệu liên tục + Kiểu tín hiệu dạng xung 1.3.1 Kiểu thị/hành động: Các cảm biến kiểu lại phân chia theo hai nhóm: + Nhóm cảm biến có chức phát trạng thái đóng/mở + Nhóm cảm biến an tồn hay chống trộm + Nhóm cảm biến theo dõi nhiên liệu, độ mịn hay thơng tin người lái/hành khách 1.3.2 Kiểu tín hiệu liên tục: Kiểu phân chia thành nhóm sau: + Tín hiệu liên tục, tuyến tính: Nhóm thích hợp cho dải đo rộng + Tín hiệu liên tục, khơng tuyến tính: Nhóm thường sử dụng cho phạm vi đo hẹp (ví dụ tỷ lệ hồ khí, độ võng lị xo…) + Tín hiệu không liên tục, dạng 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: Dịng 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 cảm biến 1.4.1 Hàm truyền Quan hệ đáp ứng kích thích cảm biến cho dạng bảng giá trị, đồ thị biểu thức toán học ‐ Hàm tuyến tính:  y = a + bx    ‐ Hàm logarit:    ‐ Hàm mũ:    y = a.e kx  ‐ Hàm lũy thừa:   y= a0 + a1kx  y = 1 + b ln x  - Hàm phi tuyến, sử dụng hàm gần hay phương pháp tuyến tính hóa đoạn 1.4.2 Dãy động Dãy động khoảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm biến đáp ứng Những tín hiệu vượt ngồi dãy tạo đáp ứng khơng xác 1.4.3 Sai số độ xác Ngồi đại lượng cần đo, cảm biến chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi ∆x sai số tuyệt đối, sai số tương đối cảm biến: ∆x δ% = x100% x   Có loại sai số cảm biến: • Sai số hệ thống: có giá trị khơng đổi có độ lệch khơng đổi giá trị thực giá trị đo Nguyên nhân: - Do nguyên lý cảm biến - Giá trị đại lượng chuẩn khơng Do đặc tính cảm biến Do điều kiện chế độ sử dụng Do xử lý kết đo • Sai số ngẫu nhiên: có độ lớn chiều khơng xác định Ngun nhân: - Do thay đổi đặc tính thiết bị - Do nhiễu ngẫu nhiên - Do ảnh hưởng thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…) 1.4 Độ phân giải Độ phân giải cảm biến hiểu khả phát thay đổi tín hiệu kích thích nhỏ theo thời gian 1.4.5 Băng thơng Tất cảm biến có giới hạn thời gian đáp ứng thay đổi tín hiệu kích thích Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức khoảng thời gian đáp ứng giảm dần thay đổi theo tín hiệu kích thích 1.4.6 Độ nhạy S (sensitivity) Độ nhạy S xung quanh giá trị mi kích thích xác định tỉ số độ biến thiên ∆ s đáp ứng độ biến thiên ∆ m tương ứng kích thích ⎛ ∆s ⎞ S =⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = mi Độ nhạy định nghĩa giới hạn tín hiệu kích thích đáp ứng Là tỉ số thay đổi nhỏ đáp ứng với thay đổi nhỏ tín hiệu kích thích Thơng thường nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng đánh giá độ lớn đại lượng đầu cảm biến độ lớn biến thiên đại lượng đo Điều cho phép lựa chọn cảm biến thích hợp để cho mạch đo thỏa mãn điều kiện đặt 1.4.7 Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo m Trên thực tế lý thuyết cảm biến tuyến tính điểm Si, mi không nằm đường thẳng Đó có khơng xác đo sai lệch chế tạo cảm biến Từ thực nghiệm tính phương trình đường thẳng biểu diễn tuyến tính, đường thẳng gọi đường thẳng tốt có phương trình: S = am + b Trong đó: với N số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính đường cong chuẩn Nó xác định từ độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt dải đo (tính %) 1.4.8 Độ nhanh thời gian đáp ứng Độ nhanh cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ có đáp ứng mặt thời gian với độ biến thiên đại lượng đo hay không Thời gian đáp ứng đại lượng xác định giá trị độ nhanh 1.4.9 Hiện tượng trễ Một số cảm biến không đáp ứng thời điểm với tín hiệu kích thích Độ rộng sai lệch gọi tượng trễ 1.4.10 Nhiễu Nhiễu xuất ngõ cảm biến, bao gồm nhiễu cảm biến sinh nhiễu dao động tín hiệu kích thích Nhiễu làm giới hạn khả hoạt động cảm biến Nhiễu phân bố qua phổ tần số Nhiễu loại trừ mà phịng ngừa Làm giảm ảnh hưởng khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp Ta phân nhiễu thành loại: - Nhiễu nội phát sinh khơng hồn thiện việc thiết kế, cơng nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… đáp ứng bị méo so với dạng lý tưởng - Nhiễu truyền dẫn Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đơi, tín hiệu hiệu hai tín hiệu Một gọi cảm biến cảm biến chuẩn đặt chắn Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng biện pháp sau: - Cách ly nguồn nuôi, chắn, nối đất, lọc nguồn - Bố trí linh kiện hợp lý, khơng để dây cao áp gần đầu vào cảm biến - Sử dụng cáp nhiễu 1.4.11 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong q trình sử dụng, cảm biến ln chịu ứng lực khí nhiệt độ tác động lên chúng Nếu ứng lực vượt ngưỡng cho phép làm thay đổi đặc trưng cảm biến Do người sử dụng phải biết giới hạn ngưỡng cảm biến - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến - Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không phá hủy Dải đo cảm biến xác định giá trị giới hạn vùng đại lượng đo mà vùng cảm biến đáp ứng yêu cầu đề 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 góc xoay, cảm biến phổ biến ô tô Chúng loại không tiếp xúc không bị mài mịn nên có tuổi thọ cao Biến đo: Có thể đo trực tiếp 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 lắp trục bướm ga Cảm biến đóng vai trị chuyển đổi vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi ECU Cảm biến bướm ga có số loại: Loại cơng tắc (tiếp điểm), loại biến trở (cịn gọi loại tuyến tính), loại Hall Tín hiệu khơng tải (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu động hoạt động chế độ cầm chừng hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa Tín hiệu tồn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun chế độ toàn tải để tăng công suất động Trên số xe, cảm biến vị trí bướm ga cịn giúp ECU điều khiển hộp số tự động.Có nhiều loại cảm biến vị trí bớm ga, tùy theo yêu cầu thiết kế đời xe thường có loại sau: 2.3.1 Cảm biến bướm ga loại công tắc Cấu tạo: Trục bướm ga lắp với miếng cam rãnh nhựa (1) Các tiếp điểm (2) gắn với chân giắc PSW, E TL, IDL, chốt tiếp điểm (E TL) cắm vào rãnh cam miếng cam nhựa Lá tiếp điểm loại cảm biến âm chờ nối mát, loại cảm biến dương chờ nối với nguồn dương (+B 5V) Hình 2.3: Cảm biến bướm ga loại công tắc Cam rãnh nhựa Các lị xo gắn tiếp điểm Hình 2.4: Mạch điện cảm biến bướm ga loại âm chờ (a) loại dương chờ (b) Nguyên lý làm việc: Khi trục bướm ga xoay theo mức mở bướm ga, cam nhựa xoay theo góc tương ứng làm cho tiếp điểm E TL bị đẩy sang bên bên Ở chế độ không tải (cầm chừng) bướm ga đóng ( góc mở