霍爾[式]傳感器

霍爾式曲軸與凸輪軸位置傳感器及其他形式的霍爾式傳感器都是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的傳感器。

1)霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)(HallEffect)是美國約翰?霍普金斯大學物理學家霍爾博士(Dr．E．H．Hall)于1879年首先發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)把一個通有電流I的長方體形白金導體垂直于磁力線放入磁感應(yīng)強度為B的磁場中時，在白金導體的兩個橫向側(cè)面上就會產(chǎn)生一個垂直于電流方向和磁場方向的電壓UH，當取消磁場時，電壓立即消失。該電壓后來稱為霍爾電壓，UH與通過白金導體的電流I和磁感應(yīng)強度B成正比。

利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件，利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾式傳感器。利用霍爾效應(yīng)不僅可以通過接通和切斷磁場來檢測電壓，而且可以檢測導線中流過的電流，因為導線周圍的磁場強弱與流過導線的電流成正比關(guān)系。20世紀80年代以來，汽車上應(yīng)用的霍爾式傳感器與日劇增，主要原因在于霍爾式傳感器有兩個突出優(yōu)點：一是輸出電壓信號近似于方波信號；二是輸出電壓高低與被測物體的轉(zhuǎn)速無關(guān)?；魻柺絺鞲衅髋c磁感應(yīng)式傳感器不同的是需要外加電源。

2)霍爾式傳感器基本結(jié)構(gòu)：霍爾式傳感器主要由觸發(fā)葉輪、霍爾集成電路、導磁鋼片(磁軛)與永久磁鐵等組成。觸發(fā)葉輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上，葉輪上制有葉片(在霍爾式點火系統(tǒng)中，葉片數(shù)與發(fā)動機氣缸數(shù)相等)。當觸發(fā)葉輪隨轉(zhuǎn)子軸一同轉(zhuǎn)動時，葉片便在霍爾集成電路與永久磁鐵之間轉(zhuǎn)動。霍爾集成電路由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補償電路、信號變換電路和輸出電路等組成。

3)霍爾式傳感器工作原理：當傳感器軸轉(zhuǎn)動時，觸發(fā)葉輪的葉片便從霍爾集成電路與永久磁鐵之間的氣隙中轉(zhuǎn)過：當葉片離開氣隙時，永久磁鐵的磁通便經(jīng)霍爾集成電路和導磁鋼片構(gòu)成回路，此時霍爾元件產(chǎn)生電壓(UH=1．9～2．0V)，霍爾集成電路輸出級的晶體管導通，傳感器輸出的信號電壓U0為低電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V或5V時，信號電壓U0=0．1～0．3V)。

當葉片進入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級的晶體管截止，傳感器輸出的信號電壓U0為高電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V時，信號電壓U0=9．8V；當電源電壓Ucc=5V時，信號電壓U0=4．8V)。

切諾基(Cherokee)吉普車與紅旗CA7220E型轎車采用了差動霍爾式曲軸位置傳感器，其凸輪軸位置傳感器均為普通霍爾式傳感器。

(1)差動霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)特點

差動霍爾式傳感器又稱為雙霍爾式傳感器，其結(jié)構(gòu)與磁感應(yīng)式傳感器相似，如圖2-30a所示。它由帶凸齒的信號轉(zhuǎn)子和霍爾信號發(fā)生器組成。差動霍爾式傳感器的工作原理與普通霍爾式傳感器相同。根據(jù)霍爾式傳感器的工作原理。當發(fā)動機飛輪上的齒缺與凸齒轉(zhuǎn)過差動霍爾電路的兩個探頭時，齒缺或凸齒與霍爾探頭之間的氣隙就會發(fā)生變化，磁通量隨之變化，在傳感器的霍爾元件中就會產(chǎn)生交變電壓信號。其輸出電壓由兩個霍爾信號電壓疊加而成。因為輸出信號為疊加信號，所以轉(zhuǎn)子凸齒與信號發(fā)生器之間的氣隙可以增大到(1±0．5)mm(普通霍爾式傳感器僅為0．2～0．4mm)，因而便可將信號轉(zhuǎn)子制成像磁感應(yīng)式傳感器轉(zhuǎn)子一樣的齒盤式結(jié)構(gòu)，其突出優(yōu)點是信號轉(zhuǎn)子便于安裝。在汽車上，一般將凸齒轉(zhuǎn)子裝在發(fā)動機曲軸上或?qū)l(fā)動機飛輪作為傳感器的信號轉(zhuǎn)子。

(2)切諾基吉普車差動霍爾式曲軸位置傳感器

1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車2．5L(四缸)、4．0L(六缸)電子控制燃油噴射式發(fā)動機采用了差動霍爾電路的霍爾式曲軸位置傳感器。它安裝在變速器殼體上。該傳感器向ECu提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸位置(轉(zhuǎn)角)信號，作為計算噴油時刻和點火時刻的重要依據(jù)之一。2．5L四缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有8個齒缺。8個齒缺分成兩組，每4個齒缺為一組，兩組之間相隔角度為180。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度為20。4．0L六缸電子控制發(fā)動機的飛輪上制有12個齒缺。12個齒缺分成三組，每4個齒缺為一組，相鄰兩組之間相隔角度為120。，同一組中相鄰兩個齒缺之間間隔角度也為20。

2)工作情況：飛輪上的每一組齒缺轉(zhuǎn)過霍爾探頭時，傳感器就會產(chǎn)生一組共4個脈沖信號。其中，四缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生兩組共8個脈沖信號；六缸發(fā)動機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生三組共12個脈沖信號。

對于四缸發(fā)動機，ECU每接收到8個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收8個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。對于六缸發(fā)動機，ECU每接收到12個信號，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收12個信號所占用的時間，就可計算出曲軸轉(zhuǎn)速。電子控制單元控制噴油和點火時，都有一定的提前角，因此需要知道活塞接近上止點的位置。切諾基吉普車在每組信號輸入ECU時，可以知道有兩個氣缸的活塞即將到達上止點位置。例如，在四缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中，利用一組信號，ECU可知氣缸1、4活塞接近上止點；利用另一組信號可知氣缸2、3活塞接近上止點。在六缸發(fā)動機控制系統(tǒng)中。利用一組信號，可知氣缸1與6、2與5、3與4活塞接近上止點。由于第4個齒缺產(chǎn)生的脈沖下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前4。(BTDC4。)，因此第1個齒缺產(chǎn)生的脈沖信號下降沿對應(yīng)于壓縮上止點前64。(BT-DC64。)。當氣缸1、4對應(yīng)的第1個脈沖下降沿到來時，ECU即可知道此時氣缸1、4活塞位于壓縮上止點前64。(BTDC64。)，從而便可控制噴油提前角和點火提前角。但是，僅有曲軸轉(zhuǎn)角信號，ECU還不能確定是哪一個缸位于壓縮行程，哪一個缸位于排氣行程，為此還需要一個氣缸判別信號(即需要一只凸輪軸位置傳感器)。(3)切諾基吉普車霍爾式凸輪軸位置傳感器

1)結(jié)構(gòu)特點：切諾基吉普車發(fā)動機控制系統(tǒng)的氣缸判別信號由霍爾式凸輪軸位置傳感器提供，該傳感器又稱為同步信號傳感器，安裝在分電器內(nèi)，主要由脈沖環(huán)(信號轉(zhuǎn)子)、霍爾信號發(fā)生器組成。

脈沖環(huán)上制有凸起的葉片，占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。沒有葉片的部分也占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(360。曲軸轉(zhuǎn)角)。脈沖環(huán)安裝在分電器軸上，隨分電器軸一同轉(zhuǎn)動。

2)工作情況：當脈沖環(huán)上的葉片進入信號發(fā)生器時，傳感器輸出高電平(5V)；當脈沖環(huán)上的葉片離開信號發(fā)生器時，傳感器輸出低電平(0V)。分電器軸轉(zhuǎn)一圈，傳感器輸出一個高電平和一個低電平，高、低電平各占180。分電器軸轉(zhuǎn)角(分別相當于360。曲軸轉(zhuǎn)角)。同步信號的波形如圖2-32所示。

當脈沖環(huán)的葉片前沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，對于四缸發(fā)動機，表示氣缸1、4活塞即將到達上止點，其中氣缸1活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3、4活塞即將到達上止點，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸3活塞位于排氣行程。

當脈沖環(huán)的葉片后沿進入信號發(fā)生器、傳感器輸出低電平(0V)時，對于四缸發(fā)動機，表示即將到達上止點的仍然是氣缸1、4活塞，其中氣缸4活塞位于壓縮行程，氣缸1活塞位于排氣行程；對于六缸發(fā)動機，表示氣缸3活塞位于壓縮行程，氣缸4活塞位于排氣行程。

利用凸輪軸位置傳感器判別出是哪一個氣缸即將到達排氣上止點之后，ECU根據(jù)曲軸位置傳感器信號，即可控制噴油提前角和點火提前角。設(shè)某一時刻的噴油提前角為上止點前64。(BTI)C64。)，當凸輪軸位置傳感器脈沖環(huán)的葉片進入信號發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時，ECU判定四缸發(fā)動機的氣缸4活塞位于排氣行程(六缸發(fā)動機的氣缸3活塞位于排氣行程)，此時ECU在接收到曲軸位置傳感器(CPS)第一個脈沖信號的下降沿(BTDC64。)時，向噴油器發(fā)出噴油信號，從而實現(xiàn)提前64。噴油。在凸輪軸位置傳感器輸出高電平(5V))時，ECU還判定四缸發(fā)動機的氣缸1活塞(六缸發(fā)動機氣缸4活塞)位于壓縮行程，此時ECU根據(jù)曲軸位置傳感器CPS信號和點火提前角計算值，在活塞運行到上止點前點火提前角度時，向點火控制器發(fā)出點火指令，控制火花塞點火，實現(xiàn)點火提前。

利用凸輪軸位置傳感器對兩個氣缸的位置判定作為參考點，即可按照四缸發(fā)動機1—3—4—2(六缸發(fā)動機l一5—3—6—2—4)的工作順序，對各個氣缸進行提前噴油與提前點火控制。

(4)紅旗CA7720E型轎車差動霍爾式曲軸位置傳感器

紅旗CA7220E型轎車CA488．3型發(fā)動機上裝備的SIMOS4S3型電子控制燃油噴射系統(tǒng)采用的差動霍爾式曲軸位置傳感器由信號轉(zhuǎn)子與信號發(fā)生器組成。信號轉(zhuǎn)子為齒盤式，安裝在變速器殼體前端，它與捷達AT、GTX型轎車用磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器轉(zhuǎn)子相似，在其圓周上均勻間隔地制作有58個凸齒、57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準信號，對應(yīng)于發(fā)動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。大齒缺所占的弧度相當于兩個凸齒和三個小齒缺所占的弧度。因為信號轉(zhuǎn)子隨曲軸一同旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，信號轉(zhuǎn)子也旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，所以信號轉(zhuǎn)子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為360。，每個凸齒和小齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角均為3。(58×3。+57×3。=345。)，大齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為15。(2×3。+3×3。=15。)。