Đề cương bài giảng thí nghiệm ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: THÍ NGHIỆM Ô TÔ
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

CHƢƠNG I
CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG ĐO LƢỜNG KỸ THUẬT
1.1. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm ôtô chiếm vị trí rất quan trọng trong nền công nghiệp ôtô.
Mục đích của việc thí nghiệm là để đánh giá hoặc phát hiện các ưu nhược điểm
của các chi tiết, các cụm chi tiết và toàn bộ ôtô về các mặt như:
Thông số kỹ thuật và tính năng làm việc cơ bản.
Độ tin cậy làm việc.
Độ bền và tuổi thọ.
Tóm lại, nhờ có thí nghiệm chúng ta có thể đánh giá chất lượng của chi
tiết, của cụm và toàn bộ ôtô một cách tổng thể và từ đó có cơ sở đề xuất cải tiến
và hoàn thiện chúng nhằm đảm bảo sản xuất được những ôtô ngày càng có chất
lượng cao. Cần chú ý rằng chữ thí nghiệm có thể được hiểu theo nghĩa hẹp, như
thí nghiệm xác định độ cứng của lò xo ly hợp, nhưng cũng có thể nghĩa rất rộng
như thí nghiệm đánh giá chất lượng làm việc của ôtô trong điều kiện sử dụng

v.v…
Quy mô và độ phức tạp của thí nghiệm phụ thuộc vào mục đích đề ra ban
đầu.
Tuỳ theo mục đích và tính chất của thí nghiệm mà đề ra chương trình thí
nghiệm bao gồm:
Phương pháp tiến hành và thời gian thí nghiệm.
Đối tượng dùng cho thí nghiệm.
Trang thiết bị dùng cho thí nghiệm.
Vị trí, chế độ và điều kiện thí nghiệm.
Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm.
1.2. Các dạng thí nghiệm ôtô
Thí nghiệm ôtô được phân loại theo:
Mục đích thí nghiệm.
Tính chất thí nghiệm.
Vị trí tiến hành thí nghiệm.
Trang 1


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Đối tượng thí nghiệm.
Cường độ và thời gian thí nghiệm.
Theo mục đích thí nghiệm ta có thí nghiệm kiểm tra kiểm tra ở nhà máy
sản xuất, thí nghiệm trong điều kiện sử dụng, thí nghiệm trong nghiên cứu khoa
học.
Theo tính chất thí nghiệm ta có thí nghiệm để xác định tính chất kéo, tính
nhiên liệu, tính chất phanh, tính ổn định và điều khiển, tính êm dịu chuyển động,
tính cơ động, độ tin cậy làm việc, độ mòn, độ bền…của ôtô.

Theo vị trí tiến hành thí nghiệm ta có thí nghiệm trên bệ thử (trong phòng
thí nghiệm), thí nghiệm ở bãi thử, thí nghiệm trên đường. Thí nghiệm trên bệ thử
có thể tiến hành cho từng chi tiết, cho từng cụm hoặc cho cả ôtô một cách dễ
dàng hơn so với khi thí nghiệm trên đường.
Theo đối tượng thí nghiệm ta có thí nghiệm mẫu ôtô đơn chiếc, thí nghiệm
mẫu ôtô của một đợt sản xuất nhỏ, thí nghiệm ôtô được sản xuất đại trà.
Theo cường độ và thời gian thí nghiệm ta có thí nghiệm bình thường theo
quy định và thí nghiệm tăng cường. Ở thí nghiệm tăng cường thì thời gian
thường được rút ngắn và chế độ tải trọng tăng.
1.3. Yêu cầu đối với thiết bị đo
Thiết bị đo dùng cho thí nghiệm cần đảm bảo những yêu cầu chính sau
đây:
Đảm bảo độ chính xác cần thiết cho thí nghiệm.
Không bị ảnh hưởng bởi rung động, điều này rất cần thiết đối với thí
nghiệm trên đường.
Đặc tính của thiết bị đo cần phải tuyến tính hoặc rất gần với tuyến tính
trong suốt phạm vi đo.
Trọng lượng và kích thước nhỏ để có thể đặt được ở trong ôtô. Điều này
rất quan trọng khi thí nghiệm trên đường.
Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết.
Câu hỏi ôn tập
Câu 1: Nêu mục đích của thí nghiệm ôtô?
Câu 2: Các dạng thí nghiệm ôtô?
Câu 3: Yêu cầu của thiết bị đo trong thí nghiệm ôtô?

Trang 2


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

CHƢƠNG II
CÁC LOẠI CẢM BIẾN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM
2.1. Định nghĩa và phân loại cảm biến
Cảm biến là bộ phận để nhận tín hiệu về trang thái của tín hiệu cần đo và
biến đổi nó thành tín hiệu điện tương ứng.
Trong thí nghiệm ôtô thường dùng cảm biến để đo các đại lượng: chuyển
dịch, tốc độ, gia tốc, lực, áp suất và ứng suất. Khi nghiên cứu động cơ đốt trong
cũng như những cơ cấu khác của ôtô có thể dùng đến cảm biến loại nhiệt, loại
quang và loại hoá, hall, áp suất …
Cảm biến còn phân loại theo nguyên lý biến đổi đại lượng không điện
thành đại lượng điện theo hai nhóm lớn:
Nhóm phát điện (gênêratơ): 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, chẳng
hạn như cảm biến điện cảm, cảm biến thạch anh, cảm biến quang, cảm biến hall
và những cảm biến khác không cần nguồn điện bởi vì chính các cảm biến ấy là
nguồn phát điện.
Nhóm thông số: ở nhóm này đại lượng không điện từ đối tượng cần đo sẽ
biến đổi thành một hoặc vài thông số điện của cảm biến như điện trở tenxơ, cảm
biến điện dung, cảm biến điện từ, cảm biến con trượt.
2.2. Cấu tạo các loại cảm biến
2.2.1. Cảm biến điện áp
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý cảm biến điện áp

Hình vẽ

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric):
Ở trạng thái ban đầu các tinh

thể thạch anh là trung hòa về điện, tức
là các ion dương và ion âm cân bằng
như hình 2.1A. Khi có áp lực bên
ngoài tác dụng lên một tinh thể thạch
anh làm cho mạng tinh thể bị biến
dạng. Điều này dẫn đến sự dịch
chuyển các ion. Một điện áp điện (B)

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của hiệu
ứng áp điện.

Trang 3


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

được tạo ra. Ngược lại, khi ta đặt vào
một điện áp, điều này dẫn đến một
biến dạng tinh thể và bảo toàn lực
(hình 2.1C).

A. Thạch anh tinh thể ở trạng thái chưa
làm việc;
B. Tác động của một lực bên ngoài;
C. đặt vào một điện áp;
1. Áp lực; 2. Ion chiếm chỗ; 3. Điện áp
tạo ra; 4. Phương tác động; 5. Biến dạng
của tinh thể; 6. Cung cấp điện áp.

b. Ứng dụng
Cảm biến áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong cơ khí và ngành công
nghệ ôtô. Chẳng hạn như: cảm biến kích nổ, cảm biến áp suất, cảm biến siêu âm,
cảm biến gia tốc.
Ứng dụng cảm biến điện áp

Hình vẽ

Cảm biến tiếng gõ được đặt
nắp trên động cơ dưới đầu xi lanh.
Thành phần áp điện trong
cảm biến kích nổ được chế tạo
bằng tinh thể thạch anh là những
vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra
điện áp. Phần tử áp điện được thiết
kế có kích thước với tần só riêng
trùng với tần số rung của động cơ
khi có hiện tượng kích nổ để xẩy ra
hiện tượng cộng hưởng (f=7kHz).
Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể
thạch anh sẽ chịu áp lục lớn nhất và
sinh ra một điện áp.

Hình 2.2: Cảm biến tiếng gõ

Trang 4


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

2.2.2. Cảm biến cảm ứng từ
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Những cảm biến này làm việc
trên nguyên lý phát sinh sức điện động
trên mạch khi từ thông thay đổi.
Nguyên lý làm việc của cảm
biến này được trình bày trên hình 2.3.
Cảm biến cấu tạo bởi khung dây điện
quay trong trường nam châm vĩnh cửu
gây nên bởi hai cực bắc N và nam S.
Khi khung dây điện quay như
vậy thì từ thông đi qua dây điện sẽ Hinh 2.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của
cảm biến cảm ứng từ.
thay đổi và sức điện động e (tín hiệu
ra) sinh ra ở hai đầu ra của khung dây Sức điện động e được biểu diễn dưới
điện sẽ tỷ thuận với tốc độ thay đổi từ công thức:
thông đi qua khung dây điện.
d
e  W

dt

Trong đó:

W: Số vòng dây của khung dây
d
: Tốc độ thay đổi từ thông đi
dt

qua dây điện.

b. Ứng dụng
Ứng dụng cảm biến cảm ứng từ

Hình vẽ

Ứng dụng thực tế đối với cảm
biến tốc độ bánh xe:
Cảm biến này bao gồm: một nam
châm được bao kín bằng một cuộn dây
và các vòng cảm biến.
Nam châm và cuộn dây được đặt
cách các vòng cảm biến một khoảng xác

Trang 5


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

định.
Khi răng của vòng cảm biến 4
không nằm đối diện cực từ, thì từ thông

đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị
thấp vì khe hở không khí lớn lên có từ
trở cao. Khi một răng đến gần cực từ của
cuộn dây, khe hở không khí giảm dần
khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy, nhờ
sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ
xuất hiện một sức điện động cảm ứng.
Khi răng vòng cảm biến đối diện cuộn
dây từ thông đạt giá trị cực đại nhưng
điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không.
Khi răng của vòng cảm biến di chuyển ra
khỏi cực từ, khe hở không khí tăng dần
làm từ thông giảm sinh ra một sức điện
động theo chiều ngược lại.

Hình 2.4: Cảm biến tốc độ.
1. Nam châm vĩnh cửu; 2. Cuộn dây;
3. Từ trường; 4. Vòng cảm biến;
5. Khe hở không khí; 6. Cáp kết nối.

Việc luân chuyển các bánh xe sẽ
thay đổi khe hở dẫn đến làm thay đổi từ
trường. Những thay đổi của từ trường tạo
ra điện áp xoay chiều trong cuộn dây.
Các tần số tín hiệu thay đổi như tốc độ
bánh xe tăng hoặc giảm.
Cảm biến vị trí trục cam:
Cảm biến vị trí trục cam có thể
đặt trên vành đai puly cam hoặc có thể
tích hợp trong bộ chia điện.

Bộ phận chính của cảm biến là
một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh
cửu và một rotor dùng để khép mạch từ
có số răng như hình 2.5. Về cơ bản
nguyên lý tương tự như cảm biến tốc độ.
Việc luân chuyển trục cam sẽ thay đổi
khe hở dẫn đến làm thay đổi từ trường.
Sự biến thiên từ trường tạo ra điện áp
xoay chiều trong cuộn dây. Tần số này
thay đổi như hình 2.5. Cảm biến giúp

Hình 2.5: Cảm biến vị trí trục cam.
1. Cảm biến vị trí trục cam;
2. Vòng cảm biến trục cam.

Trang 6


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

xác định góc chuẩn của trục cam, từ đó
xác định điểm chết trên và kỳ nén của
mỗi xi lanh để đánh lửa.

2.2.3. Cảm biến áp suất
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất thường được

sử dụng để đo áp suất trong ôtô.
Cấu tạo quan trọng nhất của cảm
biến áp suất là:
Chip silicon 5, trong chip silicon
có màng 1 và các điện trở được mắc với
nhau theo hình cầu Wheatstone.
Khi áp suất cao, khi đó màng 5
tác dụng làm các điện trở biến. Các điện
trở biến dạng được kết nối với nhau
theo hình cầu mạch Wheatstone. Và khi
đó các điện trở thay đổi về giá trị điện
trở dẫn đến thay đổi điện áp trên các
điện trở đo. Điện trở um cũng thay đổi
phù hợp. Sự thay đổi đó phù hợp với áp
suất trên màng.

Hình vẽ minh họa

Hình 2.6: Cảm biến áp suất.
1. Màng; 2. Chân không; 3. Thủy tinh
chịu nhiệt; 4. Mạch cầu;
5. Chip silicon.

b. Ứng dụng
Ứng dụng cảm biến áp suất

Hình vẽ

Cảm biến áp suất đường ống nạp
(MAP).

Cảm biến MAP được đặt tại dẫn
khí nạp.
Cảm biến nhằm xác định áp suất
hiện tại trong đường ống nạp. Điều đó là
rất cần thiết để điều chỉnh chính xác tỷ lệ
hòa khí. Cảm biến MAP được cung cấp
bởi một điện áp tham chiếu 5V. Cảm
Trang 7


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

biến bao gồm một tấm chip silicon. Mặt
ngoài của tấm silicon tiếp xúc với áp suất
đường ống nạp. Hai mặt của tấm được
phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp
điện. Khi áp suất đường ống nạp thay
đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay
đổi. Các điện trở áp điện được nối thành
cầu Wheastone.

Hình 2.7: Cảm biến áp suất đường
ống nạp.

Cảm biến áp suất nhiên liệu.
Cảm biến được lắp đặt ống phân
phối của hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Cảm biến nhằm xác định áp suất

nhiên liệu.
Việc xác định áp suất được thực
hiện bằng cách sử dụng một màng mỏng Hình 2.8: Cảm biến áp suất nhiên liệu.
bằng thép có thể thay đổi điện trở. Việc
làm biến dạng màng thép sẽ tạo ra sự
thay đổi điện trở, việc thay đổi điện trở
này tỷ lên với áp suất nhiên liệu và được
khuyếch đại trong IC khuyếch đại 2.

Hình 2.9: Cấu tạo cảm biến áp suất
nhiên liệu.
1. Dây kết nối; 2. IC khuyếch đại; 3.
Màng ngăn thép; 4. Áp suất nhiên
liệu; 5. Vỏ.

2.2.4. Cảm biến Hall
Trang 8


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý cảm biến Hall

Hình vẽ

Hiệu ứng Hall ở đây được tạo ra
bởi một tấm bán dẫn (IC hall). Khi

cung cấp một điện áp một chiều U thì
có một dòng điện phân bố đều trên toàn
bộ bề mặt của tấm IC Hall và tạo ra từ
trường xung quang tấm Hall. Khi ta
thay đổi từ trường dẫn đến sự thay đổi
các điện tử, các điện tử này bất ngờ
chệch hướng quỹ đạo hiện tại. Kết quả
là tấm Hall đưa ra một hiệu điện thế
Hall (hình 2.10).

Hình 2.10: Nguyên lý cảm biến HALL.

b. Ứng dụng
Ứng dụng cảm biến Hall

Hình vẽ

Cảm biến vị trí trục khuỷu:
Cảm biến Hall được lắp gần bánh
đà hoặc Puli trục khuỷu.
Cảm biến xác định vị trí của trục
và tốc độ của trục khuỷu.
Các tín hiệu từ cảm biến vị trí suất
ra là ở dạng xung. Các xung này được
đưa tới ECU.
Hình 2.11: Cảm biến vị trí trục khuỷu.

Theo sơ đồ nguyên lý, khí có
nguồn cung cấp đến IC Hall và có từ Cặp cực từ; 2. Cảm biến tốc độ động
thông đi qua nó thì IC Hall sẽ cho một cơ; 3. Khoảng cách giữa cặp cực và

tín hiệu điện áp. Khi cực bắc lại gần IC cảm biến tốc độ; 4. Khoảng cách giữa
Hall thì IC Hall sẽ tạo ra điện áp. Còn các xung; 5. Tín hiệu từ cảm biến tốc
độ.
cực nam lại gần IC Hall thì sự thay đổi
điệp áp là rất nhỏ so với cực bắc, do đó

Trang 9


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

điện áp lúc này là 0V.

Cảm biến mô men:
Khi người lái điều khiển vô lăng,
mô men lái tác dụng lên trục của cảm
biến mô men thông qua trục lái chính.
Khi đó làm quay rotor của cảm biến.
Trên Stator là đĩa phân đoạn có tác dụng
ngăn IC hall tiếp xúc với từ trường. Trên
rotor có các nam châm, do đó khi quay
rotor làm cho IC Hall tiếp xúc với từ
trường. Khi tiếp xúc sẽ sinh ra các điện Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến mô men.
áp. Khi không tiếp xúc thì điện áp mất.
1. IC Hall; 2. Rotor; 3. Stator.

2.2.5. Manheto – điện trở suất
a. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Dó là liên kết từ hóa trong một
vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ gồm
nhiều lớp. Mỗi một lớp là một lớp từ
hóa. Nếu không có sự ảnh hưởng của
từ hóa bên ngoài, thì sự liên kết của
mỗi lớp từ hóa là ngẫu nhiên. Nếu một
từ trường ngoài tác dụng vào vật liệu
sắt từ, thì các thành phần từ hóa sẽ
phù hợp với từ trường bên ngoài.
Sự liên kết của các thành phần
từ hóa phụ thuộc trên độ mạnh của từ
trường bên ngoài:
Nếu từ trường yếu, sự liên kết
của thành phần từ hóa đến từ trường
bên ngoài là ngẫu nhiên và do đó
không đồng đều. Các vật liệu sắt từ có
điện trở cao.

Hình 2.13: Cảm biến Manhêtô.

Nếu từ trường đủ mạnh, sự liên
kết của thành phần từ hóa là thống
Trang 10


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

nhất với tù trường ngoài. Các vật liệu
sắt từ có điện trở thấp.

b. Ứng dụng
Ứng dụng

Hình vẽ

Cảm biến tốc độ bánh xe:
Cảm biến tốc độ bánh xe đặt
trên các bánh xe trước và bánh sau.
Cảm biến tốc độ đo tốc độ của
từng bánh xe. Tạo ra các sóng vuông
với tần số liên tục và tương ứng với
tốc độ động cơ tăng lên.

Hình 2.14: Cảm biến tốc độ bánh xe.

Cảm biến tốc độ bao gồm hai
magneto-resistive điện trở kết nối với
nhau theo dạng cầu Wheatstone. Khi
vòng từ tính quay, từ thông biến thiên
qua các phần tử magneto này làm cho
điện thế tại các điểm giữa của hai
nhánh thay đổi. Một bộ so sánh
khuyếch đại căn cứ vào sự chênh lệch
điện áp tại 2 điểm này sẽ tạo ra các Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của cảm

xung vuông. Tần số các xung này
biến tốc độ xe.
bằng số cực các nam châm gắn vào
vòng từ tính.

Trang 11


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

2.2.6. Cảm biến điện dung
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến điện dung dựa trên
các nguyên tắc của một tụ điện. Một
trong những tính chất vật lý của tụ
điện là sự phụ thuộc của điện dung,
tức là khả năng lưu trữ năng lượng,
vào khoảng cách giữa hai tấm kim
loại. Các tấm có khoảng cách phù
hợp.
Nếu hai mảnh là tương đối xa
nhau, thì khả năng nạp giữa chúng là
tương đối thấp. Nếu các tấm di chuyển
lại gần nhau hơn, thì khả năng nạp
tăng tương ứng.

Hình vẽ

Hình 2.16: Khi hai tấm khim loại ở xa
nhau.

Hình 2.17: Khi hai tấm kin loại ở gần
nhau.

b. Ứng dụng
Ứng dụng

Hình vẽ

Cảm biến đo gia tốc:
Cảm biến gia tốc được lắp trên
khung kết cấu sàn xe theo chiều dọc
và ngang trục.
Cảm biến gia tốc đo gia tốc của
xe theo chiều dọc hoặc ngang, tùy
thuộc vào sử dụng.
Cảm biến này được dùng để
điều khiển hoạt động của túi khí.

Hình 2.18: Cấu tạo cảm biến gia tốc.

Trang 12


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Cảm biến áp suất phanh:
Cảm biến áp suất phanh có thể
được lắp bên ngoài của xi lanh phanh
chính hoặc có thể tích hợp vào HCU.
Cảm biến áp suất phanh dùng
để đo áp suất trong hệ thống phanh
thủy lực.

Hình 2.19: Cảm biến áp suất phanh.

Cảm biến này tạo ra một tín
hiệu điện áp tỉ lệ thuận với áp suất
phanh tạo ra. Và gửi tín hiệu này về
ECU.
Khi áp suất phanh nhỏ thì
khoảng cách giữa đĩa dung (di động)
và đĩa dung (cố định) ở xa nhau do đó
làm thay đổi điện dung của mạch do
đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng.

Hình 2.20: Cấu tạo cảm biến áp suất
phanh.

1. Xi lanh phanh chính; 2. Dầu phanh; 3.
Thân cảm biến; 4. Đĩa dung (di động);

2. 5. Đĩa dung (cố định).
Cảm biến độ lệch của xe:
Cảm biến được lắp ở mặt cắt

ngang bên phải của dầm ngang trong
khoang hành lý.
Cảm biến độ lệch của xe sử
dụng một con quay kiểu điện dung có
hình âm thoa.
Một cái cộng hưởng gồm có
một phần rung và một phần phát hiện
được dịch chuyển 90 độ để hình thành
một bộ phận. Một miếng gốm áp điện
được lắp vào cả phần rung và phấn
phát điện. Để pháp hiện độ lệch
hướng, người ta đặt điện áp xoay
chiều vào phần rung, điện áp này làm
cho nó rung. Sau đó, mức lệch hướng
được phát hiện từ phần phát hiện theo

Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến độ lệch của
xe.

Trang 13


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

mức lệch và hướng lệch của miếng
gốm áp điện, do tác dụng của lực
coriolis được tạo ra quang cái cộng
hưởng.

2.2.7. Cảm biến quang
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Cảm biến quang điện sử dụng bộ
phát và nhận ánh sáng cho tiếp xúc
không gián tiếp với một bộ phận
truyền động.
Các bộ phận truyền động có thể là:
một đĩa phân đoạn (hình vẽ). Các
khoảng trống trên các cạnh của đĩa
phân khúc cho phép các chùm ánh
sang đi qua và đó cũng chính là
khoảng cách dịch chuyển.

Hình 2.22: Nguyên lý cảm biến quang.
1. Đĩa phân đoạn; 2. Chùm sáng; 3. Bộ
phận phát và nhận.

b. Ứng dụng
Ứng dụng

Hình vẽ

Cảm biến góc quay tay lái:
Cảm biến góc lái được lắp đặt
trong cụm ống trục lái, để phát hiện

góc và hướng quay.
Cảm biến bao gồm 3 bộ ngắt
quang điện với các pha, và một đĩa
xẻ rãnh để ngắt ánh sáng nhằm đóng
ngắt (on/off) tranzito-quang điện
nhằm phát hiện góc và hướng lái.
Hình 2.23: Cảm biến góc quay tay lái.

Trang 14


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

2.2.8. Cảm biến con trƣợt
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động
Một tiếp điểm trượt theo 1
góc xác định trên các rãnh điện trở.
Cảm biến này được cấp điện áp
chuẩn thông qua một thanh tiếp xúc.
Thanh tiếp xúc này có điện trở rất
thấp và cố định. Khi con trượt di
chuyển thì giá trị điện trở tăng hoặc
giảm từ điểm đầu tới điểm cuối.
Đồng thời việc sụt giảm điện áp qua
những thay đổi biến điện trở tương
ứng.

Hình vẽ

Hình 2.24: Nguyên lý làm việc của cảm
biến vị trí con trượt.
1. Góc quay tối đa; B. Góc đo hiện tại;
1. Rãnh biến điện trở; 2. Điện trở lớn nhất;
3. Rãnh tiếp xúc; 4. Con trượt tiếp xúc;
5. Điện trở nhỏ nhất.

b. Ứng dụng
Ứng dụng

Hình vẽ

Cảm biến hao mòn má phanh:
Cảm biến hao mòn má phanh
nằm trong điệm hãm phanh (chỉ cho
phanh đĩa).
Cảm biến hoa mòn má phanh
bao gồm một vòng dây nhỏ mà được
lồng vào trong của các má phanh.
Ngay sau khi má phanh bị mòn
xuống đến mức độ dày quy định, điều
này dẫn đến:
A: Nối chỗ mòn đó với mát

Hình 2.25: Vị trí lắp cảm biến hao mòn
má phanh.

B: Hoặc ngắn mạch

Trang 15


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Cảm biến vị trí bàn đạp phanh:
Cảm biến vị trí bàn đạp phanh
trong xi lanh phanh chính (chỉ có
trong hệ thống ABS).
Cảm biến xác định vị trí bàn
đạp phanh.
Hướng trượt được chia làm
bảy phân đoạn, theo đó mỗi phân
đoạn được kết nối qua điện trở ta có
thể quan sát trên hình vẽ. Tại mỗi vị
trí thì điện trở thay đổi hoặc thay đổi
điện áp trên toàn bộ cảm biến.

Hình 2.26: Cảm biến vị trí bàn đạp
phanh.

Hình 2.27: Cấu tạo cảm biến vị trí bàn
đạp phanh.
1. Hướng trượt; 2. Con chạy; 3. Điện trở;
4. Giắc kết nối điện.

Cảm biến vị tri bướn ga:

Cảm biến vị trí bướm ga được
lắp ở trên trục của bướm ga.
Khi bướm ga được mở ra, một
vành trượt di chuyển bên trong rãnh
điện trở của cảm biến. Điện trở của
cảm biến tăng lên tương ứng là vị trí
bướm ga (hình 2.28).

Hình 2.28: Cảm biến vị trí bướm ga.
Tương ứng với khoảng 0,5V; B. Tương
ứng với khoảng 4,7V; Ct đóng bướm ga;
PT mở một phần bướn ga;
Trang 16


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Cảm biến vị trí bàn đạp ga:
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
được tích hợp vào bàn đạp ga.
Cảm biến xác định vị trí hiện
tại của bàn đạp ga. Khi ta đạp vào bàn
đạp ga, trục và vít trượt được di
chuyển vào vị trí của nó trên các rãnh
trượt, khi đó điện trở thay đổi tỷ lệ
với vị trí của bàn đạp ga.

Hình 2.29: Cảm biến vị trí bàn đạp ga.

1. Rãnh trượt; 2. Trục với.

2.2.9. Cảm biến theo nguyên tắc dây nóng
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Dây sấy được mắc trong
một mạch cầu wheatsone. Mạch
cầu này có đặc điểm là hiệu điện
thế tại A và B bằng nhau khi tích
điện trở tính theo đường chéo là
bằng nhau:
[Ra + R3].R1=Rh.R2
Khi dây sấy (Rh) bị làm lạnh
bởi không khí, điện trở giảm kết
quả là tạo ra sự chênh lệch điện thế
giữa A và B. một bộ khuyếch đại
hoạt động sẽ nhận biết sự chênh
lệch này và làm cho điện áp cấp
đến mạch tăng (tăng dòng điện
chạy qua dây sấy (Rh)). Khi đó
nhiệt độ của dây sấy (Rh) tăng lên
kết quả là làm điện trở tăng cho đến
khi điện thế tại A bằng B.

Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý cảm biến hoạt
động theo nguyên tắc dây nóng.

Trang 17


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

b. Ứng dụng
Ứng dụng

Hình vẽ

Cảm biến đo lưu lượng khí
nạp dùng dây sấy:
Cảm biến được lắp trên
đường ống nạp của động cơ.
Cảm biến do lưu lượng khí
nạp vào động cơ. Dòng điện chạy
qua dây nóng 2 làm nó nóng lên. Khi
không khí chạy qua dây nóng, dây
nóng sẽ được làm mát phụ thuộc vào Hình 2.31: Cấu tạo cảm biến đo lưu lượng
khối lượng không khí nạp vào. Bằng
khí nạp dùng dây sấy.
cách điều khiển dòng điện chạy qua
1. Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 2. Dây
dây sấy để giữ cho nhiệt độ của dây
nóng; 3. Đường ống đi vòng.
không đổi ta có thể đo được lượng
khí nạp bằng cách đo dòng điện.
Điện áp này tỷ lệ thuận với khối

lượng khí nạp.

Trang 18


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

2.10. Cảm biến ôxy
Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Cảm biến oxy loại này có một
phần tử được chế tạo bằng Điôxít
Zirconia (Zro2, một laoij gốm). Phần
thử này được phủ ở cả bên trong và
bên ngoài bằng một lớp mỏng platin.
Không khí bên ngoài được dẫn vào
bên trong của cảm biến và bên ngoài
của nó tiếp xúc với khí xả.
Nếu nồng độ oxy trên bề mặt
trong của phần tử zirconia chênh
lệch lớn so với bề mặt bên ngoài tại
nhiệt độ cao (4000C hay cao hơn),
phần tử zirconia sẽ tạo ra một điện
áp để báo về nồng độ oxy trong khí
xả tại mọi thời điểm.
Khi tỷ lệ không khí – nhiên

liệu là nhạt, sẽ có nhiều oxy trong
khí xả, sẽ có nhiều oxy trong khí xả,
nên chỉ có sự chênh lệch nhỏ về
nồng độ giữa bên trong và bên ngoài
phần tử cảm biến. Vì lý do đó, điện
áp nó tạo ra rất nhỏ (gần 0V). Ngược
lại, nếu tỷ lệ không khí – nhiên liệu
đậm, oxy trong khí xả gần như biến
mất. Điều đó tạo ra sự chênh lệch
lớn về nồng độ oxy bên trong và bên
ngoài của cảm biến, nên điện áp tạo
ra tương đối lớn (xấp xỉ 1V).

Hình 2.32: Cấu tạo cảm biến oxy.
A. Lưu lượng khí thải qua ống;
B. Không khí ngoài trời;
C. Cảm biến điện áp;
1. Lớp Zirconia; 2. Platin (21 % oxy);
3. Platin (oxy còn lại quá trình cháy);
4. Dòng khí thải.

Platin (phủ bên ngoài phần tử
cảm biến) có tác dụng như một chất
xúc tác, làm cho oxy và Co trong khí
xả phản ứng với nhau. Nó làm giảm
giảm lượn oxy và tăng độ nhạy của
cảm biến.

Trang 19

Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

2.2.11. Cảm biến Tenxơ
a. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ

Trên hình 2.33 trình bày cấu
tạo của cảm biến dây điện trở. Nó
được bằng dây điện trở nhỏ có
đường kính 0,02  0,04 mm được
uốn đi uốn lại nhiều lần và dán
trên giấy hoặc trên lớp nhựa
mỏng.Ở hai đầu cuối có gắn các
dây nối ra. 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
biến dạng khi chi tiết bị biến dạng Hình 2.33: Cảm biến dây điện trở loại dây
tiết diện tròn.
và sẽ làm thay đổi kích thước hình
học của sợi dây điện trở (chiều dài
1. Điện trở tenxơ; 2. Giấy hoặc lớp nhựa
và diện tích tiết diện ngang), qua
mỏng; 3. Dây dẫn.
đó làm thay đổi tính chất vật lý của

Điện trở của dây điện trở được xác định
dây điện trở (điện trở suất). Như
theo công thức:
vậy điện trở của cảm biến dây điện
l
trở là hàm số của biến dạng của chi
R
S
tiết được thử, mà biến dạng của chi
tiết là do lực tác dụng lên nó, cho Trong đó:
nên điện trở của cảm biến sẽ thay
R: Điện trở của dây.
đổi tương ứng với lực tác dụng lên
 : Điện trở suất.
chi tiết đó. Khi điện trở của cảm
l: Chiều dài của sợi dây điện trở.
biến thay đổi thì đòng điện trên
mạch đó sẽ thay đổi tương ứng.
S: Diện tích tiết diện của sợi dây
Cảm biến dây điện trở có điện trở.
các ưu điểm:
Có thể dán trực tiếp lên chi
tiết cần nghiên cứu, do có kích
thước bé có thể dán vào chi tiết
nhỏ.

Trang 20


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Do trọng lượng nhỏ nên có
thể dán vào chi tiết quay nhanh.
Không có quán tính về điện
cho nên có thể dùng chúng làm
cảm biến đầu tiên trong các máy
ghi rung động và ghi gia tốc với tần
số tới hàng nghìn Hz.
Giá thành rất rẻ cho nên có
thể dùng một lần rồi bỏ đi.
Cảm biến dây điện trở có
loại tiết diện tròn và loại dây tiết
diện hình chữ nhật.Trên hình (2.34) Hình 2.34: Cảm biến dây điện trở loại dẹt.
trình bày cảm biến loại dẹt.

2.3. Mạch chuyển đổi, thiết bị chỉ thị và ghi
2.3.1. Mạch chuyển đổi
Như chúng ta đều biết hầu hết tín hiệu mà chúng ta thường gặp trong khoa
học và kỹ thuật là tín hiệu tương tự. Tức tín hiệu là các hàm của biến liên tục như
thời gian hoặc không gian và thường cho ta giá trị liên tục trên một khoảng.
Chúng ta hoàn toàn có thể xử lý trực tiếp các tín hiệu này nhờ các hệ
thống xử lý tín hiệu tương tự như là bộ lọc hay bộ phân tích tần số tương tự. Tuy
nhiên có một số điểm hạn chế khi xử lý với tín hiệu tương tự như: Tín hiệu tương
tự khó trong việc điều chỉnh, khó lưu trữ tín hiệu ... Tuy nhiên thì bộ xử lý tín
hiệu số khắc phục được điều này và vì vậy mà thông thường người ta sẽ chuyển
một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý.

Hình 2.35: Mô phỏng nguyên lý của bộ chuyển đổi A/D và D/A.

Trang 21


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Công việc chuyển đổi xảy ra qua 3 quá trình:
Lấy mẫu tín hiệu
Lấy mẫu là quá trình chuyển từ một tín hiệu tương tự liên tục theo thời
gian sang tín hiệu rời rạc theo thời gian bằng cách "lấy mẫu" tức là lấy giá trị của
tín hiệu tại những thời điểm cho trước. Lưu ý khoảng thời gian lấy giữa 2 lần lấy
mẫu liên tiếp là như nhau.
Như vậy nếu ta có một tín hiệu tương tự liên tục theo thời gian x(t) ta cần
lấy ra các tín hiệu x(n) thỏa:
x(n)=x(nT)
Trong đó: T được gọi là khoảng lấy mẫu hoặc là chu kỳ lấy mẫu.
Sau qua trình này ta thu được một mẫu x(n), Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín
hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại VI một cách trung
thực nếu điều kiện sau đây thỏa mản:
Trong đó fS: tần số lấy mẫu flmax: là giới hạn trên của giải tần số tương tự

Hình 2.36: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào

Nếu biểu thức (10) được thỏa mản thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp
để khôi phục VI từ VS.
Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều
cần có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần
thiết sau mỗi lần lấy mẫu. Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi

A/D trên thực tế là giá trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu.
Lượng tử hóa và mã hóa:
Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục
trong biến đổi giá trị. Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội
Trang 22


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Nghĩa là
nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa
thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này gọi là lượng tử hóa. Đơn vị
được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá trị bit
1 của LSB tín hiệu số bằng D. Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số
là mã hóa. Mã nhị phân có được sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của
chuyên đổi A/D.
Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu:
Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến
đổi có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến
đổi. Ta có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử dụng
mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu
kỳ chuyển đổi diễn ra.
Nguyên tắc hoạt động:
Sơ đồ khối:
Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy
mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu
diễn đầu vào tương tự. Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều
thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A. Do đó có nhiều phương pháp khác nhau

để chuyển đổi từ tương tự sang số.

Hình 2.37: Sơ đồ khối của một lớp ADC đơn giản.

Hoạt động cơ bản của lớp ADC thuộc loại này như sau:
Xung lệnh START khởi động sự hoạt động của hệ thống.

Trang 23


Khoa Cơ khí Động lực

Trường Đại Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu
trong thanh ghi.
Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế
tương tự VAX.
Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA. Nếu VAX < VA đầu
ra của bộ so sánh lên mức cao. Nếu VAX > VA ít nhất bằng một khoảng VT
(điện thế ngưỡng), đầu dra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình
biến đổi số nhị phân ở thanh ghi. Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA, giá dtrị nhị
phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số
tương đương VA, trong giới hạn độ phân giải và độ chính xác của hệ thống.
Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc.
Tiến trình này có thể có nhiều thay dổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là
sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi.
2.3.2. Thiết bị chỉ thị và ghi
Thiết bị chỉ thị để hiển thị các tín hiệu từ cảm biến (đã được chuyển đổi)
lên màn hình hiển thị để có thể nghiên cứu quá trình đo một đại lượng nào đó.

Trên hình 2.38 là máy hiện sóng oscilloscope số. Máy oscilloscope số lấy
mẫu dạng sóng và dùng một bộ phận chuyển đổi tương tự số (A và D) đê chuyển
đổi điện áp được đo thành thông tin số. Sau đó, nó dùng thông tin số này để tái
cấu trúc lại dạng sóng trên màn hình.

Hình 2.38: Máy hiện sóng oscilloscope.

Máy hiện sóng oscilloscope số bao gồm các hệ thống (hình 2.35):
Hệ thống dọc.
Hệ thống ngang.

Trang 24