I. Những Nguyên lý cơ bản và đặc trng đo lờng
Các đại lợng vật lý là đối tợng đo lờng nh nhiệt độ, áp suất … đợc gọi là các đại lợng cần đo m. Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm để đo m ta nhận đợc đại lợng điện tơng ứng ở đầu ra. Đại lợng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m, việc đo đạc m thực hiện đợc là nhờ sử dụng các cảm biến.
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo m khơng có tính chất điện và cho ta một đặc trng mang bản chất điện nh (điện tích, điện áp, dịng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trng điện s là hàm của đại lợng cần đo m
S = f(m)
Hình 5.1 Trong đó:
S là đại lợng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lợng đầu vào
hay kích thích (có nguồn gốc là đại lợng cần đo). Việc đo đạc s cho biết
nhận biết giá trị của m
Một trong các vấn đề quan trọng của việc sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy của chúng không đổi nghĩa là độ nhạy ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố nh giá trị đại lợng cần đo m (độ tuyến tính),tần số thay đổi của nó (dải thơng), thời gian sử dụng (độ già hoá) và ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác (không phải là đại lợng đo) của mơi trờng xung quanh.
Vì cảm biến là một phần tử của mạch điện nên có thể coi cảm biến nh một máy phát trong đó s là điện tích, điện áp hay dịng điện và nh vậy ta có cảm biến dạng tích cực gọi tắt là cảm biến tích cực nh cảm biến áp suất đờng ống nạp, cảm biến thời điểm G, NE, kích nổ... Nh một trở kháng, trong đó s là điện
trở, trở kháng hay điện dung, trờng hợp này ta có loại cảm biến thụ động nh cảm biến nhiệt độ nớc, nhiệt độ khí nạp ...
Khi dùng cảm biến để xác định một đại lợng cần đo, khơng phải chỉ có một đại lợng này tác động nên cảm biến, trên thực tế ngoài đại lợng cần đo cịn có nhiều đại lợng vật lý khác có thể gây tác động ảnh hởng đến tín hiệu đo. Những đại lợng nh vậy gọi là đại lợng ảnh hởng hoặc đại lợng gây nhiễu. Thí dụ nh nhiệt độ là đại lợng gây nhiễu của cảm biến áp suất...
Sai số cho phép đo là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo đợc. Sai số phép đo chỉ có thể đo đợc đánh giá một cách ớc tính bởi vì khơng thể biết giá trị thực của đại lợng đo. Khi đánh giá sai số thờng phần làm hai loại bao gồm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên, ví dụ nh ta đo một đại lợng đã biết trớc giá trị thực của nó. Nếu nh giá trị trung bình của các giá trị đo đợc ln lệch khỏi giá trị thực khơng phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trờng hợp này có sai số hệ thống, còn sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà xuất hiện cũng giống nh dấu và biên độ của chúng mang tính khơng xác định. Một số ngun nhân của sai số ngẫu nhiên có thể đốn đợc nhng độ lớn của chúng thì khơng thể biết trớc.
Dới đây ta chỉ xét và đánh giá riêng các đại lợng trên của từng loại cảm biến sử dụng trong động cơ Audi 2.0
II. Cảm biến tốc độ quay và cảm biến thời điểm.
Hai cảm biến này gửi về ECU hai tín hiệu, tín hiệu thời điểm mang thơng tin về thời điểm bắt đầu góc đánh lửa sớm của từng xy lanh, và tín hiệu vịng quay cho ECU biết tốc độ động cơ cho q trình tính tốn lợng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm. Đối với những động cơ điều khiển phun xăng theo nhóm hoặc điều khiển đánh lửa khơng chia điện thì cần thêm tín hiệu mang thơng tin về thời điểm của xy lanh thứ nhất.
dạng vấu từ và tín hiệu của cảm biến tốc độ và thời điểm Điện áp Thời gian ECU G- G NE Hình 5.2
Đối với hệ thống phun xăng của động cơ Audi 2.0 việc điều khiển phun nhiên liệu theo kiểu đồng loạt và điều khiển đánh lửa sử dụng bộ chia điện nên khơng có tín hiệu thời điểm xy lanh thứ nhất. Chỉ có tín hiệu thời điểm đánh lửa của bốn xy lanh và tín hiệu tốc độ động cơ có 24 xung một vịng quay trục cam, cả tín hiệu này đợc lấy từ hai cảm biến từ điện đặt trong bộ chia điện (Hình 5.2) là dạng vấu và dạng tín hiệu của cảm biến thời điểm và tốc độ của hệ thống phun động cơ Audi 2.0
Trên trục quay của đencô đợc gắn các vấu sắt, cảm biến là một loại dây quấn trên một lõi nam châm, khi trục quay làm các vấu cam quét qua cảm biến, từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm suất hiện trong cuộn dây một suất điện động một suất điện động có tỷ lệ với tốc độ quay.
Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố là khoảng cách và tốc độ quay, khoảng cách của cuộn dây với các vấu sắt chính là khe từ, khoảng cách cang lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ,
thông thờng sự thay đổi khoảng cách này không vợt quá 0,2 ữ 0,4 mm tốc độ
sẽ quá bé để có thể phát hiện đợc nó, do vậy vùng tốc độ chết là vùng mà ở đó khơng thể đo đợc suất điện động. Vùng này càng rộng khi khe từ càng lớn.
Dải đo của cảm biến từ điện phụ thuộc vào số răng của đĩa, tốc độ tối
thiểu Vmin có thể đo đợc sẽ nhỏ khi số răng lớn, tốc độ tối đa Vmax có thể đo đợc
càng lớn khi số răng cang nhỏ.
Sai số của loại cảm biến này thờng chỉ là sai số về vị trí tơng đối giữa các vấu, các vấu khơng đều nhau sẽ dẫn đến việc điều khiển thời điểm không ổn định đối với từng máy, sai số này do nhà sản suất trong quá trình đúc gây ra
Trong quá trình điều khiển hoạt động của hệ thống không tải nếu cảm biến này bị hỏng thì khơng có tín hiệu về tốc độ quay của động cơ, lúc này ECU hiểu rằng đây là thời kỳ máy khơng hoạt động (tốc độ bằng khơng) thì sẽ khơng có lợng nhiên liệu đợc phun cho động cơ và động cơ sẽ ngừng hoạt động.
III. Cảm biến nhiệt độ động cơ và nhiệt độ khí nạp.
Mục đích của cảm biến nhiệt độ nớc và nhiệt độ khí nạp là báo cho ECU biết giá trị nhiệt độ của động cơ và của khí nạp để cho ECU hiệu chỉnh lợng nhiên liệu phun và góc đánh lửa cho phù hợp.
• Phơng pháp quang dựa trên sự phân bổ phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (Hiệu ứng Doppler).
• Phơng pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí
(với áp suất khơng đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.
• Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu
ứng Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. Để đơn giản và phù hợp với đầu vào ECU, tránh sai số do nhiễu là nhỏ nhất thì phơng pháp điện dựa trện sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ là đợc dùng nhiều nhất.
Hình 5.3
Hình 4.3 là đặc tính của cảm biến nhiệt độ nớc dùng điện trở và cách mắc chúng với ECU của hệ thống phung xăng động cơ Audi 2.0. Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nớc dùng cho ECU là phi tuyến và có vùng sai số rộng. Nhng khơng phải thể hiện kết quả đo mà giá trị này sử dụng để tính tốn lợng nhiên liệu phun thêm và tối - u hố góc đánh lửa nên khơng cần độ chính xác của cảm biến cao.
Viên điện trở Cảm biến nhiệt độ n ớc
cảm biến nhiệt độ và đặc tính cảm biến nhiệt
40 Nhiệt độ (…C) 5V E2 E1 THW 8 -20 0,6 0,2 0,4 4 2 0,8 1 6 0 20 Điện trở (Ω ) 10 20 40 60 80 100 120
Đối với hệ thống khơng tải tín hiệu này cịn dùng để điều khiển để rút ngắn thời gian mở van (VD: Trờng hợp van điều khiển hoạt động bình thờng thì khi để cho lợng khơng khí đi qua van thì van phải đợc mở ra sau đó van lại đợc khép kín. Nhng trong q trình hoạt động của động cơ, nhiệt độ động cơ thay đổi dẫn đến lợng khơng khí nạp vào cho động cơ thay đổi, để van có thể đi tới vị trí mới một cách nhanh nhất thì từ vị trí cũ của van sẽ dịch chuyển tới vị trí mới ngay mà khơng cần phải đóng lại van và sau đó mở ra tới vị trí mới).
IV. Cảm biến vị trí bớm ga
Đây là thơng tin phản ánh tải của động cơ, nó đặc biệt quan trọng đối với hai trạng thái đầu (không tải) và 75% tải trở nên của bớm ga, ngồi ra nó cịn dùng để điều khiển hộp số tự động, hệ thống treo tự động và điều khiển đặc tính của động cơ, có hai loại cảm biến Loại tiếp điểm (a) và loại biến trở (b) (Hình 5.4), Loại tiếp điểm có 2 hoặc 3 tiếp điểm hoặc có thêm nhiều tiếp điểm phụ.
b. Cảm biến vị trí b ớm ga kiểu biến trở a. Cảm biến vị trí b ớm ga kiểu cơng tắc
Tín hiệu khơng tải Điện áp (V) Độ mở b ớm ga 50% % 100% % Tín hiệu b ớm ga +B hoặc 5V PSW Mở e2 e1 idl vta +b cảm biến vị trí b ớm ga và đặc tính cảm biến +B hoặc 5V IDL VC 5V
Cảm biến bớm ga đa ra hai thông tin quan trọng báo về cho ECU về vị trí khơng tải hay thơng tin về vị trí tồn tải và thơng tin về thời điểm tăng tốc. Loại cảm biến kiểu cơng tắc khơng cho biết chính xác vị trí bớm ga mà chỉ cho biết máy đang hoạt động ở chế độ nào, đối với loại này việc xác định thời điểm tăng tốc dựa vào khoảng thời gian từ lúc công tắc không tải mở tới khi công tắc 75% tải đóng. Loại cảm biến kiểu biến trở có thể cho biết vị trí bớm ga tại bất kỳ vị trí nào, việc xác định tăng tốc đối với loại cảm biến này là tăng đột ngột biến áp tại chân giữa của cảm biến.
Đặc điểm của cảm biến kiểu công tắc là hai đầu tiếp điểm cố định luôn luôn chờ sẵn một mức điện áp cố định đây đợc coi là mức 1, khi cơng tắc chuyển sang đóng ở vị trí nào thì tại vị trí đó điện áp tụt suống bằng 0 và đợc coi là mức 0 do chân giữa của cảm biến nối mát. Còn đối với cảm biến kiểu biến trở mức điện áp tại chân giữa thay đổi, khơng cố định tại mức nào do đó để tín hiệu này có thể sử dụng để sử dụng để điều khiển phun thì tín hiệu phải đi qua một bộ chuyển đổi A/D (ADC) để trở thành tín hiệu số.
Cảm biến bớm ga của hệ thống phun động cơ là loại cảm biến sử dụng biến trở (chiết áp) có đặc tính .
Đối với điều khiển hệ thống khơng tải bình thờng thì bớm ga đợc đóng kín tồn bộ lợng khơng khí đợc điều khiển qua van, nhng đến khi bớm ga đợc mở tơi 10% thì hệ thống điều khiển khơng tải bắt đầu ngừng hoạt động lợng khơng khí lúc này đợc đi qua bớm ga (VD: nh khi ta đỗ xe ở ngã t đờng thì khi muốn thử xem xe chạy nh thế nào thì ta đạp chân ga lúc này bớm ga đợc mở to).
Nếu cảm biến vị trí bớm ga bị hỏng (do chập cơng tắc khơng tải dẫn đến van mở liên tục lợng khơng khí nạp vào sẽ thừa tốc độ động cơ tăng lên và làm việc không ổn định, hoặc ngắt công tắc không tải van mở khi nhả chân ga thì bị chết máy).
V. Chuyển đổi đổi tín hiệu
1. Chuyển đổi tơng tự - số.
Ta đã biết vi xử lý chỉ làm việc với tín hiệu số vì vậy các tín hiệu từ cảm biến khi đa vào ECU đều phải chuyển đổi sang tín hiệu số trớc khi đa vào vi xử lý. Các tín hiệu đa vào ECU bao gồm tín hiệu tơng tự (ANALOG), tín hiệu xung và tín hiệu dạng on/off. Dới đây ta sẽ sét từng loại tín hiệu.
dạng tín hiệu t ơng tự
t
u i
t
Hình 5.5
Tuỳ theo dạng của f, g mà ta có thể kết luận đợc về bản chất của tín hiệu u, i nói trên.
Khác với tín hiệu tơng tự, tín hiệu số (DIGITAL) cha thơng tin ở vị trí các xung hay sự thay đổi đột ngột về biên độ (so với tín hiệu thời gian chuẩn) cịn trị số tuyệt đối của biên độ xung thì khơng quan trọng.
Nh vậy bản chất của hai loại tín hiệu tơng tự và số là khác nhau. Tín hiệu tơng tự dễ gặp trong thực tế vì dễ tạo ra, hơn nữa tính chất liên tục theo thời gian của nó phù hợp với các hiện tợng vật lý thông thờng, cịn tín hiệu số thì chỉ suất hiện trong các thiết bị số và thờng đợc dùng nh một hình thức trung gian thuận lợi cho việc đo lờng và xử lý tín hiệu do đó cần phải có các mạch trung gian để chuyển đổi tín hiệu dạng tơng tự sang tín hiệu số và ngợc lại.
Trong các tín hiệu vào ECU thì tín hiệu tơng tự bao gồm tín hiệu áp suất đờng ống nạp, tín hiệu nhiệt độ nớc nhiệt độ đờng ống nạp, tín hiệu vị trí b- ớm ga tín hiệu Lambda, tín hiệu điện áp cung cấp.
Nh phân tích tín hiệu cảm biến áp suất đờng ống nạp đã trình bày, ở đây ta phải xét đến vấn đề về độ chính xác của mạch chuyển đổi tơng tự – số a) Sai số tĩnh.
Khi thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu tợng tự sang các tín hiệu số với số bít hữu hạn thờng xuất hiện sai số hệ thống, các sai số này gọi là sai số lợng tử xuất hiện ở các mạch ADC. Để giảm nhỏ tạp âm lợng tử thì ta phải tăng số bít
Bên cạnh sai số hệ thống do lợng tử hố cịn có sai số cũng đáng kể do kết cấu của mạch gây ra. Nếu các điểm giữa của các bậc trên đờng gấp khúc ở (Hình 5.6) đợc nối liền với nhau thì ta đợc một đờng thẳng với một hệ số góc nhất định xuất phát từ gốc toạ độ, ngoài ra đờng nối các điểm giữa trên bậc của đờng gấp khúc không phải là một đờng thẳng mà là một đợc gẫy.
uadc
sai số do số bít bị hạn chế
uvào
Hình 5.6 b) Sai số động.
Khi sử dụng ADC trong các mạch vi xử lý tín hiệu, do tín hiệu đầu vào liên tục biến động vì vậy phải tiến hành lấy mẫu tín hiệu qua khoảng thời gian bằng nhau, gọi là chu kỳ lấy mẫu. Các dữ liệu thu đợc sau đó sẽ chuyển sang số nhờ mạch ADC. Để có thể đợc chính xác tín hiệu tơng tự thì việc lấy mẫu cần phải thoả mãn điều kiện là tần số lấy mẫu ít nhất phải lớn hơn hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu. Điều kiện này ln đợc thoả mãn với các tín hiệu nhiệt độ n- ớc, nhiệt độ khí nạp, vị trí bớm ga, điện áp cấp, vấn đề đặt ra là đảm bảo độ chính xác đối với tín hiệu áp suất đờng ống nạp và tín hiệu Lambda khi mà biên độ của tín hiệu này ln thay đổi.
c) Các yếu tố ảnh hởng đến độ chính xác của ADC.
Chính khoảng chuyển tiếp của tín hiệu vào là một yếu tố gây ra sự kém chính xác bởi vì tín hiệu vào phải khác nhau một lợng nào đó thì điện thế ra của mạch so sánh mới có sự chuyển tiếp trạng thái. Ngoài ra khoảng chuyển tiếp này lại thay đổi theo trị số tuyệt đối của điện thế vào tức là ứng với mỗi biên độ ta cần
phải có một khoảng chuyển tiếp riêng, vì thế mà xẩy ra hiện tợng khơng tuyến