HCMUTE Chế Tạo Mô Hình Các Cảm Biến

Chuyên khảo phân tích Hcmute chế tạo mô hình các cảm biến, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Nguyễn Tấn Lộc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Chế Tạo Mô Hình Các Cảm Biến
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài KH&CN Cấp Trường
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lãnh vực đề tài trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết
• 1.3. Cách tiếp cận
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÔ HÌNH CÁC CẢM BIẾN
• 3. CHƯƠNG 3: TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÔ HÌNH
• 3.1. Phần mở đầu
• 3.2. Cấu trúc – Nguyên lý và phương pháp kiểm tra
• 3.2.1. Điện nguồn cung cấp cho ECU
• 3.2.2. Mạch điện của các cảm biến
• 3.3. Cảm biến lượng không khí nạp
• 3.3.1. Bộ đo gió dây nhiệt
• 3.3.2. Cảm biến chân không
• 3.3.3. Bộ đo gió van trượt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình cảm biến Tổng quan và mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu "Chế tạo mô hình cảm biến" (mã số T2014-65) tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc chế tạo mô hình các cảm biến sử dụng phổ biến trong động cơ xăng và diesel. Mục tiêu chính là đáp ứng nhu cầu đào tạo của Khoa Cơ khí Động lực HCMUTE và các trường dạy nghề liên quan. Mô hình cảm biến này cung cấp cho sinh viên cái nhìn trực quan về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế của các cảm biến, hỗ trợ quá trình học tập và thực hành hiệu quả hơn. Đề tài nhấn mạnh tính mới, sáng tạo trong việc tổng hợp các cảm biến thông dụng vào một mô hình duy nhất, góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp giảng dạy thực hành.

1.1 Bối cảnh nghiên cứu và tầm quan trọng

Nghiên cứu nằm trong bối cảnh ngày càng tăng về ứng dụng cảm biến trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt trong ngành ô tô. Việc sử dụng rộng rãi cảm biến giúp nâng cao độ tin cậy, hiệu suất động cơ và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường giao thông đang được quan tâm, đòi hỏi tiêu chuẩn khí thải cao hơn. Mô hình cảm biến này đóng góp vào việc nâng cao chất lượng đào tạo, trang bị cho sinh viên kiến thức và kỹ năng thực tiễn cần thiết. Đề tài hướng đến việc ứng dụng rộng rãi trong chương trình đào tạo của HCMUTE và các trường nghề, hỗ trợ giảng dạy và thực hành hiệu quả hơn. Nghiên cứu khoa học HCMUTE về lĩnh vực này có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao chất lượng nguồn nhân lực kỹ thuật.

1.2 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập tài liệu, tổng hợp thông tin, thực nghiệm và kinh nghiệm thực tiễn. Đề tài đã chế tạo thành công mô hình cảm biến, bao gồm các cảm biến như: bộ đo gió dây nhiệt, bộ đo gió van trượt, bộ đo gió Karman, cảm biến chân không, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến kích nổ, cảm biến ôxy, cảm biến G và Ne. Sản phẩm bao gồm mô hình cảm biến, tài liệu hướng dẫn sử dụng và báo cáo tóm tắt. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng tốt trong đào tạo tại HCMUTE và các cơ sở đào tạo liên quan. Phát triển cảm biến là một hướng nghiên cứu quan trọng của Viện nghiên cứu HCMUTE.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô hình

Mô hình cảm biến được thiết kế gọn nhẹ, dễ di chuyển. Hai mặt mô hình bố trí các cảm biến sử dụng trong động cơ xăng và diesel. Mô hình được thiết kế để sinh viên dễ quan sát, tiếp thu kiến thức lý thuyết và thực hành. Giảng viên có thể kết hợp mô hình với hình ảnh trình chiếu để giảng dạy hiệu quả. Tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình bao gồm phần mở đầu, cấu trúc - nguyên lý hoạt động và phương pháp kiểm tra, khắc phục sự cố. Thiết kế cảm biến được thực hiện dựa trên các nghiên cứu về công nghệ điều khiển động cơ xăng và diesel.

2.1 Các loại cảm biến được tích hợp trong mô hình

Mô hình tích hợp nhiều loại cảm biến quan trọng, bao gồm cảm biến lưu lượng không khí (nhiệt dây, van trượt, Karman), cảm biến chân không (MAP), cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ không khí nạp, cảm biến ôxy, cảm biến kích nổ, cảm biến tốc độ động cơ (NE), cảm biến G. Mỗi cảm biến có nguyên lý hoạt động riêng, được mô tả chi tiết trong tài liệu hướng dẫn. Việc tích hợp nhiều loại cảm biến trong một mô hình giúp sinh viên hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển động cơ hiện đại. Ứng dụng cảm biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp là rất lớn.

2.2 Nguyên lý hoạt động của các cảm biến điển hình

Ví dụ, cảm biến lưu lượng không khí dây nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý làm nguội dây nhiệt bởi dòng khí. Cường độ dòng điện cần thiết để duy trì nhiệt độ dây không đổi tỷ lệ thuận với lưu lượng khí. Cảm biến chân không (MAP) đo áp suất trong ống nạp, phản ánh lưu lượng khí nạp. Cảm biến vị trí bướm ga sử dụng điện trở thay đổi theo vị trí bướm ga. Các cảm biến khác hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự, chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện để ECU xử lý. Xử lý tín hiệu cảm biến là một phần quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ. Công nghệ cảm biến liên tục phát triển, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ứng dụng.

III. Ứng dụng và đánh giá mô hình

Mô hình cảm biến HCMUTE có ứng dụng quan trọng trong giảng dạy và đào tạo. Mô hình cung cấp môi trường học tập thực tiễn, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của các cảm biến trong động cơ. Mô hình có thể được sử dụng trong các trường đại học, cao đẳng nghề và các trung tâm đào tạo kỹ thuật ô tô. Việc sử dụng mô hình góp phần nâng cao chất lượng đào tạo, giúp sinh viên dễ dàng nắm bắt kiến thức và kỹ năng thực hành.

3.1 Giá trị thực tiễn và khả năng ứng dụng

Mô hình cung cấp cho sinh viên kinh nghiệm thực tế về cảm biến, giúp họ hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và ứng dụng trong thực tiễn. Mô hình có thể được sử dụng như một công cụ hỗ trợ giảng dạy, giúp sinh viên dễ dàng hiểu và ghi nhớ kiến thức. Mô hình đóng góp vào việc nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô. Ứng dụng cảm biến trong nông nghiệp, ứng dụng cảm biến trong y tế, ứng dụng cảm biến trong công nghiệp và ứng dụng cảm biến trong môi trường là những lĩnh vực tiềm năng. Internet vạn vật (IoT) và cảm biến IoT đóng vai trò quan trọng trong những ứng dụng này.

3.2 Hạn chế và đề xuất cải tiến

Mô hình hiện tại tập trung vào các loại cảm biến thông dụng. Có thể bổ sung thêm các loại cảm biến mới, công nghệ tiên tiến hơn để cập nhật kiến thức cho sinh viên. Cần cập nhật thường xuyên tài liệu hướng dẫn sử dụng để phản ánh những tiến bộ công nghệ mới. Việc tích hợp công nghệ truyền dữ liệu cảm biến và phân tích dữ liệu cảm biến có thể làm tăng giá trị của mô hình. An toàn thông tin cảm biến và bảo mật dữ liệu cảm biến cần được chú trọng. Bộ phận nghiên cứu HCMUTE nên tiếp tục nghiên cứu, phát triển các mô hình cảm biến tiên tiến hơn, phục vụ tốt hơn công tác đào tạo và nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Mô hình các cảm biến đƣợc chế tạo với mục đích tạo cho ngƣời học thấy đƣợc hình dạng thật của các cảm biến nhằm giúp cho ngƣời học dễ dàng quan sát và tiếp thu lý thuyết dễ dàng từ đó xác định dễ dàng vị trí bố trí của chúng trên động cơ. CẤU TRÚC – NGUYÊN LÝ VÀ PHƢƠNG PHÁP KIỂM TRA 3.1 ĐIỆN NGUỒN CUNG CẤP CHO ECU. Nguồn điện cung cấp đến cực +B và +B1 của ECU đƣợc lấy từ rơ le chính (EFI Main Relay). Có hai phƣơng pháp điều khiển rơ le chính.

 Điều khiển từ contact máy.  Điều khiển từ ECU. Hình 4:Sơ đồ mạch nguồn cung cấp ECU ĐIỀU KHIỂN TỪ CONTACT MÁY Điện nguồn cung cấp thƣờng trực đến cực BATT và E1 của ECU để lƣu trử các dữ liệu trong bộ nhớ trong suốt quá trình xe hoạt động. Khi tháo cầu chì EFI với thời gian khoảng 15 giây thì các dữ liệu trong bộ nhớ sẽ bị xóa.

Tuy nhiên, hiện nay đa số động cơ phải dùng thiết bị mới có thể xoá đƣợc các mã lỗi trong ECU. Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 11 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Khi contact máy ở vị trí IG có dòng điện đi qua cuộn dây rơ le chính làm cho tiếp điểm rơ le đóng. Dòng điện cung cấp cho ECU từ + ắc quy -> cầu chì EFI -> tiếp điểm rơ le chính -> cực +B và B1 của ECU. Kiểm tra điện nguồn cung cấp cho ECU Contact máy Batt – E1 +B –E1 Off 12 vôn 0 vôn On 12 vôn 12 vôn Bảng 1 ĐIỀU KHIỂN TỪ ECU.

Khi contact máy On, điện áp từ ắc quy cung cấp đến cực IG-SW của ECU động cơ, mạch điện điều khiển rơ le chính trong ECU cung cấp dòng điện qua cuộn dây rơ le chính ở cực M-REL làm rơ le đóng và điện nguồn sẽ đƣợc cung cấp cho ECU ở cực +B và B1. Phƣơng pháp này hiện nay đƣợc sử dụng khá phổ biến cho hang Toyota. Hình 5:Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho ECU Sơ đồ bên dƣới chỉ trƣờng hợp ECU điều khiển rơ le chính EFI nhƣng cho các hãng khác, ngoại trừ hãng Toyota. Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 12 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Hình 6: Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho ECU Khi contact máy On, có tín hiệu điện áp 12 vôn gửi về ECU ở cực IGSW, ECU sẽ nối mát cho cuộn dây của rơ le EFI làm rơ le đóng và có nguồn cung cấp cho ECU ở cực +B qua cầu chì và rơ le EFI.

Kiểm tra điện nguồn cung cấp cho ECU: Contact máy Batt – E1 +B –E1 Off 12 vôn 0 vôn On 12 vôn 12 vôn Bảng 2 Kiểm tra rơ le chính:  Kiểm tra điện trở cực 1 - 2: Điện trở ∞.  Kiểm tra điện trở cực 3 - 4: 60 - 90Ω.  Cấp nguồn ắc quy 12 vôn vào hai cực 3 và 4: Điện trở cực 1 - 2: 0 Ω MẠCH 5 VÔN Khi có điện nguồn cung cấp cho ECU ở cực +B, mạch nguồn 5 vôn trong ECU đƣợc hình thành. Nguồn 5 vôn dùng để:  Cấp nguồn cho bộ vi xử lý.

 Cấp nguồn 5 vôn cho các cảm biến nhƣ: cảm biến vị trí bƣớm ga, cảm biến chân không, cảm biến độ cao, cảm biến bàn đạp ga, cảm biến vị trí van EGR, cảm biến chênh lệch áp suất, cảm biến áp suất trợ lực lái… Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 13 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65  Nguồn 5 vôn cấp qua điện trở cho các cảm biến và tín hiệu khác nhƣ: cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát, cảm biến nhiệt độ không khí nạp,cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, tín hiệu IGF, tín hiệu IGT… Hình 7: Mạch 5 vôn MẠCH NỐI MÁT Hình 8: Mạch nối mát  E1: các cực ECU nối với âm ắc quy.  E01 và E02: các cực nối mát của các bộ chấp hành nhƣ kim phun, van ISC, điện trở cảm biến ôxy.2 MẠCH ĐIỆN CỦA CÁC CẢM BIẾN DẠNG BIẾN TRỞ Nguồn 5 vôn cung cấp vào hai đầu của điện trở, tùy theo vị trí con trƣợt trên điện trở mà ECU xác định đƣợc vị trí của nó qua thông số điện áp gởi về bộ vi xử lý. Kiểu này đƣợc sử dụng cho cảm biến vị trí bƣớm ga, cảm biến bàn đạp ga, vit điều chỉnh A/F… Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 14 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Hình 9 DẠNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ. Đối với cảm biến dạng nhiệt điện trở, khi điện trở của cảm biến thay đổi làm cho điện áp tại điểm A thay đổi theo.

Bộ vi xử lý xác định trị số điện áp này để nhận biết nhiệt độ làm việc của cảm biến. Loại này đƣợc sử dụng cho cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nhiên liệu, tín hiệu IGF… Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 15 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Hình 10 DẠNG CONTACT Tín hiệu bộ vi xử lý tiếp nhận dạng On-Off. Khi Transistor Off hoặc contact mở thì bộ vi xử lý nhận đƣợc tín hiệu điện áp là 5 vôn. Khi contact đóng hoặc transistor On, tín hiệu sẽ nhận là 0.

Dạng contact đƣợc áp dụng cho cảm biến bƣớm ga kiểu tiếp điểm, tiếp điểm cầm chừng trong cảm biến bƣớm ga kiểu tuyến tính, contact tay số NSW. Một số cảm biến sử dụng nguồn 12 vôn. Loại transistor đƣợc sử dụng cho cảm biến tốc độ xe SPD, tín hiệu IGF… Hình 11 DÙNG NGUỒN ĐIỆN KHÁC. ECU nhận tín hiệu điện áp từ bên ngoài để kiểm tra một số thiết bị có hoạt động hay không.

Kiểu này đƣợc sử dụng để nhận biết tải điện, hệ thống điều hoà không khí, tín hiệu khởi động STA. Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 16 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Hình 12 DẠNG TẠO TÍN HIỆU Một số cảm biến không sử dụng nguồn 5 vôn từ trong ECU, khi chúng làm việc thì chúng tự tạo ra tín hiệu dạng xung gởi về ECU. Ví dụ nhƣ cảm biến ôxy, cảm biến kích nổ, tín hiệu G và Ne dạng cảm biến điện từ.1 CẢM BIẾN LƢỢNG KHÔNG KHÍ NẠP Cảm biến luu lƣợng không khí nạp hay còn gọi là bộ đo gió có 4 kiểu cơ bản sau: 1. Bộ đo gió kiểu dây nhiệt.

Cảm biến chân không. Bộ đo gió van trƣợt. Bộ đo gió Karman. Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 17 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 Bộ đo gió dây nhiệt: Kiểu này đang đƣợc sử dụng rất phổ biến trên động cơ xăng và động cơ diesel ngày nay.

Bộ đo gió này kiểm tra khối lƣợng không khí nạp vào động cơ, nó có thể là loại dây nhiệt hoặc màng nhiệt. loại này có các đặc điểm sau:  Phạm vi đo khối lƣợng không khí nạp từ tốc độ cầm chừng đến chế độ tải lớn rất rộng, đặc biệt là sử dụng turbo để tăng áp cho động cơ.  Đặc tính làm việc không phụ thuộc vào sự hoạt động của xe ở vùng cao hay vùng thấp.  Trọng lựong bé, kích thƣớc nhỏ gọn.

 Không sử dụng các cơ cấu cơ khí nên nó có độ nhạy rất cao.  Kiểm tra trực tiếp khối lƣợng không khí nạp.  Sức cản dòng khí qua bộ đo gió nhỏ. Bộ đo gió dây nhiệt phần chính gồm một nhiệt điện trở (Thermister), dây nhiệt bằng platin (Platinum Hot Wire) đặt trên đƣờng di chuyển của không khí và mạch điều khiển điện tử.

Nhiệt điện trở dùng để kiểm tra nhiệt độ không khí nạp vào bộ đo gió. Hình 14:Sơ đồ nguyên lý bộ đo gió dây nhiệt Dây nhiệt và nhiệt điện trở đƣợc bố trí trên đƣờng di chuyển của không khí. Nếu lƣợng không khí nạp qua dây nhiệt càng nhiều, lƣợng nhiệt mang đi càng lớn và nó càng nguội đi. Khi nhiệt độ của dây platin đƣợc giữ ở một giá trị không đổi (Nhiệt độ này tuỳ thuộc vào hang xe và đời xe), thì có sự quan hệ giữa lƣợng không khí nạp và cƣờng độ dòng điện qua dây nhiệt để duy trì nhiệt độ của dây nhiệt.

Trong thực tế dây nhiệt đƣợc mắc trong một mạch cầu và nó có đặc điểm điện thế tại điểm A và B bằng nhau. Do vậy, khi dây nhiệt bị làm nguội bởi không khí nạp thì điện trở của nó giảm, nên điện áp tại điểm B cũng giảm theo và làm cho bộ khuếch đại Chế tạo mô hình các cảm biến Trang 18 Luan van Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2014-65 hoạt động, transistor mở để cho dòng điện vào mạch điện và dòng điện qua dây nhiệt tăng, điện trở dây nhiệt tăng cho đến khi điện thế tại điểm A bằng điểm B. Hình 15:Đặc tính bộ đo gió dây nhiệt Bằng cách sử dụng tính năng của mạch cầu, lƣợng không khí nạp VG có thể xác định bằng cách đo điện áp tại điểm B. Trong thiết kế, nhiệt độ dây nhiệt đƣợc duy trì cao hơn nhiệt độ của khí nạp ở một mức không đổi, khi độ chênh lệch nhiệt độ càng cao thì cảm biến càng nhạy.

Trong quá trình làm việc nếu nhiệt độ không khí nạp tăng một đại lƣợng là ∆T thì nhiệt độ dây nhiệt cũng gia tăng một đại lƣợng tƣơng ứng, để giải quyết vấn đề này bằng cách ngƣời ta lắp một điện trở nhiệt ở nhánh khác của cầu. Do vậy trong hệ thống không cần có cảm biến nhiệt độ không khí nạp để hiệu chỉnh lƣu lƣợng phun. Khi xe chạy ở độ cao càng cao thì mật độ không khí nạp giảm, nên khả năng làm nguội dây nhiệt cũng kém theo, nên không cần phải hiệu chỉnh phun theo độ cao của xe đang hoạt động. Trong thực tế cảm biến nhiệt độ không khí nạp vẫn đƣợc bố trí trên động cơ và cảm biến độ cao thƣờng đƣợc tích hợp trong ECU để tăng độ chính xác trong điều khiển.

Ở động cơ xăng, khi lƣợng không khí nạp là 14,7 kg thì lƣợng nhiên liệu phun là 1kg. Tín hiệu từ cảm biến số vòng quay của động cơ cùng với tí hiệu của bộ đo gió dung để xác định lƣợng nhiên liệu phun cơ bản (14,7/1). Tuỳ theo chế độ làm việc của động cơ mà ECU sử dụng tín hiệu của các cảm biến khác để hiệu chỉnh lại lƣu lƣợng phun cho phù hợp.