霍爾[式]傳感器簡(jiǎn)介

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(xué)物理學(xué)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(gè)通有電流I的長方體形白金導(dǎo)體垂直于磁力線放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中時(shí)，在白金導(dǎo)體的兩個(gè)橫向側(cè)面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于電流方向和磁場(chǎng)方向的電壓UH，當(dāng)取消磁場(chǎng)時(shí)，電壓立即消失。該電壓后來稱為霍爾電壓，UH與通過白金導(dǎo)體的電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)來檢測(cè)電壓，而且可以檢測(cè)導(dǎo)線中流過的電流，因?yàn)閷?dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)弱與流過導(dǎo)線的電流成正比關(guān)系。20世紀(jì)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(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：一是輸出電壓信號(hào)近似于方波信號(hào)；二是輸出電壓高低與被測(cè)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(dǎo)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(diǎn)火系統(tǒng)中，葉片數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)相等)。當(dāng)觸發(fā)葉輪隨轉(zhuǎn)子軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片便在霍爾集成電路與永久磁鐵之間轉(zhuǎn)動(dòng)?；魻柤呻娐酚苫魻栐⒎糯箅娐?、穩(wěn)壓電路、溫度補(bǔ)償電路、信號(hào)變換電路和輸出電路等組成。

3)霍爾式傳感器工作原理：當(dāng)傳感器軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dāng)葉片離開氣隙時(shí)，永久磁鐵的磁通便經(jīng)霍爾集成電路和導(dǎo)磁鋼片構(gòu)成回路，此時(shí)霍爾元件產(chǎn)生電壓(UH=1．9～2．0V)，霍爾集成電路輸出級(jí)的晶體管導(dǎo)通，傳感器輸出的信號(hào)電壓U0為低電平(實(shí)測(cè)表明：當(dāng)電源電壓Ucc=14．4V或5V時(shí)，信號(hào)電壓U0=0．1～0．3V)。

當(dāng)葉片進(jìn)入氣隙時(shí)，霍爾集成電路中的磁場(chǎng)被葉片旁路，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級(jí)的晶體管截止，傳感器輸出的信號(hào)電壓U0為高電平(實(shí)測(cè)表明：當(dāng)電源電壓Ucc=14．4V時(shí)，信號(hào)電壓U0=9．8V；當(dāng)電源電壓Ucc=5V時(shí)，信號(hào)電壓U0=4．8V)。

切諾基(Cherokee)吉普車與紅旗CA7220E型轎車采用了差動(dòng)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(dòng)霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

差動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)子和霍爾信號(hào)發(fā)生器組成。差動(dòng)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上的齒缺與凸齒轉(zhuǎn)過差動(dòng)霍爾電路的兩個(gè)探頭時(shí)，齒缺或凸齒與霍爾探頭之間的氣隙就會(huì)發(fā)生變化，磁通量隨之變化，在傳感器的霍爾元件中就會(huì)產(chǎn)生交變電壓信號(hào)。其輸出電壓由兩個(gè)霍爾信號(hào)電壓疊加而成。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)為疊加信號(hào)，所以轉(zhuǎn)子凸齒與信號(hào)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(hào)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(diǎn)是信號(hào)轉(zhuǎn)子便于安裝。在汽車上，一般將凸齒轉(zhuǎn)子裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)飛輪作為傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)子。

(2)切諾基吉普車差動(dòng)霍爾式曲軸位置傳感器

1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(dòng)機(jī)采用了差動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸位置(轉(zhuǎn)角)信號(hào)，作為計(jì)算噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻的重要依據(jù)之一。2．5L四缸電子控制發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上制有8個(gè)齒缺。8個(gè)齒缺分成兩組，每4個(gè)齒缺為一組，兩組之間相隔角度為180。，同一組中相鄰兩個(gè)齒缺之間間隔角度為20。4．0L六缸電子控制發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上制有12個(gè)齒缺。12個(gè)齒缺分成三組，每4個(gè)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(gè)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(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一組共4個(gè)脈沖信號(hào)。其中，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生兩組共8個(gè)脈沖信號(hào)；六缸發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生三組共12個(gè)脈沖信號(hào)。

對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，ECU每接收到8個(gè)信號(hào)，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收8個(gè)信號(hào)所占用的時(shí)間，就可計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)速。對(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，ECU每接收到12個(gè)信號(hào)，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)，再根據(jù)接收12個(gè)信號(hào)所占用的時(shí)間，就可計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)速。電子控制單元控制噴油和點(diǎn)火時(shí)，都有一定的提前角，因此需要知道活塞接近上止點(diǎn)的位置。切諾基吉普車在每組信號(hào)輸入ECU時(shí)，可以知道有兩個(gè)氣缸的活塞即將到達(dá)上止點(diǎn)位置。例如，在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，利用一組信號(hào)，ECU可知?dú)飧?、4活塞接近上止點(diǎn)；利用另一組信號(hào)可知?dú)飧?、3活塞接近上止點(diǎn)。在六缸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。利用一組信號(hào)，可知?dú)飧?與6、2與5、3與4活塞接近上止點(diǎn)。由于第4個(gè)齒缺產(chǎn)生的脈沖下降沿對(duì)應(yīng)于壓縮上止點(diǎn)前4。(BTDC4。)，因此第1個(gè)齒缺產(chǎn)生的脈沖信號(hào)下降沿對(duì)應(yīng)于壓縮上止點(diǎn)前64。(BT-DC64。)。當(dāng)氣缸1、4對(duì)應(yīng)的第1個(gè)脈沖下降沿到來時(shí)，ECU即可知道此時(shí)氣缸1、4活塞位于壓縮上止點(diǎn)前64。(BTDC64。)，從而便可控制噴油提前角和點(diǎn)火提前角。但是，僅有曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，ECU還不能確定是哪一個(gè)缸位于壓縮行程，哪一個(gè)缸位于排氣行程，為此還需要一個(gè)氣缸判別信號(hào)(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(diǎn)：切諾基吉普車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的氣缸判別信號(hào)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(hào)傳感器，安裝在分電器內(nèi)，主要由脈沖環(huán)(信號(hào)轉(zhuǎn)子)、霍爾信號(hào)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(dāng)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(dòng)。

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

當(dāng)脈沖環(huán)的葉片前沿進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時(shí)，對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，表示氣缸1、4活塞即將到達(dá)上止點(diǎn)，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(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，表示氣缸3、4活塞即將到達(dá)上止點(diǎn)，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(dāng)脈沖環(huán)的葉片后沿進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器、傳感器輸出低電平(0V)時(shí)，對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，表示即將到達(dá)上止點(diǎn)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(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(gè)氣缸即將到達(dá)排氣上止點(diǎn)之后，ECU根據(jù)曲軸位置傳感器信號(hào)，即可控制噴油提前角和點(diǎn)火提前角。設(shè)某一時(shí)刻的噴油提前角為上止點(diǎn)前64。(BTI)C64。)，當(dāng)凸輪軸位置傳感器脈沖環(huán)的葉片進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器、傳感器輸出高電平(5V)時(shí)，ECU判定四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸4活塞位于排氣行程(六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸3活塞位于排氣行程)，此時(shí)ECU在接收到曲軸位置傳感器(CPS)第一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿(BTDC64。)時(shí)，向噴油器發(fā)出噴油信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)提前64。噴油。在凸輪軸位置傳感器輸出高電平(5V))時(shí)，ECU還判定四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸1活塞(六缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸4活塞)位于壓縮行程，此時(shí)ECU根據(jù)曲軸位置傳感器CPS信號(hào)和點(diǎn)火提前角計(jì)算值，在活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)前點(diǎn)火提前角度時(shí)，向點(diǎn)火控制器發(fā)出點(diǎn)火指令，控制火花塞點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前。

利用凸輪軸位置傳感器對(duì)兩個(gè)氣缸的位置判定作為參考點(diǎn)，即可按照四缸發(fā)動(dòng)機(jī)1—3—4—2(六缸發(fā)動(dòng)機(jī)l一5—3—6—2—4)的工作順序，對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行提前噴油與提前點(diǎn)火控制。

(4)紅旗CA7720E型轎車差動(dòng)霍爾式曲軸位置傳感器

紅旗CA7220E型轎車CA488．3型發(fā)動(dòng)機(jī)上裝備的SIMOS4S3型電子控制燃油噴射系統(tǒng)采用的差動(dòng)霍爾式曲軸位置傳感器由信號(hào)轉(zhuǎn)子與信號(hào)發(fā)生器組成。信號(hào)轉(zhuǎn)子為齒盤式，安裝在變速器殼體前端，它與捷達(dá)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(gè)凸齒、57個(gè)小齒缺和一個(gè)大齒缺。大齒缺輸出基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸1或氣缸4壓縮上止點(diǎn)前一定角度。大齒缺所占的弧度相當(dāng)于兩個(gè)凸齒和三個(gè)小齒缺所占的弧度。因?yàn)樾盘?hào)轉(zhuǎn)子隨曲軸一同旋轉(zhuǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，信號(hào)轉(zhuǎn)子也旋轉(zhuǎn)一圈(360。)，所以信號(hào)轉(zhuǎn)子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為360。，每個(gè)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。)。