Đề cương bài giảng cảm biến và cơ cấu chấp hành

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

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TRÊN Ô TÔ ....................................... 4
1.1. Định nghĩa về cảm biến ................................................................................. 4
1.2. Ứng dụng của cảm biến trên ô tô .................................................................. 4
1.3. Sự phân loại cảm biến ................................................................................... 5
1.3.1. Kiểu chỉ thị/hành động: .......................................................................... 6
1.3.2. Kiểu tín hiệu liên tục: ............................................................................. 6
1.3.3. Kiểu tín hiệu dạng xung: ........................................................................ 6
1.4. Các đặc trƣng cơ bản của cảm biến .............................................................. 7
1.4.1. Hàm truyền ........................................................................................... 7
1.4.2. Dãy động .............................................................................................. 7
1.4.3. Sai số và độ chính xác .......................................................................... 7
1.4.4. Độ phân giải ......................................................................................... 8
1.4.5. Băng thông ........................................................................................... 8
1.4.6. Độ nhạy S (sensitivity)......................................................................... 8
1.4.7. Độ tuyến tính ........................................................................................ 8
1.4.8. Độ nhanh và thời gian đáp ứng ............................................................ 9
1.4.9. Hiện tƣợng trễ ...................................................................................... 9
1.4.10. Nhiễu .................................................................................................... 9

1.4.11. Giới hạn sử dụng cảm biến ................................................................ 10
CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN VỊ TRÍ ............................................................................. 11
2.1. Đặc điểm chung ........................................................................................... 11
2.2. Cảm biến vị trí bƣớm ga .............................................................................. 11
2.2.1. Cảm biến bƣớm ga loại công tắc .......................................................... 12
2.2.2. Cảm biến bƣớm ga loại biến trở ........................................................... 13
2.3. Cảm biến bàn đạp ga ................................................................................... 14
2.3.1. Cảm biến chân ga loại tuyến tính: (Pedal position sensor- PPS) ........ 14
2.3.2. Cảm biến chân ga loại Hall .................................................................. 14
2.4. Cảm biến mức nhiên liệu............................................................................. 15
1


2.6. Cảm biến độ cao thân xe ............................................................................. 17
2.6.1. Cảm biến loại Hall ................................................................................ 17
2.6.2. Cảm biến loại biến trở .......................................................................... 18
2.7. Cảm biến khoảng cách (ultrasonic sensor) .................................................. 19
CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN TỐC ĐỘ .......................................................................... 21
3.1. Cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí trục cam ................................. 21
3.1.1. Cảm biến loại từ- điện .......................................................................... 21
3.1.2. Cảm biến loại quang- điện.................................................................... 26
3.1.3. Cảm biến loại Hall ................................................................................ 28
3.3. Cảm biến tốc độ ô tô (Vehicle Speed Sensor- VSS): .................................. 32
3.2.1. Loại công tắc lƣỡi gà ............................................................................ 32
3.2.2. Loại cảm biến từ điện ........................................................................... 32
3.2.3. Loại cảm biến quang điện .................................................................... 33
3.2.4. Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE ............................................................. 33
CHƢƠNG 4: CẢM BIẾN LƢU LƢỢNG GIÓ ........................................................ 35
4.1.Cảm biến khí nạp (cảm biến gió) kiểu cánh trƣợt ........................................ 35
4.2. Cảm biến khí nạp loại xoáy lốc Karman ..................................................... 36

4.3.Cảm biến khí nạp loại dây nóng (hot wire), màng nóng (hot film): ............ 40
CHƢƠNG 5: CẢM BIẾN LỰC, MÔMEN VÀ ÁP SUẤT ....................................... 43
5.1. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đƣờng ống nạp (MAP sensor) .................. 43
5.2. Cảm biến áp suất ống phân phối ................................................................. 44
5.3. Cảm biến kích nổ (Knock sensor- KNK) .................................................... 46
5.4. Cảm biến mômen lái (Torque sensor) ......................................................... 48
5.5. Cảm biến túi khí (air bag sensors) ............................................................... 50
5.5.1. Cảm biến túi khí trƣớc .......................................................................... 50
5.5.2. Cảm biến túi khí bên ............................................................................ 51
5.5.3. Cảm biến cửa bên ................................................................................. 52
5.5.4. Cảm biến túi khí theo vị trí ghế ............................................................ 52
5.5.5. Cảm biến phát hiện ngƣời ngồi trên ghế .............................................. 53
2


CHƢƠNG 6: CÁC CẢM BIẾN KHÁC..................................................................... 54
6.1. Các loại cảm biến nhiệt độ .......................................................................... 54
6.1.1. Cảm biến nhiệt độ động cơ (Engine temperature sensor– ETS) ......... 54
6.1.2. Cảm biến nhiệt độ khí nạp: (Air temperature sensor - ATS) ............... 55
6.2. Cảm biến khí xả (Exhaust Gas Sensor,Ôxyzen sensor,Air/fuel sensor) .... 55
6.2.1. Cảm biến khí xả với thành phần Zirconium : ....................................... 55
6.2.2. Cảm biến khí xả với thành phần Titania (TiO): ................................... 56
6.2.3. Cảm biến A/F R (Air/Fuel Ratio - cảm biến thành phần hoà khí ): ..... 57
6.3. Cảm biến nƣớc mƣa .................................................................................... 58
6.4. Cảm biến mặt trời ........................................................................................ 59
CHƢƠNG 7: CƠ CẤU CHẤP HÀNH ...................................................................... 61
7.1. Vòi phun xăng ............................................................................................. 61
7.2. Vòi phun dầu điêzen điện tử ........................................................................ 71
7.2.1. Vòi phun điều khiển bằng van điện từ (Solenoid) điện áp cao ............ 71
7.2.2. Đầu kim phun ....................................................................................... 76

7.3. IC đánh lửa (Igniter) .................................................................................... 80
7.4. Bơm nhiên liệu ............................................................................................ 81
7.4.1. Loại bơm cánh múc .............................................................................. 81
7.4.2. Loại bơm cánh gạt: ............................................................................... 81
7.4.3. Điều khiển bơm xăng ........................................................................... 82

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN TRÊN Ô TÔ
1.1. Định nghĩa về cảm biến
Ô tô ngày nay đƣợc trang bị một số lƣợng lớn các cảm biến. Chúng đƣợc coi nhƣ là
một tập hợp thống nhất của các cảm biến. Các cảm biến này biến đổi các đại lƣợng hoá lý
thành các đại lƣợng điện cần thiết cho các ECU trên ô tô thực hiện việc điều khiển động cơ,
điều khiển hệ thống an toàn, tiện nghi.
Cảm biến có nghĩa là thăm dò và chuyển đổi giá trị. Nó chuyển đổi dạng đại lƣợng
hoá lý (đại lƣợng không điện) gọi là đầu vào
cùng với yếu tố gây nhiễu
lƣợng đầu ra -một đại lƣợng điện nhƣ: điện áp, dòng điện, tần số, xung…

thành đại

Hình 1.1: Chức năng của cảm biến

Hình 1.2: Biểu tượng cảm biến

Một cảm biến có thể đƣợc xác định với các thông số sau:
Tín hiệu đầu vào:
Đại lƣợng cần đo:
Cảm biến cũng có thể có chức năng xử lý tín hiệu hoặc không.

1.2. Ứng dụng của cảm biến trên ô tô
Cảm biến và cơ cấu chấp hành hình thành lên giao diện của ô tô với các tính năng
phức hợp nhƣ lái, phanh, treo, khung vỏ… cũng nhƣ chức năng dẫn hƣỡng và định vị. Các
tín hiệu phải đƣợc xử lý bởi mạch xử lý tín hiệu để đƣa về dạng tiêu chuẩn yêu cầu bởi
ECU.

4


Hình 1.3: Cảm biến trên ô tô

Các mạch xử lý tín hiệu này đƣợc chế tạo riêng cho từng cảm biến cụ thể và tƣơng
thích với một chiếc ô tô cụ thể. Bộ xử lý của ô tô sẽ xử lý phức hợp các tín hiệu này với các
tín hiệu từ các ECU liên kết và việc điều khiển của ngƣời lái. Bộ phận hiển thị thông tin cho
ngƣời lái các trạng thái hoạt động trong toàn bộ quá trình. Dƣới đây là tổng quát hệ thống
điện tử trên ô tô hiện tại. Và nó còn tăng thêm nhanh chóng trong các năm tới đây.

Hình 1.4: Tổng quát hệ thống điện tử ô tô

1.3. Sự phân loại cảm biến

5


Các cảm biến trên ô tô có thể đƣợc phân chia thành ba kiểu: + Kiểu chỉ thị/hành
động
+ Kiểu tín hiệu liên tục
+ Kiểu tín hiệu dạng xung
1.3.1. Kiểu chỉ thị/hành động:
Các cảm biến trong kiểu này lại có thể phân chia theo hai nhóm:

+ Nhóm cảm biến có chức năng phát hiện trạng thái đóng/mở.
+ Nhóm cảm biến về an toàn hay chống trộm
+ Nhóm cảm biến theo dõi nhiên liệu, độ mòn hay thông tin về ngƣời lái/hành khách
1.3.2. Kiểu tín hiệu liên tục:
Kiểu này có thể phân chia thành các nhóm sau:
+ Tín hiệu liên tục, tuyến tính: Nhóm này rất thích hợp cho dải đo rộng.
+ Tín hiệu liên tục, không tuyến tính: Nhóm này thƣờng sử dụng cho phạm vi đo hẹp
(ví dụ tỷ lệ hoà khí, độ võng lò xo…)
+ Tín hiệu không liên tục, dạng 2 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 tƣơng tự: Dòng điện, điện áp, tần số, tỷ lệ thƣờng trực xung
+ Tín hiệu rời rạc: tín hiệu số (mã nhị phân)…

6


Hình 1.6: Tín hiệu dạng xung

1.4. Các đặc trƣng cơ bản của cảm biến
1.4.1. Hàm truyền
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dƣới dạng bảng giá
trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học.
- Hàm tuyến tính:

y = a + bx

- Hàm logarit:

y = 1 + blnx

- Hàm mũ:

y = a.e kx

- Hàm lũy thừa:

y= a0 + a1kx

- Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phƣơng pháp tuyến tính hóa
từng đoạn.
1.4.2. Dãy động
Dãy động là khoảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm biến có thể đáp ứng.
Những tín hiệu vƣợt ngoài dãy này sẽ tạo ra những đáp ứng không chính xác.
1.4.3. Sai số và độ chính xác
Ngoài đại lƣợng cần đo, cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý
khác gây nên sai số giữa giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo.
Gọi x là sai số tuyệt đối, sai số tƣơng đối của cảm biến:
% 

x
x100%
x




Có 2 loại sai số của cảm biến:

Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực và
giá trị đo đƣợc.
7


Nguyên nhân:
- Do nguyên lý của cảm biến.
- Giá trị đại lƣợng chuẩn không đúng.
- Do đặc tính của bộ cảm biến.
- Do điều kiện và chế độ sử dụng.
Do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên: có độ lớn và chiều không xác định.
Nguyên nhân:
- Do thay đổi đặc tính của thiết bị.
- Do nhiễu ngẫu nhiên.
- Do ảnh hƣởng các thông số môi trƣờng (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…).
1.4.4. Độ phân giải
Độ phân giải cảm biến đƣợc hiểu là khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu kích
thích nhỏ nhất theo thời gian.
1.4.5. Băng thông
Tất cả cảm biến đều có giới hạn thời gian đáp ứng đối với sự thay đổi của tín hiệu
kích thích. Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức là 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 của kích thích đƣợc xác định bởi tỉ số giữa độ
biến thiên  s của đáp ứng và độ biến thiên  m tƣơng ứng của kích thích.
 s 
S 

 m m mi

Độ nhạy đƣợc định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng. Là tỉ
số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích.
Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tƣơng ứng với những điều
kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, ngƣời sử dụng có thể đánh giá đƣợc
độ lớn của đại lƣợng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lƣợng đo.
Điều này cho phép lựa chọn đƣợc cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các
điều kiện đặt ra.
1.4.7. Độ tuyến tính
8


Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó
độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lƣợng đo m. Trên thực tế và ngay cả trong
lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm Si, mi cũng không nằm trên một đƣờng
thẳng. Đó là do có sự không chính xác trong khi đo và sai lệch trong khi chế tạo cảm
biến. Từ thực nghiệm có thể tính đƣợc phƣơng trình đƣờng thẳng biểu diễn sự tuyến
tính, đƣờng thẳng đó gọi là đƣờng thẳng tốt nhất có phƣơng trình: S = am + b
Trong đó:

với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính của đƣờng cong chuẩn. Nó
đƣợc xác định từ độ lệch cực đại giữa đƣờng cong chuẩn và đƣờng thẳng tốt nhất trong
dải đo (tính bằng %).
1.4.8. Độ nhanh và thời gian đáp ứng
Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lƣợng ngõ ra có đáp ứng đƣợc về
mặt thời gian với độ biến thiên của đại lƣợng đo hay không.
Thời gian đáp ứng là đại lƣợng xác định giá trị của độ nhanh.
1.4.9. Hiện tƣợng trễ
Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng

của sự sai lệch đƣợc gọi là hiện tƣợng trễ.
1.4.10. Nhiễu
Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu
do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm
biến. Nhiễu đƣợc phân bố qua phổ tần số. Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng
ngừa. Làm giảm ảnh hƣởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp.
Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại:
- Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ
chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tƣởng.
- Nhiễu do truyền dẫn.
Để chống nhiễu ta thƣờng dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín
hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. Một bộ đƣợc gọi là cảm biến chính và bộ
kia là cảm biến chuẩn đƣợc đặt trong màn chắn.
9


Để giảm nhiễu đƣờng truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau:
- Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn.
- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến.
- Sử dụng cáp ít nhiễu.
1.4.11. Giới hạn sử dụng cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác
động lên chúng. Nếu các ứng lực này vƣợt quá ngƣỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc
trƣng của cảm biến. Do đó ngƣời sử dụng phải biết các giới hạn ngƣỡng của cảm biến.
- Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thƣờng của cảm biến.
- Vùng không gây nên hƣ hỏng.
- Vùng không phá hủy.
Dải đo của cảm biến đƣợc xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lƣợng đo mà
trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thƣờng dải đo trùng với vùng
danh định.

10


CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN VỊ TRÍ
2.1. Đặc điểm chung
Các cảm biến vị trí bao gồm cảm biến đo khoảng cách và góc xoay, là những cảm
biến phổ biến nhất trên ô tô. Chúng đều là loại không tiếp xúc và không bị mài mòn nên có
tuổi thọ cao.
Biến đo: Có thể là đo trực tiếp hoặc 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

2.2. Cảm biến vị trí bƣớm ga
Cảm biến bƣớm ga đƣợc lắp ở trên trục bƣớm ga . Cảm biến này đóng vai trò
chuyển đổi vị trí góc mở bƣớm ga thành tín hiệu điện áp để gửi về ECU.
Cảm biến bƣớm ga có một số loại: Loại công tắc (tiếp điểm), loại biến trở (còn gọi là
loại tuyến tính), loại Hall.
11


Tín hiệu không tải (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi động cơ hoạt động
ở chế độ cầm chừng cũng nhƣ hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa.
Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lƣợng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng
công suất động cơ. Trên một số xe, cảm biến vị trí bƣớm ga còn giúp ECU điều khiển hộp
số tự động.Có nhiều loại cảm biến vị trí bớm ga, tùy theo yêu cầu và thiết kế trong các đời
xe thƣờng có các loại sau:
2.2.1. Cảm biến bƣớm ga loại công tắc

Cấu tạo: Trục bƣớm ga đƣợc lắp với một miếng cam rãnh bằng nhựa (1). Các tiếp
điểm lá (2) đƣợc gắn với chân các giắc PSW, E hoặc TL, IDL, trong đó một chốt của lá tiếp
điểm giữa (E hoặc TL) đƣợc cắm vào rãnh cam của miếng cam nhựa 1. Lá tiếp điểm giữa
của loại cảm biến âm chờ đƣợc nối mát, còn của loại cảm biến dƣơng chờ đƣợc nối với
nguồn dƣơng (+B hoặc 5V)

Hình 2.3: Cảm biến bướm ga loại công tắc
1. cam rãnh bằng nhựa 2. Các lá lò xo gắn tiếp điểm

Hình 2.4: Mạch điện cảm biến bướm ga loại âm chờ (a) và loại dương chờ (b)

Nguyên lý làm việc: Khi trục bƣớm ga xoay theo mức mở bƣớm ga, cam nhựa cũng
xoay theo một góc tƣơng ứng làm cho lá tiếp điểm E hoặc TL bị đẩy sang bên này hoặc bên
kia. Ở chế độ không tải (cầm chừng) bƣớm ga đóng ( góc mở <50) thì tiếp điểm di động E
hoặc TL sẽ tiếp xúc với tiếp điểm IDL và tín hiệu điện áp tại giắc IDL báo cho ECU biết
động cơ đang hoạt động chế độ không tải . Tín hiệu này dùng để cắt nhiên liệu khi động cơ
giảm tốc đột ngột.
Ở chế độ tải lớn, bƣớm ga mở 500-700 ( tùy từng loại động cơ) so với vị trí đóng
hoàn toàn, tiếp điểm di động E hoặc TL tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải PSW và tín hiệu điện

12


áp tại giắc PSW báo cho ECU biết động cơ đang hoạt động chế độ tải lớn để ECU điều
khiển phun xăng tăng thêm nhằm phát huy công suất của động cơ.
2.2.2. Cảm biến bƣớm ga loại biến trở

Hình 2.5:Cảm biến bướm ga loại biến trở

Cấu tạo loại này có một hoặc hai con trƣợt, ở mỗi đầu con trƣợt đƣợc thiết kế những

tiếp điểm để trƣợt trên mạch điện trở than. Mạch điện trở than đƣợc gắn trên miến nhựa lắp
với trục bƣớm ga. Tùy loại cảm biến mà các con trƣợt có thể đƣợc đấu với giắc (hoặc các
giắc) VC, VTA, E2 và IDL, trong đó:
VC- Điện áp ổn áp 5V từ ECU; E2- Mát; VTA- Tín hiệu ra của cảm biến; IDL- Tín
hiệu không tải.
Khi bƣớm ga mở, con trƣợt trƣợt trên điện trở than và tạo ra điện áp tăng dần ở giắc
VTA tƣơng ứng với góc mở của bƣớm ga. Khi bƣớm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm không
tải IDL nối với cực E2. Trên đa số các xe, cảm biến bƣớm ga loại biến trở chỉ có 3 dây VC,
VTA và E2 mà không có dây IDL.
2.2.3. Cảm biến bƣớm ga loại Hall

a)

b)

c)

Hình 2.6: Cảm biến bướm ga loại Hall
a- Cấu tạo.

b- Sơ đồ mạch.

c- Đặc tính

Cấu tạo cơ bản gồm hai IC Hall đƣợc lắp cố định trên một nắp nhựa của cụm bƣớm
ga và đƣợc cấp nguồn 5V qua chân VC và E ,đầu ra của cảm biến là VTA1 và VTA2. Hai
miếng nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn trên trục bƣớm ga và lồng vào phía ngoài các IC Hall
13

thông qua một khe hở nhỏ. Để đảm bảo độ tin cậy cao hơn, phải cung cấp nguồn độc lập
cho từng IC Hall.
Hoạt động: Khi bƣớm ga mở, trục bƣớm ga xoay kéo theo các nam châm xoay
quanh các IC Hall. Từ thông của các nam châm tác động đến các IC Hall thay đổi và dẫn
đến điện áp tại các đầu ra VTA1, VTA2 thay đổi theo góc mở bƣớm ga.
Một số loại cảm biến bƣớm ga có thêm giắc tín hiệu cháy nghèo LSW hoặc các giắc
phụ L1, L2, L3 , ACC1 và ACC2 dùng để điều khiển số tự động hoặc hệ thống phanh ABS.
2.3. Cảm biến bàn đạp ga
Trên động cơ ôtô thƣờng sử dụng 2 loại cảm biến chân ga đó là: cảm biến chân ga
loại tuyến tính và cảm biến chân ga loại hall.
2.3.1. Cảm biến chân ga loại tuyến tính: (Pedal position sensor- PPS)
Cảm biến này đƣợc lắp đặt rất chính xác vào chân ga. Cấu tạo và hoạt động của cảm
biến này giống với cảm biến bƣớm ga loại tuyến tính.
Trong các tín hiệu từ cảm biến này gửi tới ECU, một tín hiệu là VPA truyền điện áp
thay đổi tuyến tính với góc đạp chân ga. Tín hiệu thứ hai (VPA2) là tín hiệu bù của tín hiệu
VPA.

a
Cấu tạo.

b
b- Sơ đồ mạch.

c
c-Đườngđặc tuyến

Hình 2.7: Cảm biến chân ga loại tuyến tính

2.3.2. Cảm biến chân ga loại Hall
Cấu tạo và hoạt động của cảm biến này giống nhƣ cảm biến bƣớm ga loại Hall.

14


Hình 2.8: Cảm biến chân ga loại Hall

2.4. Cảm biến mức nhiên liệu
Một phần tử lƣỡng kim đƣợc gắn ở đồng hồ chỉ thị và một biến trở trƣợt kiểu phao
đƣợc dùng ở cảm biến mức nhiên liệu.

Hình 2.9: Bơm xăng

Hình 2.10: Cấu tạo bơm xăng

Biến trở trƣợt kiểu phao bao gồm một phao dịch chuyển lên xuống cùng với mức
nhiên liệu. Thân bộ cảm nhận mức nhiên liệu có gắn với điện trở trƣợt, và đòn phao nối với
15


điện trở này. Khi phao dịch chuyển, vị trí của tiếp điểm trƣợt trên biến trở thay đổi làm thay
đổi điện trở. Vị trí chuẩn của phao để đo đƣợc đặt hoặc là vị trí cao hơn hoặc là vị trí thấp
hơn của bình chứa. Do kiểu đặt ở vị trí thấp chính xác hơn khi mức nhiên liệu thấp, nên nó
đƣợc sử dụng ở những đồng hồ có dãi đo rộng nhƣ đồng hồ hiển thị số.
2.5. Cảm biến góc đánh lái

Hình 2.11: Vị trí cảm biến góc lái

Cảm biến lái loại quang có cấu tạo gồm một đĩa cảm biến có khóet rãnh đƣợc lắp
trên cột lái và quay cùng tốc độ với cột lái. Khối nhận tín hiệu gồm 3 bộ led và photo
transistor, vi trí cặp led và photo transsitos giữa tƣơng ứng với trƣờng hợp xe đi thẳng, vi trí

cặp led và photo transsitos bên phải tƣơng ứng với trƣờng hợp quay lái sang phải, vi trí cặp
led và photo transsitos bên trái tƣơng ứng với trƣờng hợp quay lái sang trái. Đặc trƣng của
các phần tử cảm quang này là khi có dòng ánh sáng chiếu vào nó sẽ trở nên dẫn điện và
ngƣợc lại, khi không có dòng ánh sáng chiếu vào nó sẽ không dẫn điện. Độ dẫn điện của
chúng phụ thuộc váo cƣờng độ dòng ánh sáng.

Hình 2.12: Nguyên lý làm việc của cảm biến góc lái

Khi dĩa cảm biến quay cùng với cột lái, dòng ánh sáng phát ra từ led sẽ bị ngắt quãng
làm cho phần tử cảm quanh dẫn ngắt liên tục tạo ra các xung vuông làm tín hiệu để xác định
chiều quay lái, vận tốc góc của vô lăng, mô men cản trên vô lăng.

16


Xung incremental Encoder:

ST 1

ST 2

ST N

Hình 2.13: Hình xung Encoder

Ta thấy rằng nếu nhƣ khi xung ST 1 đang từ mức thấp xuống mức cao, mà lúc đó ST
2 đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định đƣợc chiều chuyển động của encoder theo chiều
mũi tên (quay sang trái). Nếu ST 1 đang từ mức cao xuống mức thấp, mà ST 2 đang ở mức
cao, thì chúng ta sẽ biết encoder đang quay theo chiều mũi tên (quay sang phải).
2.6. Cảm biến độ cao thân xe

Cảm biến này phát hiện độ cao thân xe trong việc điều khiển khoảng sáng gầm xe để
tăng tính ổn định ở tốc độ cao. Đồng thời cảm biến này còn phát hiện sự nảy đuôi xe hoặc
đầu xe trong trƣờng hợp tăng tốc nhanh hoặc phanh gấp để giúp hệ thống treo điện tử có
điều khiển độ cứng các phần tử đàn hồi phù hợp sao cho xe ổn định khi tăng tốc nhanh và
phanh gấp.
2.6.1. Cảm biến loại Hall

1. Đòn xoay(pivot lever); 2. Giá treo nối với đòn treo dưới;
3.Giá treo nối với khung; 4. Cảm biến độ cao thân xe; 5. Cần dẫn
Hình 2.14: Cảm biến độ cao thân xe

Cấu tạo:

17


Đòn xoay (pivot lever) xoay tƣơng ứng với độ cao thân xe, thông qua trục dẫn động
2 làm xoay giá 4 và xoay nam châm hình xuyến 6 đƣợc gắn trên giá này. IC Hall đƣợc gắn
trên stator 5 sẽ sinh ra điện áp Hall có độ lớn tƣơng ứng với lƣợng từ thông của các nam
châm xuyên qua nó. Khi trục 2 xoay theo sự thay đổi độ cao thân xe dẫn đến xoay giá 4 và
xoay các nam châm, từ thông của các nam châm xuyên qua IC Hall thay đổi sẽ dẫn đến điện
áp Hall thay đổi theo.

Hình 2.15: Cấu tạo cảm biến độ cao thân xe

Hình 2.16: Đặc tính đầu ra của cảm biến

2.6.2. Cảm biến loại biến trở
Cảm biến này chuyển đổi các biến động về chiều cao của xe thành những thay đổi về
góc quay của thanh liên kết. Khi đó kết quả thay đổi đƣợc phát hiện dƣới dạng thay đổi điện

áp. Khi xe trở nên cao hơn thì điện áp tín hiệu cũng cao hơn; khi xe trở nên thấp hơn thì
điện áp tín hiệu cũng tụt xuống.

18


Hình 2.17: Cảm biến điều chỉnh chiều cao xe

2.7. Cảm biến khoảng cách (ultrasonic sensor)
Cảm biến khoảng cách loại siêu âm này dùng để xác định khoảng cách từ ô tô tới các
chƣớng ngại vật và thăm dò khoảng cách an toàn phía trƣớc và phía sau của ô tô khi ra vào
chuồng.

Hình 2.18: Mặt cắt cảm biến

Cảm biến với vỏ nhựa đƣợc tích hợp giắc cắm, bộ phát sóng siêu âm (là màng
nhôm có gắn phần tử áp điện), một bản mạch pcb.
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý xung phản hồi. Nhận xung điều
khiển từ ECU, trong khoảng thời gian 300 micro giây, mạch điều khiển của cảm biến kích
hoạt màng nhôm bằng một xung vuông ở tần số cộng hƣởng và khiến nó sinh ra sóng siêu
âm. Xung phản hồi từ vật cản sẽ đập trở lại màng nhôm và đƣợc truyền trở lại mạch tạo dao
động. Trong khoảng thời gian (khoảng 900 micro giây) từ lúc nhận tín hiệu phản hồi cho
đến khi ngừng dao động thì không tiếp nhận thêm sóng phản hồi nào nữa. Phần tử áp điện
trong bộ tạo dao động sẽ tạo ra tín hiệu dạng tƣơng tự, sau đó tín hiệu này đƣợc khuếch đại
và số hoá ở mạch điều khiển của cảm biến.
19


Hình 2.19: Sơ đồ khối cảm biến

20


CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN TỐC ĐỘ
3.1. Cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí trục cam
3.1.1. Cảm biến loại từ- điện
Loại nam châm đứng yên :
Cảm biến bao gồm một rotor có số cánh phát xung tƣơng ứng với số xylanh động cơ
(cũng có loại 1 ,2 hoặc 3 cánh phát xung), một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ ghép với
một thanh nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây và lõi sắt đƣợc đặt cách các cánh phát xung của
rotor một khe nhỏ (0,2  0,4mm) và đƣợc cố định trên vỏ bộ chia điện. Khi rotor quay, các
cánh phát xung lần lƣợt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn phát xung.

Hình 3.1: Cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên

Khi cánh phát xung ở vị trí nhƣ hình 2.2.A , điện áp trên cuộn phát xung bằng 0. Khi
cánh phát xung tiến lại gần cực từ của lõi thép, khe hở giữa cánh phát xung và lõi thép giảm
dần và từ trƣờng mạnh dần lên. Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn phát xung sẽ tại
ra sức điện động e ( hình 2.3).
e  k ..

d
dt

Trong đó:
k : hệ số phụ thuộc chất liệu từ của lõi thép và khe hở giữa lõi thép và cánh phát
xung.
 : số vòng dây của cuộn phát xung.

n : tốc độ quay của rotor.

d
dt

: tốc độ biến thiên của từ thông trong lõi thép.

21


Khi cánh phát xung của rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trƣờng bằng
0 và sức điện động trong cuộn phát xung nhanh chóng giảm về 0 ( hình 2.2. C).
Khi cánh phát xung đi xa lõi thép ( hình 2.2. D), từ thông qua lõi thép giảm dần và
sức điện động xuất hiện trong cuộn phát xung có chiều ngƣợc lại (xung âm).
Ở chế độ khởi động, sức điện động phát ra rất nhỏ, chỉ vào khoảng 0,5 (V). Ở tốc độ
cao lên khoảng vài chục V.

Hình 3.2: Vị trí tương đối của rotor và cuộn dây nhận tín hiệu.

Hình 3.3: Nguyên lý làm việc của cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên.

Hình 3.3 mô tả quá trình biến thiên của từ thông lõi thép và xung điện áp ở hai đầu
ra của cuộn phát xung. Xung này có dạng nhọn.
Loại nam châm quay:
Đối với loại này, nam châm đƣợc gắn trên rotor, còn cuộn phát xung đƣợc quấn
quanh một lõi thép và cố định trên vỏ bộ chia điện. Khi nam châm quay, từ thông xuyên
qua cuộn phát xung biến thiên tạo nên một sức điện động trong cuộn phát xung. Do từ
thông qua cuộn phát xung đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn phát xung lớn. Ở
chế độ cầm chừng, tín hiệu điện áp ra khoảng 2(V) . Xung điện áp có dạng trên hình 2.48.

22

Hình 3.4: Cảm biến từ điện loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xylanh.
1 . Rotor nam châm ; 2. Lõi thép từ ; 3.Cuộn phát xung.

Một số kiểu cảm biến từ- điện phổ biến trên thị trƣờng
Cảm biến từ điện phổ biến trên thị trƣờng chia làm 3 kiểu: kiểu đặt trong bộ chia
điện, kiểu đặt ở đầu trục khuỷu, trục cam và kiểu tách rời.
Kiểu lắp trong bộ chia điện:

Hình 3.5: Kiểu cảm biến lắp trong bộ chia điện

Đối với kiểu này cảm biến vị trí trục cam (G) và cảm biến tốc độ động cơ (NE) đều
đƣợc lắp trong bộ chia điện. Số lƣợng cánh phát xung của rotor và số lƣợng cuộn phát xung
cho từng loại động cơ và từng hãng có thể khác nhau. Trên các hình 2.5, 2.6,2.7 là kết cấu
và dạng xung (tín hiệu) của bộ cảm biến G và NE tiêu biểu của dòng TOYOTA.
Xung (tín hiệu) G báo cho ECU biết góc trục quay trục cam, tức là kỳ của các xylanh
trong động cơ để xác định thời điểm đánh lửa so với điểm chết trên (TDC) của mỗi xylanh.
Các bộ phận để tạo xung (tín hiệu) G gồm:

23


Rotor tín hiệu G có 4 cánh phát xung, đƣợc gắn vào trục của bộ chia điện và quay 1
vòng khi trục khuỷu quay 2 vòng.

R
otor G

Cuộn
phát xung

Hình 3.6: Cảm biến G và xung tín hiệu

Cuộn phát xung G, đƣợc lắp bên trong vỏ của bộ chia điện.
Rotor có 4 cánh phát xung và kích hoạt cuộn phát xung 4 lần trong mỗi vòng quay
trục bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng xung nhƣ hình 2.6. Từ tín hiệu này, ECU nhận biết
đƣợc piston nào gần điểm chết trên (TDC) để điều khiển đánh lửa.
Xung (tín hiệu) NE đƣợc ECU động cơ sử dụng để nhận biết tốc độ động cơ. Tín
hiệu NE đƣợc sinh ra trong cuộn phát xung nhờ cánh phát xung giống nhƣ khi tạo ra tín
hiệu G. Chỉ có sự khác biệt duy nhất là rotor cảm biến NE có 24 cánh phát xung. Nó kích
hoạt cuộn phát xung 24 lần trong một vòng quay của trục bộ chia điện (tƣơng ứng với 2
vòng quay của trục khuỷu động cơ), tạo ra tín hiệu dạng xung nhƣ hình 2.7. Từ các tín hiệu
này, ECU động cơ nhận biết tốc độ đông cơ cũng nhƣ từng thay đổi 300 một của góc quay
trục khuỷu

Cuộn phát
xxxung Rot
or
cảm
biến NE

Hình 3.7: Cảm biến NE và xung tín hiệu

.

Kiểu lắp ở đầu trục cam :
Kết cấu và hoạt động của kiểu lắp ở đầu trục cam giống nhƣ kiểu lắp trong bộ chia
điện, nhƣng phía trên rotor cảm biến G không có con quay chia điện và nắp chia điện.

24