Embed Size (px)
Citation preview
1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
BỘ MÔN MÁY ĐỘNG LỰC -----------------------
PGS. TS TRẦN THANH HẢI TÙNG
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
THỰC HÀNH CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO
Đà Nẵng, năm 2010
2
I. Mục đích: Bài thực hành nhằm giúp sinh viên: - Củng cổ các kiến thức liên quan đến nguyên tắc hoạt động, cấu tạo vào
ứng dụng của 1 số loại cảm biến thông dụng. - Nắm được những kỹ thuật đo, thu thập, hiển thị giá trị và kiểm tra hoạt
động của một số loại cảm biến. II. Yêu cầu
- Tham gia đầy đủ các buổi học lý thuyết và thực hành. - Sinh viên tham khảo các giáo trình và tài liệu liên quan môn học.
III. Nội dung môn học 1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến Bài 1: Cảm biến điện trở
- Cảm biến đo nhiệt độ: Gồm cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát.
- Cảm biến đo vị trí: Cảm biến đo vị trí bướm ga. - Cảm biến áp suất: Cảm biến đó áp suất khi nạp
Bài 2: Cảm biến điện từ : - Cảm biến vị trí và tốc độ trục khuỷu.
Bài 3: Tìm hiểu băng thử công suất động cơ. 2. Thực hành Bài 1: Cảm biến điện trở
- Cảm biến đo nhiệt độ: o Quan sát hoạt động của cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát.
- Cảm biến đo vị trí: o Đo và vẽ đặc tính của cảm biến đo vị trí bướm ga.
- Cảm biến đo áp suất: o Quan sát hoạt động của cảm biến đo áp suất khí nạp
Bài 2: Cảm biến điện từ: - Quan sát hoạt động của cảm biến đo vị trí và tốc độ trục khuỷu.
Bài 3: Tìm hiểu băng thử công suất động cơ. - Quan sát cấu tạo của băng thử công suất động cơ.
Quy định nộp báo cáo thực hành:
- Câu trả lời được viết trên giấy A4. - Sinh viên nộp câu trả lời cùng với mẫu báo cáo kết quả đã điền đầy
đủ thông tin.
3
PHẦN I
TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI CẢM BIẾN
BÀI 1: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ
I. Giới thiệu Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống.
Vật liệu chế tạo cảm biến thường là các kim loại nguyên chất như Platin, đồng hay chì hay là các vật liệu bán dẫn như carbon, silic,... Ngoài ra loại điện trở này cũng được ứng dụng để phát hiện ánh sáng, đo chuyển động, vị trí, áp suất. Trong bài thực hành này ta sẽ khảo sát hoạt động của của cảm biến đo vị trí, cảm biến đó nhiệt đô và cảm biến đo áp suất.
II. Nguyên lý hoạt động Các cảm biến kiểu điện trở dựa trên nguyên lý mạch phân áp :
H1. Mạch phân áp đơn giản H2. Sơ đồ mạch cầu Wheatone Trong đó giá trị điện trở Rs thay đổi theo sự thay đổi của tín hiệu cần đo
(nhiệt độ, áp suất,..).Điện áp đầu ra (Vout) phụ thuộc vào Rs theo công thức:
V =R
R + RV
Nếu R1>>Rs thì : V = V (Vout phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổi
của Rs). Tuy nhiên khi R1>>Rs thì Vout sẽ rất nhỏ. Do đó, Vout cần được khuyếch đại lên trước khi xử lý và hiển thị. Đo đạc được điện áp Vout và dựa vào mối quan hệ giữa điện trở Rs và đối tượng đo.
Một sơ đồ phổ biến khác cũng dựa trên nguyên tắc của mạch phân áp là mạch cầu Wheatstone như H2.
Mạch cầu này bao gồm một mạch chia áp như H1 (R1,R2) kết hợp với mạch chia áp thứ hai (R3,R4).
1. Trường hợp R2 là điện trở thay đổi theo đổi tượng đo. - Đoạn mạch R3,R4(không đổi) tạo ra 1 điện áp “chuẩn”(không đổi) VDC
bằng với điện áp trên điện trờ R2 giá trị danh định. Khi đó VBD=0. ( cầu cân bằng) (R1/R2 = R3/R4).
4
- Khi R2 thay đổi theo sự thay đổi của đại lượng đo thì VB thay đổi => VBD thay đổi. Đo giá trị của VBD ta suy ra được sự thay đổi của đại lượng đo.
2. Trường hợp cả 4 điện trở thay đổi theo đối tượng đo: - Cả 4 điện trở được hiểu chỉnh để điện áp đầu ra ứng với điều kiện chuẩn
bằng 0. - Khi có sự thay đổi của các điện trở theo đối tượng đo thì VB và VD thay
đổi => VBD thay đổi. Đo giá trị của VBD ta suy ra sự thay đổi của đại lượng đo. III. Giới thiệu các cảm biến điện trở thực tế
1. Giới thiệu một số loại cảm biến đo nhiệt độ trên oto Gồm có: - Cảm biến đo nhiệt độ khí nạp (Intake Air Temperature(IAT) Sensor) - Cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát (Engine Coolant Temperature (ECT)
Sensors)
H3. Cảm biến ECT và IAT H4. Sơ đồ của cảm biến ECT.
.
Hoạt động của các cảm biến là giống nhau. Điện trở nhiệt được nối tiếp với
1 điện trở có giá trị không đổi (như sơ đồ nguyên lý mạch phân áp). Dây nối mass luôn là chân E2. Khi nhiệt độ của cảm biến tăng thì điện trở giảm dẫn đến tín hiệu điện áp giảm. Từ tín hiệu của điện áp của điển trở nhiệt bên trong cảm biến, ECM tính ra nhiệt độ.
H6. Đồ thị sự thay đổi điện trở và tín hiệu điện áp theo nhiệt đô
H5. Sơ đồ của cảm biến IAT
5
2. Giới thiệu cảm biến đo vị trí bướm ga (Throttle Position Sensor) trên oto Đây là loại cảm biến được sử dụng để theo dõi vị trí của bướm ga trong
động cơ đốt trong. Cảm biến này luôn luôn được đặt tại trục quay của bướm ga để có thể đo trực tiếp sự thay đỏi vị trí. Cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ.
Nguyên lý của cảm biến là sử dụng mạch phân áp như đã trình bày.
Hoạt động của cảm biến: Con trượt của biến trở được nối trực tiếp với trục bướm ga. Khi van này thay đổi vị trí làm con trựot thay đổi vị trí trên biến trở. Từ đó làm thay đổi điện áp trên chân VTA1. Do đó, đo sự thay đổi tín hiệu điện áp trên chân VTA1 ta sẽ tính được vị trí của van.
3. Giới thiệu cảm biến đo áp suất khí nạp trên oto
H9. Hình ảnh và cấu tạo 1 loại cảm biến chân không Nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp suất này dựa trên hiệu ứng “áp trở”,
khi điện trở của 1 chất bán dẫn do áp lực bên ngoài. Lưu ý rằng, cần phần biệt hiệu ứng “áp điện” và “áp trở”.
Cấu tạo của cảm biến này là các điện trở bán dẫn được đặt trên một màng silicon mỏng. Một mặt của tấm silicon này được tiếp xúc với môi trường có áp suất chuẩn. Một mặt tiếp xúc với môi trường có áp suất cần đo.
H7. Sơ đồ mạch của cảm biến vị trí bướm ga
H8. Đường đặc tính thể hiện quan hệ giữa vị trí bướm ga và điện áp ra
6
Sự biến dạng của tấm silic dưới tác dụng của áp suất bên ngoài sẽ thay đổi giá trị các điện trở đặt trên nó. Các điện trở “áp trở” này mắc theo mạch cầu wheastone như hình 11. Lưu ý rằng trong trường hợp này cả 4 điện trở đều thay đổi theo áp suất bên ngoài.
H10. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến.
H11. Sơ đồ mạch nguyên lý H12. Đường đặc tính của cảm biến
Điện áp Vout thường rất nhỏ và có nhiễu nhiệt độ. Do đó ta cần có mạch bù
nhiệt, lọc nhiễu và khuyếch đại tín hiệu điện áp lên. Mạch lọc và khuyếch đại thường là kết hợp các bộ khuyếch đại thuật toán.
7
BÀI 2: CẢM BIẾN ĐIỆN TỪ
I. Giới thiệu Đây cũng là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời
sống. Trong bài thực hành này ta sẽ khảo sát hoạt động của của cảm biến đo vị trí và tốc độ động cơ.
II. Nguyên lý hoạt động Các cảm biến kiểu điện từ chủ yếu dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm
ứng điện từ: biến thiên từ thông gửi qua 1 vòng dây sinh ra suất điện động cảm ứng. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo.
Ta thấy có sự biến thiên từ thông qua cuộn dây khi có sự chuyển động
tương đối giữa nam châm và cuộn dây. Từ đó sinh ra suất điện động cảm ứng giữa 2 đầu cuộn dây. Điện áp đầu ra (Vout) phụ thuộc vào từ thông theo công thức:
V = −dΦdt
Do đó thông qua việc đo điện áp Vout ta có thể phát hiện được sự thay đổi của vị trí và tốc độ.
Lưu ý: Có nhiều cách để tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây. Ngoài cách thay đổi quay nam châm như H13, ta có thể dịch chuyển cuộn dây hoặc lõi sắt dẫn từ.
III. Giới thiệu cảm biến điện từ thực tế. 1. Giới thiệu cảm biến đo vị trí và tốc độ:
Gồm có: - Cảm biến vị trí trục cam ( còn gọi là cảm biến G) - Cảm biến vị trí và tốc độ trục khuỷu ( còn gọi là cảm biến NE) Cảm biến vị trí trục cam đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển đánh
lửa. Biết được vị trí trục cam, bộ điều khiển biết được xi lanh nào đang ở trong kỳ nén (động cơ 4 kỳ), từ đó điều chỉnh thời gian đánh lửa cho phù hợp.
H13. Nguyên lý cảm ứng điện từ
8
Bộ điều khiển sử dụng tốc độ trục khuỷu để xác định tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu, và cả việc đánh lửa sai. Do đó, kết hợp với cảm biến G, bộ điều khiển xác định thứ tự và thời điểm đánh lửa thích hợp.
Các cảm biến trên đều là loại cảm biến “pick-up coil” hoạt động dựa trên hiện tuợng cảm ứng điện từ. Kiểu cảm biến này gồm có nam châm vĩnh cữu, cuộn dây và lõi sắt.
H14. Nguyên lý, cấu tạo và dạng tín hiệu.
Khoảng cách giữa cuộn dây và rotor cố định.Trên rotor có các răng bằng vật liệu dẫn từ. Khi răng trên rotor đến gần và ra xa cuộn dây sẽ làm thay đổi từ thông qua cuộn dây, tạo ra tín hiệu điện áp gửi về bộ điều khiển. Trên đồ thị tín hiệu đầu ra, ta thấy khi tốc độ của rotor tăng thì dẫn đến tần số của tín hiệu ra tăng. Do đó ta có thể đo được tốc độ quay của trục.
H15. Cách bố trí cảm biến vị trí trục cam
H16: Cách bố trí cảm biến vị trí trục khuỷu
H17: Dạng tín hiệu đầu ra của cảm biến G và NE
9
BÀI 3: TÌM HIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
I. Giới thiệu Băng thử công suất là thiết bị cho phép đặt tải (trong phạm vi cho phép) lên
một động cơ nào đó nhằm mục đích kiểm tra công suất của động cơ đó. Các lỗi trong quá trình lắp ráp có thể được phát hiện trước khi động cơ được lắp ráp vào khung. Băng thử cũng đánh giá thực tế về hoạt động của một động cơ. Đây là bước kiểm tra chất lựơng cuối cùng trước khi động cơ được lắp ráp vào máy.
II. Nguyên lý hoạt động: Công suất của động cơ được xác định bằng công thức: P = M. với: P: Công suất động cơ (W) M: Mômen quay do động cơ gây ra (N.m) : Tốc độ góc của động cơ (rad/s) Do đó, băng thử xác định công suất của động cơ bằng cách xác định đồng
thời mômen do động cơ sinh ra và tốc độ quay của động cơ. Để xác định mômen của động cơ sinh ra, ta có thể áp dụng định luật 1 Newton cho chuyển động quay:
= const Mcản = Mđộng cơ
Băng thử sẽ điều chỉnh tải tác động vào động cơ cho đến khi tốc độ quay của động cơ không đổi. Khi đó mômen cản do băng thử sinh ra bằng mômen do động cơ sinh ra. Ta dễ dàng đo được tốc độ quay của động cơ bằng tachometer. Từ đó ta tính được công suất của động cơ.
III. Giới thiệu 1 số loại băng thử thực tế 1. Băng thử thủy lực: Ở loại này, công suất động cơ tiêu thụ vào việc quay
các máy thủy lực khác nhau.Trong quá trình làm việc, nước trong phanh thử nhận nhiệt từ các chi tiết ma sát và nóng lên. Vì vậy ở phanh thử này nước vừa là chất lỏng công tác, vừa là chất lỏng làm mát.
H18a. Băng thử thủy lực dạng chốt
10
2. Băng thử điện: là một thiết bị tải điện từ. Nguyên tắc hoạt động có thể được mô tả bởi hình dưới đây. Động cơ cần thử sẽ làm quay đĩa (resistance disk).
Dòng điện trong các cuộn dây xung quanh đĩa sẽ tạo ra lực cản điện từ lên đĩa, từ đó thay đổi tải lên động cơ.
H18b: Mô hình băng thử điện.
PHẦN II
THỰC HÀNH
BÀI 1: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ
I. Cảm biến đo nhiệt độ: Thực hành với cảm biến đo nhiệt độ trên mô hình hệ thống đánh lửa động cơ 4A-FE
1. Cảm biến đo nhiệt độ khí nạp (IAT): Mục đích: Quan sát sự thay đổi của tín hiệu điện áp đầu ra khi nhiệt độ khí
nạp (hoặc điện trở) thay đổi.
H19. Cắm 2 đầu thu tín hiệu của Oscilloscope
Thiết bị sử dụng: - Cảm biến đo nhiệt độ khí nạp trên mô hình…. - Đồng hồ vạn năng
11
Các bước tiến hành: - Cắm đầu thu tín hiệu đen vào cổng E2 và đầu đỏ vào cổng THA - Điều chỉnh biến trở (núm điều khiển màu đen). - Quan sát sự thay đổi điện áp trên chân THA. Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành.
2. Cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát (ECT): Mục đích: Quan sát sự thay đổi của tín hiệu điện áp đầu ra khi nhiệt độ
nước thay đổi (hoặc điện trở) thay đổi. Thiết bị thực hành: - Cảm biến - Đồng hồ vạn năng. Các bước tiến hành: - Cắm đầu thu tín hiệu đen vào cổng E2 và đầu đỏ vào cổng THA - Điều chỉnh biến trở (núm điều khiển màu đen). - Quan sát sự thay đổi điện áp trên chân THA. Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành. -
II. Cảm biến đo vị trí: 1. Cảm biến đo vị trí bướm ga:
Mục đích: Vẽ đường đặc tính của cảm biến Thiết bị thực hành: - Cảm biến đo vị trí bướm ga trên mô hình - Đồng hồ vạn năng Các bước tiến hành a. Cắm đầu thu tín hiệu đen vào cổng E2 và đầu đỏ vào cổng VTA1 b. Đặt cảm biến ở trạng thái đóng hoàn toàn. Ghi lại giá trị góc quay và giá
trị điện áp tương ứng. c. Lần lượt xoay bướm ga tới các góc trên thang chia (0-900) . Ghi lại giá trị
điện áp tương ứng vào bảng sau: STT Góc quay Điện trở.
Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành.
III. Cảm biến đo áp suất: 1. Cảm biến đo áp suất khí nạp:
Mục đích: Quan sát sự thay đổi của điện áp đầu ra khi thay đổi áp suất tác dụng lên cảm biến.
Thiết bị thực hành:
12
- Cảm biên - Đồng hồ vạn năng - Xi-lanh bơm hút. Các bước thực hành: - Cắm đầu thu tín hiệu đen vào cổng E2 và đầu đỏ vào cổng PIM - Sử dụng xi-lanh bơm hút để tạo ra sự thay đổi của áp suất tác dụng lên
cảm biến và quan sát sự thay đổi điện áp. Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành.
BÀI 2 : CẢM BIẾN ĐIỆN TỪ
I. Cảm biến đo vị trí và tốc độ: Mục đích: tìm hiểu hoạt động của cảm biến điện từ thông qua cảm biến đo
vị trí và tốc độ. Thiết bị thực hành: - Các cảm biến được bố trí trên mô hình. - Oscilloscope Các bước thực hành: a. Cắm đầu thu tín hiệu đen vào cổng E2 và 2 đầu đỏ vào 2 cổng G và NE+ b. Chỉnh Oscilloscope ở chế độ xem cả hai tín hiệu. Chỉnh chế độ xem tín
hiệu xoay chiều. c. Cho chạy động cơ xoay bộ chia điện bằng cách chỉnh biến trở. Quan sát
tín hiệu thu được trên oscilloscope. Đối chiếu với tín hiệu ở hình 17. d. Thay đổi tốc độ động cơ để xem sự thay đổi của tín hiệu thu được. rút ra
nhận xét. Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành.
BÀI 3: TÌM HIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
Mục đích: Thông qua bài thực hành sinh viên biết được một kết cấu cụ thể băng thử công suất loại điện và loại thủy lực.
Thiết bị thực hành: - Băng thử điện APA. - Băng thử thủy lực E4. Các bước thực hành: - Quan sát cấu tạo và bố trí của băng thử điện APA và băng thử thủy lực
E4. Yêu cầu: - Trả lời câu hỏi trong báo cáo thực hành.
13
BÁO CÁO KẾT QUẢ
THỰC HÀNH CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO Họ và tên:
Lớp:
Nhóm:
Ngày thực hành:
YÊU CẦU
BÀI 1: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ
I. Cảm biến đo nhiệt độ 1. Trình bày nguyên tắc hoạt động của cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và
nhiệt độ nước làm mát. 2. Nhận xét về sự thay đổi điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị biến trở?
II. Cảm biến đo vị trí bướm ga: 1. Trình bày nguyên tắc họat động của cảm biến vị trí bướm ga? 2. Ghi lại số liệu thu được vào bảng sau. Vẽ đường đặc tính của cảm
biến từ số liệu đã thu được. Nhận xét về đường đặc tính thu được. STT Góc quay Điện trở.
III. Cảm biến đo áp suất:
1. Trình bày nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của cảm biến đo áp suất khí nạp.
2. Nhận xét về sự thay đổi điện áp đầu ra khi thay đổi áp suất tác động lên cảm biến.
BÀI 2 : CẢM BIẾN ĐIỆN TỪ
I. Cảm biến đo tốc độ và vị trí: 1. Trình bày nguyên tắc hoạt động của cảm biến đo tốc độ và vị trí? 2. Vẽ lại dạng tín hiệu G và NE+ thu được trên oscilloscope. Đối chiếu
với tín hiệu ở hình 17. 3. Giải thích sự thay đổi về biên độ và tần số của tín hiệu khi tốc độ
động cơ thay đổi.
BÀI 3 : TÌM HIỂU VỀ BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
1. Vẽ lại sơ đồ bố trí của băng thử điện APA và băng thủy lực E4. 2. Lập bảng tóm tắt so sánh đặc điểm, nguyên lý làm việc, ưu nhược
điểm của băng thử thủy lực và băng thử điện. 3. Mô tả kết cấu của cơ cấu cân lực.
