Các Loại Cảm Biến Trên Ô Tô Phổ Biến Hiện Nay
1. Cảm biến tốc độ bánh xe
Cảm biến tốc độ bánh xe có nhiệm vụ cơ bản là biến chuyển động quay của bánh xe tương ứng thành tín hiệu điện áp xoay chiều có tần số tỉ lệ thuận với tốc độ quay của bánh xe.
Vị trí lắp cảm biến tốc độ hay rotor cảm biến cũng như số lượng cảm biến thay đổi theo kiểu xe. Thông thường cảm biến tốc độ bánh trước được lắp vào cam quay và cảm biến tốc độ bánh sau được bắt vào mâm cầu sau. Rotor cảm biến được lắp trên trục trước chủ động và trục bánh xe sau, cùng quay với bánh xe.
Cảm biến tốc độ bánh xe có hai loại: Cảm biến điện từ và cảm biến HALL. Trong đó loại cảm biến điện từ được sử dụng phổ biến hơn. Cảm biến tốc độ bánh xe trước và sau bao gồm một nam châm vĩnh cửu để từ hoá cuộn dây, cuộn dây dùng để phát dòng điện xoay chiều và một lõi từ. Rotor cảm biến là một đĩa mép ngoài có răng và các răng cách đều nhau và A là khe hở giữa hai đầu lõi từ và vành răng (hình 8).
Khi bánh xe quay, các cảm biến tạo ra các tín hiệu điện từ. Những cảm biến này được ví như “Con mắt” của bộ điều khiển điện tử (ECU), giúp cho ECU cảm nhận được tốc độ và tình trạng bị khóa của bánh xe. Mỗi cảm biến có sử dụng cơ cấu rotor bánh răng, còn được gọi là “Vòng cảm biến”, “Vòng kích thích” hay “Vòng từ trở”, được gắn trên may ơ hoặc trục bánh xe và cùng quay với bánh xe.
Khi bánh răng của vòng cảm biến đi ngang qua cuộn dây cảm biến, một tín hiệu điện xoay chiều được tạo ra. Tần số và biên độ tín hiệu tăng khi tốc độ bánh xe tăng. Nếu bánh xe đứng yên, tần số tín hiệu cảm biến sẽ bằng 0. Hệ thống đánh giá logic trong bộ điều khiển điện tử sẽ hình thành một tốc độ chuẩn của xe để theo đó mà tác động trong quá trình điều khiển của phanh. Các thay đổi của một hay nhiều bánh xe sẽ được ghi nhận theo thực tế và khi chúng giảm tốc độ nhiều quá (so với tốc độ chuẩn) thì sẽ được nhận biết như là một nguy cơ bị bó cứng.
Tín hiệu điện từ được truyền về ECU bằng một cặp dây dẫn. Tuỳ theo cấu tạo của cảm biến, vành răng và khe hở giữa chúng, các xung điện áp tạo ra có thể nhỏ dưới 100 mV ở tốc độ thấp, hoặc cao hơn 100 mV ở tốc độ cao.
1: Nam châm vĩnh cửu
2: Cuộn dây
3: Vòng răng cảm biến
4: Hướng quay của vành răng
5: Khe hở giữa vành răng và đầu cảm biến
Khe hở không khí A giữa lõi từ và đỉnh răng của vành răng cảm biến chỉ khoảng 1mm và độ sai lệch phải nằm trong giới hạn cho phép. Hệ thống ABS sẽ không làm việc tốt nếu khe hở nằm ngoài giá trị tiêu chuẩn.
2. Cảm biến giảm tốc
Trên một số xe ngoài cảm biến tốc độ bánh xe còn được trang bị thêm một cảm biến giảm tốc cho phép. ECU xác định chính xác hơn sự giảm tốc của xe trong quá trình phanh. Kết quả là, mức độ đáp ứng của ABS được cải thiện tốt hơn. Nó thường được sử dụng nhiều trên xe 4WD bởi vì nếu một trong các bánh xe bị hãm cứng thì các bánh xe khác cũng có xu hướng bị hãm cứng theo, do tất cả các bánh được nối với cơ cấu truyền lực nên có tốc độ ảnh hưởng lẫn nhau. Cảm biến giảm tốc còn gọi là cảm biến “G”.
Cấu tạo của cảm biến như gồm hai cặp đèn LED và phototransistors, một đĩa xẻ rãnh và một mạch biến đổi tín hiệu. Đặc điểm của đèn LED là phát sáng khi chấp điện và phototransistors là dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào. Khi tốc độ giảm tốc của xe thay đổi, đĩa xẻ rãnh lắc theo chiều dọc xe tương ứng với mức độ giảm tốc. Các rãnh trên đĩa cắt cho ánh sáng từ đèn LED đến phototransistors, làm phototransistors đóng, mở, báo tín hiệu về ECU. ECU nhận những tín hiệu này để xác định chính xác trạng thái mặt đường và thực hiện các điều chỉnh thích hợp. Tín hiệu này được dùng để ECU điều khiển chế độ làm chậm sự tăng mômen xoay xe.
3. Cảm biến gia tốc ngang
Cảm biến gia tốc ngang được trang bị trên một vài kiểu xe, giúp tăng khả năng ứng xử của xe khi phanh trong lúc đang quay vòng, có tác dụng làm chậm quá trình gia tăng mô men xoay xe. Trong quá trình quay vòng, các bánh xe phía trong có xu hướng bị nhấc lên khỏi mặt đất do lực ly tâm và các yếu tố góc đặt bánh xe. Ngược lại, các bánh xe bên ngoài bị tỳ mạnh xuống mặt đường đặc biệt là các bánh xe phía trước bên ngoài. Vì vậy các bánh xe phía trong có xu hướng bó cứng dễ dàng hơn so với các bánh xe ở phía ngoài. Cảm biến tốc độ ngang có nhiệm vụ xác định gia tốc ngang của xe khi quay vòng và gửi tín hiệu về ECU. Trong trường hợp này một cảm biến kiểu phototransistors giống như cảm biến giảm tốc được gắn theo trục ngang của xe hay một cảm biến kiểu bán dẫn được sử dụng để đo gia tốc ngang. Ngoài ra cảm biến kiểu bán dẫn cũng được sử dụng để đo sự giảm tốc, do nó có thể đo được cả gia tốc ngang và gia tốc dọc.
4. Cảm biến tốc độ và vị trí
Chuyển động quay của cánh phát xung G trên trục cam và cánh phát xung NE trên trục khuỷu làm thay đổi khe hở không khí giữa các cánh phát xung và cuộn phát xung. Sự thay đổi khe hở không khí tạo ra sự biến thiên của từ trường trong cuộn phát xung làm xuất hiện các xung G và NE theo nguyên lý cảm ứng từ điện đã nêu trên.
4.1 Cảm biến vị trí trục cam (G)
Trên trục cam đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục cam có các cánh phát xung. Số cánh phát xung là 1 hoặc 3 hoặc một số khác tùy theo kiểu động cơ (trong hình vẽ có 3 cánh phát xung).
4.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE)
Trên trục khuỷu đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục khuỷu có một rotor với 34 cánh phát xung chia đều trên chu vi và một khu vực có hai cánh khuyết. Khu vực có 2 cánh khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu nhưng nó không thể xác định xem đó là điểm chết trên (TDC) của chu kỳ nén hoặc của kỳ xả. ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục khuỷu. Ngoài loại này,một số bộ cảm biến có rotor với 12, 24 cánh phát xung.. , nhưng độ chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo số cánh phát xung. Ví dụ: loại có 12 cánh phát xung có độ chính xác về phát hiện góc trục khuỷu là 300.
5. Cảm biến áp suất đường ống nạp (cảm biến chân không)
Đây là loại cảm biến quan trộng sử dụng trong loai D-EFI. Cảm biến nhận áp suất đường ống nạp bằng IC lắp trong cảm biến và phát ra tín hiệu PIM. ECU quyết định thời gian phun và góc đánh lửa sớm dựa vào tín hiệu này.
Nguyên lý hoạt động:
Một chip Silicon gắn liền với buồng chân không được duy trì độ chân không chuẩn, tất cả được đặt trong bộ cảm biến. Một phía của chíp tiếp xúc với áp suất đường ống nạp, phía kia tiếp xúc với độ chân không trong buồng chân không.
Áp suất đường ống nạp thay đổi làm hình dạng của chíp silicon thay đổi, và giá trị điện trở cũng dao động theo mức độ biến dạng. Sự dao động của giá trị điện trở này được chuyển hoá thành tín hiệu điện áp nhờ IC lắp bên trong cảm biến và sau đó được gửi đến ECU động cơ ở cực PIM dùng làm tín hiệu áp suất đường ống nạp. Cực VC của ECU động cơ cấp nguồn không đổi 5V đến IC.
6. Cảm biến lưu lượng khí nạp
Được dùng trong động cơ L-EFI để nhận biết lượng khí nạp. Tín hiệu lượng khí nạp được dùng để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm.
Phân loại:
– Cảm biến lưu lượng khí nạp: loại cánh, loại xoáy quang học Karman.
– Cảm biến khối lượng khí nạp (loại dây sấy).
6.1. Loại cánh
Cấu tạo và hoạt động:
Cấu tạo bao gồm các chi tiết như hình minh hoạ.
Hoạt động : Khi không khí đi từ lọc gió qua cảm biến lưu lượng khí nạp, nó sẽ đẩy mở tấm đo cho đến khi lực tác dụng cân bằng với lò xo. Một biến trở được lắp đồng trục với tấm đo, sẽ chuyển hoá lượng khí nạp thành tín hiệu điện áp (VS) đưa đến ECU. Buồng giảm chấn và tấm giảm chấn có tác dụng ngăn không cho tấm đo rung động khi lượng khí nạp thay đổi đột ngột. Trên đường khí tắt có vít chỉnh không tải. Cảm biến lưu lượng loại cánh có hai kiểu tín hiệu điện áp: loại VS giảm khi lượng khí nạp lớn, loại VS tăng khi lượng khí nạp tăng.
Loại 1: ECU động cơ cấp điện áp không đổi 5V đến cực VC của cảm biến lưu lượng khí nạp. Điện áp ra tại cực VS sẽ báo chính xác góc mở của tấm đo và báo chính xác lượng khí nạp.
Loại 2: loại này cực VB được cấp điện bởi ăc quy.
Do không được cấp điện áp không đổi 5V từ ECU nên lượng khí nạp được xác định :
6.2. Loại xoáy quang học Karman
Cảm nhận trực tiếp lượng khí nạp bằng quang học, có kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản.
Một thanh (bộ tạo xoáy) đặt giữa dòng chảy của không khí sinh ra một xoáy không khí gọi là “xoáy Karman” dọc theo thanh tạo xoáy. Xoáy được cảm nhận bằng cách cho bề mặt của một lá kim loại mỏng (gọi là tấm phản chiếu) tiếp xúc với áp suất của xoáy và rung động của tấm này được nhận biết bằng một cặp transistor quang học.
Bằng cách đo được tần số của xoáy, có thể xác định được lượng khí nạp.
Tín hiệu lượng khí nạp (KS) là một tín hiệu xung như hình. Khi lượng khí nạp thấp, tín hiệu này có tần số thấp, khi lượng khí nạp nhiều, tín hiệu có tần số cao.
6.3. Loại dây sấy
Cảm biến khí nạp loại dây sấy đo trực tiếp khối lượng không khí. Loại này cókết cấu gọn nhẹ, độ bền cao, sức cản không khí do cảm biến tạo ra thấp.
Dòng điện chạy qua dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi không khí chạy qua dây sấy ,dây sẽ được làm mát phụ thuộc vào khối lượng không khí nạp vào. Bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua dây sấy để giữ cho nhiệt độ của dây không đổi có thể đo được lượng khí nạp bằng cách đo dòng điện.
Trong cảm biến lượng khí nạp thực tế, dây sấy được mắc trong mạch cầu. Mạch cầu này có điện thế tại điểm A, 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 chênh lệch điện thế giữa hai điểm A, B. Một bộ khuếch đại nhận biết sự chêch lệch này làm cho điện áp cấp đến mạch tăng (tăng iRh) làm cho nhiệt độ dây sấy lại tăng, kết quả điện trở tăng cho đến khi điện thế tại A bằng điện thế tại B. Với tính năng này của mạch cầu, cảm biến có thể đo được khối lượng khí nạp nhờ nhận biết điện áp tại điểm B. Trong hệ thống này, nhiệt độ của dây sấy được thường xuyên duy trì không đổi cao hơn nhiệt độ của khí nạp bằng cách dùng một nhiệt trở Ra.
Như vậy, khối lượng khí nạp có thể đo được một cách chính xác.
– Khi nhiệt độ khí nạp thay đổi, ECU động cơ không cần hiệu chỉnh khoảng thời gian phun theo sự thay đổi của nhiệt độ.
– Khi mật độ không khí giảm xuống, khả năng làm mát dây sấy giảm, khi đó khối lượng khí nạp nhận biết cũng giảm nên không cần hiệu chỉnh phun.
6.4. Cảm biến khí nạp Karman kiểu siêu âm
Bộ đo gió kiểu Karman kiểu siêu âm được sử dụng chủ yếu trên xe của các hãng: Misubishi, Huyndai… có cấu trúc tạo xoáy tương tự loại quang nhưng việc đo tần số xoáy lốc được thực hiện thông qua sóng siêu âm. Nó bao gồm các bộ phận sau:
– Lỗ định hướng : Phân bố dòng khí đi vào.
– Cục tạo xoáy : Tạo dòng xoáy lốc Karman.
– Bộ khếch đại : Tạo ra sóng siêu âm.
– Bộ phát sóng : Phát các sóng siêu âm.
– Bộ nhận sóng : Nhận các sóng siêu âm.
– Bộ điều chỉnh xung: Chuyển đổi các sóng siêu âm đã nhận được thành các xung điện dạng số.
Khi dòng khí đi qua cục tạo xoáy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, nó sẽ tạo ra hai dòng xoáy ngược chiều nhau: một dòng theo chiều kim đồng hồ và dòng kia ngược chiều kim đồng hồ (dòng xoáy Karman). Tần số xuất hiện dòng xoáy tỉ lệ thuận với lưu lượng khí nạp tức phụ thuộc vào độ mở của cánh bớm ga.
Khi không có dòng khí đi qua thì cục tạo xoáy không thể phát ra dòng xoáy Karman, vì thế sóng siêu âm được lan từ bộ phận phát sóng (loa) đến bộ phận nhận sóng (mirco) trong một thời gian cố định T được dùng làm thời gian chuẩn để so.
Sóng siêu âm khi gặp dòng xoáy theo chiều kim đồng hồ đi qua sẽ truyền đến
bộ phận nhận nhanh hơn tức thời gian để sóng siêu âm đi qua đường kính d của ống
nạp T1 ngắn hơn thời gian tiêu chuẩn T.
7. Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió, nó chuyển góc mở bướm ga thành một điện áp gửi về ECU. Tín hiệu IDL được sử dụng chủ yếu để điều khiển cắt nhiên liệu khi giảm tốc và hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa, còn tín hiệu VTA và PSW dùng để tăng lượng phun nhiên liệu để tăng công suất ra.
Có 2 loại: – Loại tiếp điểm (bật, tắt).
– Loại tuyến tính.
7.1. Loại tiếp điểm
Cảm biến nhận biết động cơ đang ở chế độ không tải hay tải nặng bằng các tiếp điểm không tải IDL hay trợ tải PSW.
Các tiếp điểm hay các cực khác có thể cũng được sử dụng để thực hiện các chức năng khác tuỳ theo kiểu của động cơ. Chúng bao gồm:
– Công tắc cháy sạch LSW để hiệu chỉnh cháy sạch.
– Cực L1, L2, L3 điều khiển ECT; ACC1, ACC2 để nhận biết sự giảm tốc.
7.2. Loại tuyến tính
Bao gồm hai tiếp điểm trượt, tại mỗi đầu của nó có lắp các tiếp điểm để tạo tín hiệu IDL và VTA.
Một điện áp không đổi 5V được cấp cho cực VC từ ECU động cơ, khi tiếp điểm trượt dọc theo điện trở tương ứng với góc mở của bướm ga, một điện áp được cấp đến cực VTA tỉ lệ với góc mở này. Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cho tín hiệu IDL, nối cực IDL và E2.
8. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Nhiệt độ của nước làm mát được nhận biết bằng một nhiệt điện trở bên trong
như hình 25.
9. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Nhiệt độ khí nạp được nhận biết bằng một nhiệt điện trở bên trong.
10. Cảm biến tiếng gõ
Cảm biến này được lắp trên thân máy và nhận biết tiếng gõ trong động cơ. Khi xảy ra tiếng gõ trong động cơ, ECU động cơ dùng tín hiệu KNK để làm muộn thời điểm đánh lửa sớm nhằm ngăn chặn tiếng gõ.
Cảm biến này bao gồm một phần tử áp điện, nó sẽ tạo ra điện áp khi bị biến dạng do rung động của thân máy khi có tiếng gõ. Do tiếng gõ của động cơ có tần số xấp xỉ 7kHz nên điện áp do cảm biến tiếng gõ phát ra sẽ đạt mức cao nhất tại tần số này. Có 2 loại cảm biến tiếng gõ: một loại tạo ra điện áp cao trong dải tần số hẹp của rung động, một loại tạo ra điện áp cao trong dải tần số rộng.
11. Cảm biến áp suất tăng áp
Cảm biến cảm nhận áp suất tăng áp (đường ống nạp). Kết cấu và hoạt động của nó giống như cảm biến áp suất đường ống nạp. Nếu áp suất tăng áp trở nên cao không bình thường, ECU động cơ sẽ ngừng cung câp nhiên liệu để bảo vệ động cơ.
