1. Sơ lược cỏc loại thiết bị đo.
Thiết bị đo lường là một vấn đề rất được chỳ trọng khi thiết kế bệ thử phanh. Độ chớnh xỏc, mức độ phức tạp của kết cấu, khả năng hoạt động tin cậy của thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào cỏc thiết bị đo lường. Việc chọn lựa cỏc thiết bị đo khỏc nhau sẽ cho cỏc loại kết cấu cũng như kết quả đo khỏc nhau. Ngoài ra, chọn thiết bị đo lường cũng là một yếu tố quyết định đến giỏ thành thiết bị.
Cú rất nhiều phương phỏp đo khỏc nhau như:
- Phương phỏp cơ khớ: là phương phỏp thụng qua cỏc truyền động cơ khớ để nhận kết quả đo, như lực kế lũ xo...
- Phương phỏp thuỷ khớ. - Phương phỏp dựng điện.
Trong hệ thống bệ thử phanh được thiết kế cú rất nhiều thụng số cần đo đếm như trọng lượng trục ụ tụ, lực phanh, vận tốc, thời gian... Cỏc giỏ trị này đều là cỏc đại lượng vật lý khụng điện. Cỏc phương phỏp đo đại lượng vật lý khụng điện rất khú cú thể chuyển đổi, tớnh toỏn xử lý và lưu trữ, vỡ vậy cần phải chuyển đổi cỏc giỏ trị này thành cỏc giỏ trị điện.
Cỏc chuyển đổi cỏc thụng số đo từ giỏ trị khụng điện thành cỏc giỏ trị điện gọi là chuyển đổi đo lường sơ cấp. Chuyển đổi đo lường sơ cấp được thực hiện được nhờ cỏc thiết bị chuyển đổi gọi là cảm biến (sensor).
Cỏc cảm biến được phõn thành cỏc loại sau:
- Dựa vào nguyờn lý chuyển đổi ta cú cỏc loại sau: cảm biến điện trở, cảm biến điện từ, cảm biến tĩnh điện, cảm biến hoỏ điện, nhiệt điện...
- Dựa theo tớnh chất nguồn điện ta cú: cảm biến mỏy phỏt (cảm biến tớch cực), cảm biến thụng số (cảm biến thụ động).
- Dựa theo phương phỏp đo ta cú: cảm biến đo biến đổi trực tiếp, cảm biến biến đổi bự ...
- Dựa vào kiểu đo ta cú: cảm biến quang học, cảm biến biến dạng, cảm biến vận tốc, cảm biến nhiệt độ, cảm biến gia tốc, cảm biến rung...
- Dựa vào hiệu ứng vật lý biến đổi năng lượng ta cú: cảm biến hiệu ứng nhiệt điện, cảm biến hiệu ứng hoả điện, cảm biến hiệu ứng ỏp điện, cảm biến hiệu ứng quang điện, cảm biến hiệu ứng cảm ứng điện từ ...
Trong bệ thử phanh được thiết kế, cú cỏc loại cảm biến sau để làm thiết bị đo:
- Đo lực phanh, đo trọng lượng: cảm biến điện trở lực căng hoạt động theo hiệu ứng tenzụ, cảm biến điện ỏp.
- Đo vận tốc: cảm biến tớch cực loại cảm khỏng.
Ngoài ra, cũn cú cảm biến kiểm tra vị trớ an toàn loại điện dung, cỏc cảm biến nhận tớn hiệu điều khiển từ xa sử dụng hiệu ứng quang điện và cảm biến đo thời gian.
2. Cảm biến đo lực phanh.
Dựa trờn nguyờn lý hoạt động của hệ thống, lực phanh bỏnh xe tỏc dụng được truyền đến động cơ- hộp giảm tốc làm cụm này quay đi một gúc hay núi đỳng hơn là gõy ra một biến dạng trờn đầu đo. Sự quan hệ giữa ứng lực và biến dạng được biểu diễn bằng lý thuyết sức bền vật liệu.
σ = E (∆l/ l) Trong đú:
- σ : ứng suất phỏt sinh trong đầu đo [N/m2, kG/cm2]. - E: mụđun đàn hồi của vật liệu.
Để đo lực phanh, ta đo sự biến dạng sinh ra của đầu đo Δl/l khi chịu tỏc dụng của mụmen phanh bằng cảm biến biến dạng. Phương phỏp này gọi là phương phỏp chuyển đổi điện trở lực căng.
Cấu tạo nguyờn lý hoạt động.
Khi dõy dẫn chịu sự biến dạng cơ khớ thỡ điện trở của nú thay đổi, hiện tượng đú gọi là hiệu ứng tenzụ. Chuyển đổi điện trở làm việc dựa trờn hiệu ứng tenzụ gọi là chuyển đổi điện trở tenzụ hoặc là chuyển đổi điện trở lực căng. Chuyển đổi điện trở lực căng cú 3 loại: chuyển đổi điện trở lực căng dõy mảnh, lỏ mỏng và màng mỏng. Cảm biến được sử dụng cho bệ thử phanh là loại cảm biến chuyển đổi điện trở lực căng loại dõy mảnh.
Cấu tạo của cảm biến được thể hiện trờn hỡnh dưới. Trờn thanh thộp cú tiết diện hỡnh vuụng, người ta giảm độ cứng bằng cỏch khoột phần giữa một lỗ hỡnh chữ nhật. Về hai phớa trờn và dưới trong lỗ này người ta dỏn một lớp chất dẻo cỏch điện hoặc giấy mỏng bền. Trờn lớp cỏch điện này, người ta dỏn một sợi dõy điện trở hỡnh răng lược cú đường kớnh rất nhỏ (0,02- 0,03mm). Dõy được chế tạo bằng cỏc vật liệu như constantan, nicrụm, hợp kim platin- iriđi. Hai đầu dõy được nối với cỏc lỏ đồng dựng để nối với mạch đo thụng qua dõy dẫn ra ngoài. Toàn bộ phần dõy điện trở và mạch đo được đỳc liền khối bằng chất dẻo. Cỏc chuyển đổi được dỏn lờn đối tượng bằng loại keo dỏn đặc biệt như bθ-2, bθ-4, axờton xenluloic v.v ...
Khi cần đo bị biến dạng, gõy nờn một biến dạng dài Δl trờn dõy dẫn và điện trở của dõy dẫn biến đổi theo một lượng ΔR.
1 2 3 5
4 6
l
Cảm biến lực phanh.
1. Dõy dẫn; 2. Cảm biến điện trở lực căng; 3. Bề mặt khảo sỏt; 4. Đầu đo; 5. Dõy dẫn; 6. Lớp nhựa bảo vệ.
Ta cú: ΔR/R = f (Δl/l) Hay: εR = f (ε1)
Ta biết cụng thức tớnh điện trở dõy dẫn là: R = ρl/s
Trong đú:
- ρ: điện trở suất dõy dẫn. - l: chiều dài dõy dẫn. - s: tiết diện dõy dẫn.
Do đú: S S l l R R = ∆ + ∆ −∆ ∆ ρ ρ
Hay: εR = ερ + εl - εs Trong đú:
- εR = ΔR/R: sự biến thiờn tương đối của điện trở chuyển đổi khi bị biến dạng.
- εl = Δl / l: sự biến thiờn tương đối theo chiều dài của dõy dẫn.
- εs = Δs/s: sự biến thiờn tương đối theo tiết diện dõy dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kớch thước hỡnh học của chuyển đổi.
- ερ = Δρ/ρ: sự biến thiờn tương đối của điện trở suất, đặc trưng cho sự thay đổi tớnh chất vật lý của vật liệu chuyển đổi.
Ứng suất cú trong chi tiết cần nghiờn cứu phụ thuộc vào mụđun đàn hồi E của vật liệu chi tiết theo cụng thức:
σ = E (∆l/ l)
Phương trỡnh biến đổi của chuyển đổi lực căng cú thể biểu diễn dưới
dạng: ΔR /R =σK/E
K: độ nhạy chuyển đổi. K= εR/εl.
Ứng suất cơ của chi tiết được giới hạn trong khoảng 20% ữ 30% giới hạn đàn hồi.
3. Tớnh chất của chuyển đổi điện trở lực căng.
Kim loại sử dụng làm đầu đo phần lớn thuộc họ hợp kim Niken. Ngoài ra, cỏc loại vật liệu bỏn dẫn cũng được dựng chế tạo chuyển đổi lực căng. Cỏc chuyển đổi này cú cỏc tớnh chất cơ bản như sau:
- Điện trở suất: điện trở suất của vật liệu dựng dõy dẫn phải đủ lớn để khụng cần dõy quỏ dài làm tăng kớch thước cảm biến, song cũng khụng giảm tiết diện quỏ nhỏ vỡ sẽ làm giảm dũng đo và làm giảm độ nhạy.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Núi chung, do vật liệu chế tạo chuyển đổi điện trở lực căng là kim loại cú độ biến dạng tương đối Δl trong giới hạn đàn hồi khụng lớn hơn 2,5.10-3. Do đú Δl vào khoảng (1,25 ữ 10) tức là sự thay đổi tương đối khụng vượt quỏ 1% khi đối tượng chịu ứng suất lớn nhất. Do vậy sự núng lờn của điện trở làm ảnh hưởng đỏng kể đến kết quả đo. Hệ số chuyển đổi cú sự liờn quan đến nhiệt độ theo biểu thức:
K(T) = Ko{1 + αK(T- T0)} Trong đú:
- Ko: hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn To (To = 250C). - αK: hệ số thực nghiệm, αK đối với một số chất như sau:
+ Nichrome V: αK = - 0,04% / 0C. + Constantan: αK = + 0,01% / 0C.
Để chuyển đổi làm việc được tốt, hệ số nhiệt độ cần bộ. Mặt khỏc, cần bự nhiệt độ trong mạch đo.
- Ảnh hưởng của ứng lực đến độ tuyến tớnh:
Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo của chuyển đổi điện trở lực căng dõy kim loại khụng đổi, do đú mối quan hệ giữa sự thay đổi của điện trở và biến dạng là tuyến tớnh. Đõy là một tớnh chất rất quan trọng đối với cỏc loại đầu đo cần độ chớnh xỏc cao trong phạm vi rộng.
Sơ đồ mạch đo cảm biến.
Chuyển đổi điện trở lực căng được mắc với dạng mạch cầu một chiều, xoay chiều hoặc phõn ỏp
Sơ đồ mạch đo cảm biến.
Chuyển đổi điện trở lực căng được mắc với dạng mạch cầu một chiều, xoay chiều hoặc phõn ỏp
a) b)
c) Sơ đồ mạch đo cảm biến lực phanh.
a) Mạch cầu chỉ cú 1 nhỏnh hoạt động với điện trở bự nhiệt. b) Mạch cầu với 2 nhỏnh hoạt động đối xứng.
4. Sai số và phạm vi ứng dụng.
Sai số của cảm biến điện trở tenzụ chủ yếu do độ chớnh xỏc khắc độ của cảm biến. Khụng thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc, chỳng được chế tạo hàng loạt và chuẩn sơ bộ. Sai số sau khi chuẩn sơ bộ cú thể đạt tới 1 ữ 5 %. Cỏc sai số cũn do biến dạng dư của keo dỏn khi sấy khụ, do sự gión nở khỏc nhau giữa cảm biến và chi tiết dỏn. Chớnh vỡ vậy, khi sử dụng cần cú quy trỡnh cụng nghệ kiểm tra dỏn chuẩn (cõn chỉnh) và chọn vị trớ chớnh xỏc. Sai số sau khi chuẩn cú thể đạt tới 0,2 ữ 0,5 % khi đo biến dạng tĩnh, và 1 ữ 1,5 % khi đo biến dạng động.
. Cảm biến trọng lượng.
Cấu tạo nguyờn lý hoạt động.
Tương tự cảm biến đo lực phanh, cảm biến trọng lượng cũng được sử dụng loại cảm biến tenzụ nhưng khỏc với cảm biến đo lực phanh, cảm biến đo lực phanh chịu mụmen uốn cũn cảm biến đo trọng lượng chịu nộn. Nguyờn lý hoạt động giống cảm biến đo lực phanh nhưng phương phỏp dỏn cảm biến dõy điện trở khỏc với cảm biến đo lực phanh. Phương phỏp dỏn cảm biến dõy điện trở ở cảm biến đo trọng lượng được thể hiện ở hỡnh.
P P R 1 R 4 R 2 R 1 P P R 3 R 4 R 1 R 2 R 3 R 4 x t U U õ R 4 R 1 R 2 R 3 U t x Uõ t x a) b) Phương phỏp dỏn dõy điện trở.
a) Một nhỏnh làm việc và cú bự trừ nhiệt; b) Hai nhỏnh làm việc cú bự trừ nhiệt. Theo sơ đồ hỡnh a) (đo trọng lượng) khi cú một nhỏnh làm việc R1 (nhỏnh đo) thỡ cảm biến bự trừ nhiệt R4 được dỏn thẳng gúc với phương tỏc dụng lực nộn P. Ngoài việc bự trừ ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi dỏn cảm biến R4 theo vị trớ như trờn sẽ bự trừ được sự mất mỏt độ nhạy ở nhỏnh làm việc do cảm biến bị biến dạng theo chiều ngang.
Dỏn cảm biến theo sơ đồ hỡnh b) sẽ tăng độ nhạy lờn hai lần khi cú cảm biến bự trừ nhiệt. Ngoài ra trong sơ đồ này cũn bự trừ được cả ảnh hưởng khi thanh uốn.
- Nguyờn lý đo: cú hai phương phỏp đo dựng cầu đo như sau: phương phỏp cõn bằng và phương phỏp khụng cõn bằng.
Ở phương phỏp cõn bằng khi cầu đo bị mất cõn bằng do cảm biến bị biến dạng dưới tỏc dụng lực, người ta tiến hành cõn bằng lại cầu để cho dụng cụ đo mắc trờn nhỏnh chộo của cầu chỉ ở số khụng. Theo giỏ trị cầu phụ cõn bằng sẽ xột được sự thay đổi của đại lượng cần đo.
Ở phương phỏp khụng cõn bằng khi cầu đo bị mất cõn bằng do cảm biến bị biến dạng dưới tỏc dụng lực, người ta khụng tiến hành cõn bằng lại cầu mà dựng sự thay đổi chỉ số trờn dụng cụ đo mắc trờn nhỏnh chộo để xột sự thay đổi của đại lượng cần đo. Do đú, phương phỏp khụng cõn bằng vạn năng hơn.
2 R3 R4 U P P 1 2 3 4 5
Sơ đồ mắc cảm biến vào cầu đo để đo trọng lượng.
1. Cảm biến dõy điờn trở; 2. Thanh nộn; 3. Nhỏnh cầu đo; 4. Mỏy khuyếch đại; 5. Mỏy ghi súng.
Trờn hỡnh trỡnh bày nguyờn lý sơ đồ cầu đo để đo trọng lượng. Cảm biến dõy điện trở 1 dỏn trờn thanh nộn 2 và một nhỏnh của cầu đo 3. Khi cú lực P tỏc dụng lờn thanh nộn sẽ làm thay đổi điện trở của cảm biến dỏn trờn nú, do đú cầu bị mất cõn bằng. Trờn nhỏnh đo chộo sẽ cú hiệu điện thế, hiệu điện thế này khụng quỏ vài milivụn và dũng điện trong mạch đo chộo khụng đủ để cho mỏy ghi súng 5 làm việc, vỡ thế tớn hiệu trước khi vào mỏy ghi súng 5 phải qua mỏy khuyếch đại 4.
4.5.4. Cảm biến vận tốc trượt.
4.5.4.1. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động.
Để phự hợp với vị trớ lắp đặt, kết cấu và đặc điểm hoạt động của bệ thử, ta chọn loại cảm biến xung chuyển đổi cảm ứng cú cấu tạo như hỡnh 4.18.
2 3 4 5 a n Cảm biến đo tốc độ bỏnh xe
1. Nam chõm vĩnh cửu; 2. Cuộn dõy; 3. Lừi sắt từ; 4. Con lăn trơn; 5. Lỗ hổng;
a: khe hở khụng khớ.
Trong cảm biến đo vận tốc được chọn cú cuộn dõy đo quấn quanh một lừi thộp chịu tỏc động của từ trường một nam chõm vĩnh cửu. Cuộn được đặt đối diện với một con lăn bằng thộp trơn cú khoan lỗ. Nhờ lũ xo mà con lăn luụn tỳ sỏt vào bỏnh xe.
Khi con lăn ma sỏt quay làm bỏnh xe quay theo, bỏnh xe lỳc này đúng vai trũ chủ động kộo con lăn trơn quay theo. Khe hở khụng khớ của mạch từ thay đổi làm từ trở của mạch từ của cuộn dõy biến thiờn một cỏch tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dõy một sức điện động cú tần số tỷ lệ thuận với tốc độ quay.
Ta cú: δ à δ s W R W L 0 2 2 = =
Trong đú:
- W: số vũng cuộn dõy.
- Rδ = G: từ trở của khe hở khụng khớ. - δ : chiều dài khe hở khụng khớ. - μ0: độ từ thẩm của khụng khớ - S : tiết diện thực của cuộn dõy.
Từ thụng thay đổi do vị trớ tương đối của cuộn dõy và con lăn thay đổi làm thay đổi khe hở khụng khớ và từ trở của mạch từ thay đổi. Khi từ thụng Φ thay đổi, múc vũng qua cuộn dõy sẽ sinh ra một sức điện động e.
dt dR R WF R F dt d W dt d W e M M M M M 2 = − = Φ − = RM = RMo + k.RMo.X Trong đú: - FM: sức từ động của nam chõm. - W: số vũng dõy của cuộn cảm ứng. - RM: từ trở của mạch từ.
- X: đại lượng đo.
- RMo: từ trở của mạch từ khi X =0.
- k: hệ số phụ thuộc vào cấu trỳc chuyển đổi. Xem như: ΔRM << RM, ta cú phương trỡnh:
dt dX S dt dX R WF k e Mo M = = Với:
RL
RT Ura L
e
Khi trục quay quanh lừi sắt từ, khe hở khụng khớ giữa cỏc đầu cực từ biến thiờn theo quy luật hỡnh sin. Một cỏch gần đỳng, ta cú từ trở của mạch từ và từ thụng sẽ thay đổi theo dạng hỡnh sin:
Φt = [0,5(Φmax+Φmin) +0,5(Φmax-Φmin)]. Sin 2nωt Sức điện động trong cuộn dõy:
t n Bs W n dt t d W e=− Φ( ) =− . .ω α cos2 ω Trong đú:
- Φmax , Φmin: giỏ trị từ thụng lớn nhất và nhỏ nhất - sα: tiết diện của cuộn dõy.
- n: số lỗ trờn con lăn trơn.
- ω: tốc độ của con lăn.
- B: cường độ từ trường của nam chõm vĩnh cửu.
Mạch tương đương của chuyển đổi cảm ứng điện từ. Cỏc đại lượng trờn sơ đồ như sau:
- RL, L: là điện trở thực và điện cảm của cuộn dõy. - Rt: điện trở tải.
Ứng với điều kiện ban đầu, độ nhạy toỏn tử của mạch cú dạng: