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

Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

Chơng 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 tợng cần đo
và biến đổi nó thành tín hiệu tơng ứng.
- Theo công dụng:
o Loại để đo đại lợng cơ
o Loại nhiệt
o Loại quang
o Loại hoá,
- Theo nguyên lý biến đổi đại lợng không điện thành đại lợng điện theo hai
nhóm lớn:
o Nhóm phát điện, ở nhóm này các đại lợng không điện từ đối tợng
cần đo đợc biến đổi thành sức điện động hoặc cờng độ dòng điện
o Nhóm thông số, ở nhóm này đại lợng không điện từ đối tợng cần đo
sẽ làm thay đổi một hoặc vài thông số điện của cảm biến nh điện trở
R, điện dung C, từ cảm L,
Trong thí nghiệm ô tô thơng dùng cảm biến loại cơ để đo các đại lợng 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 lợng nào đấy cần phải chú ý đến đặc tính của
cảm biến và tính chất của đại lợng càn đo, gồm các vấn đề sau:
- Hàm số chỉ sự phụ thuộc giữa đại lợng 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 lợng đo và đặc tính biên độ tần số
của cảm biến.
- Độ nhạy tuyệt đối Sa và độ nhạy tơng đối S của cảm biến:

10


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

o Độ nhạy tuyệt đối S a =

y
x

o Độ nhạy tơng đối: S =

y / y
x / x

- Sai số tĩnh và sai số động của cảm biến
- Sự nhạy của cảm biến với ảnh hởng của bên ngoài nh nhiệt độ, độ ẩm, sự
rung động,sẽ gây nên các sai số phụ thêm.
- Kích thớc và trọng lợng của cảm biến, phơng 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 v nguyên lý lm 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 = W

d
dt

Trong đó: W số vòng dây của khung quay
11


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

d
- tốc độ thay đổi từ thông qua khung dây
dt
= B.l.

B cảm ứng từ; L chiều dài khung dây
=

D
; D là đờng kính khung dây
2p

Do có sự phụ thuộc trực tiếp của sức điện động bởi tốc độ cho nên cảm biến
cảm ứng từ đợc 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 đợc đo bằng von kế hoặc đợc 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 đợc đều hơn. Tấm kim loại giữa đợc nối
với đầu dây dẫn 7 ra ngoài, dây này nằm trong ống cách điện 8. Nắp 4 và vỏ 1 đợc
nối với nhau nhờ dây dẫn 6 để nối ra ngoài. Các tấm thạch anh đợc đặt để cho mạch
điện ở dây dẫn 7 mang điện tích âm còn điện tích dơng đợc 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

12

Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

Điện lợng sinh ra trên tinh thể khi có lực P tác dụng đợc xác định: Q = k.P
Trong đó: K hằng số, xác định độ nhạy của cảm biến
P lực tác dụng lên cảm biến
u điểm: có đờng đặc tính tuyến tính giữa điện tích sinh ra và lực tác dụng, có

hằng số k ổn định khi nhiệt độ dới 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 đợc
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 lợng cần đo. Cảm biến điện cảm gồm lõi thép 1, cuộn dây 2, và phần
ứng 3 đặt cách lõi thép một khoảng hở . Cuộn dây 2 đợc nối với dòng điện xoay
chiều. Khi thay đổi khoảng hở sẽ làm thay đổi điện cảm của dây 2, tức là làm thay
đổi cảm kháng của mạch điện và làm ảnh hởng đến dòng xoay chiều đi trong mạch
điện. Từ cảm thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở toàn bộ.

13


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

Cảm biến điện cảm loại đơn có kết cấu đơn giản nhng ít đợc sử dụngvì quan
hệ giữa khoảng hở và trở kháng toàn bộ của cuộn dây có dạng đờng hypecbol và nó
lại bị ảnh hởng bởi nhiệt độ, bởi sự sự không ổn định của thế hiệu và tần số của
nguồn điện.
Để khắc phục các nhợc điểm nói trên ngời 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
1 và 2 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. Đờng dặc tính I = f() có dạng tuyến tính trong
phạm vi khe hở 1 và 2 thay đổi khá rộng.
Cảm biến điện cảm đợc 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 tơng ứng với sự thay đổi của tín ghiệu từ đối
tợng 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 tợng cần đo sẽ làm các tấm 1 và 2 dịch chuyển tơng đối với nhau làm thay đổi
14

Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

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

Trong đó: - độ thẩm thấu điện môi tong đối, nếu môi trờng giữa các tấm
là không khí thì = 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 tơng đối với nhau. Điện dung của cảm biến loại hình trụ đợc xác
định:

C=

2 ..l
D
ln ng
D tr

Trong đó: Dng là đờng kính của trụ ngoài

Dtr - đờng 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 trờng hợp cần đo góc quay của đối tợng đo ngời 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 của cảm biến C = f() là hàm tuyến tính.
o r 2
C=

360.D
Trong đó: r-bán kính trong
D- đờng kính ngoài
15


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

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

16


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

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 phơng. ở
lõi 3 của cảm biến có khoan bốn lõ để đặt các cuộn dây 1 có số vòng 1 và 2 có số
vòng 2. Các lỗ này đợc khoan theo vị trí nh trên hình nhằm đảm bảo các mặt
phẳng của cuộn dây cắt nhau dới một góc 900 và tạo thành với đờng trục của cảm
biến một góc 450. Do cách bố trí các cuộn dây nh 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 trờng
sinh ra ở cuộn dây thứ nhất sẽ bị lệch đi và ôm đợc 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 đợc chế tạo bằng dây điện trở nhỏ có đờng kính 0,02
0,04 (mm) đợc uốn nhiều lần và đợc 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 ngời 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
17


Thí nghiệm ô tô

Nguyễn Thành Công-ĐH Giao thông

sẽ làm thay đổi kích thớc 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 tơng ứng.
Điện trở của dây điện trở xác định:
R=

l
S

Trong đó: R- điện trở
- điện trở suất
l chiều dài
S diện tích tiết diện
Khi biến dạng phơng trình biến dạng:
Nhng


l

l
dR = dl 2 dS + d
S
S
S

dS d( r 2 )
dr
=
=
2
S
r 2
r

r bán kính của tiết diện dây
Ta có

dr
dl
=
r
l

-hệ số Poatxong
dS
dl
= 2
S
l

điện trở suất phụ thuộc bởi biến dạng dọc của dây theo phơng trình Đê pho
ret:

d
dl
=

l

- hệ số thay đổi điện trở suất của dây
dR
dl
dl
= (1 + 2 + ) = k
R
l
l

R
l
=k
R
l
k = (1 + 2 + ) =

18

R l
:

R l