霍尔[式]传感器

霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器及其他形式的霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成的传感器。

1)霍尔效应：霍尔效应(HallEffect)是美国约翰•霍普金斯大学物理学家霍尔博士(Dr．E．H．Hall)于1879年首先发现的。他发现把一个通有电流I的长方体形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH，当取消磁场时，电压立即消失。该电压后来称为霍尔电压，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比。

利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，利用霍尔元件制成的传感器称为霍尔式传感器。利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压，而且可以检测导线中流过的电流，因为导线周围的磁场强弱与流过导线的电流成正比关系。20世纪80年代以来，汽车上应用的霍尔式传感器与日剧增，主要原因在于霍尔式传感器有两个突出优点：一是输出电压信号近似于方波信号；二是输出电压高低与被测物体的转速无关。霍尔式传感器与磁感应式传感器不同的是需要外加电源。

2)霍尔式传感器基本结构：霍尔式传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片(磁轭)与永久磁铁等组成。触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片(在霍尔式点火系统中，叶片数与发动机气缸数相等)。当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。霍尔集成电路由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。

3)霍尔式传感器工作原理：当传感器轴转动时，触发叶轮的叶片便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过：当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，此时霍尔元件产生电压(UH=1．9～2．0V)，霍尔集成电路输出级的晶体管导通，传感器输出的信号电压U0为低电平(实测表明：当电源电压Ucc=14．4V或5V时，信号电压U0=0．1～0．3V)。

当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，霍尔电压UH为零，集成电路输出级的晶体管截止，传感器输出的信号电压U0为高电平(实测表明：当电源电压Ucc=14．4V时，信号电压U0=9．8V；当电源电压Ucc=5V时，信号电压U0=4．8V)。

切诺基(Cherokee)吉普车与红旗CA7220E型轿车采用了差动霍尔式曲轴位置传感器，其凸轮轴位置传感器均为普通霍尔式传感器。

(1)差动霍尔式传感器结构特点

差动霍尔式传感器又称为双霍尔式传感器，其结构与磁感应式传感器相似，如图2-30a所示。它由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成。差动霍尔式传感器的工作原理与普通霍尔式传感器相同。根据霍尔式传感器的工作原理。当发动机飞轮上的齿缺与凸齿转过差动霍尔电路的两个探头时，齿缺或凸齿与霍尔探头之间的气隙就会发生变化，磁通量随之变化，在传感器的霍尔元件中就会产生交变电压信号。其输出电压由两个霍尔信号电压叠加而成。因为输出信号为叠加信号，所以转子凸齿与信号发生器之间的气隙可以增大到(1±0．5)mm(普通霍尔式传感器仅为0．2～0．4mm)，因而便可将信号转子制成像磁感应式传感器转子一样的齿盘式结构，其突出优点是信号转子便于安装。在汽车上，一般将凸齿转子装在发动机曲轴上或将发动机飞轮作为传感器的信号转子。

(2)切诺基吉普车差动霍尔式曲轴位置传感器

1)结构特点：切诺基吉普车2．5L(四缸)、4．0L(六缸)电子控制燃油喷射式发动机采用了差动霍尔电路的霍尔式曲轴位置传感器。它安装在变速器壳体上。该传感器向ECu提供发动机转速与曲轴位置(转角)信号，作为计算喷油时刻和点火时刻的重要依据之一。2．5L四缸电子控制发动机的飞轮上制有8个齿缺。8个齿缺分成两组，每4个齿缺为一组，两组之间相隔角度为180。，同一组中相邻两个齿缺之间间隔角度为20。4．0L六缸电子控制发动机的飞轮上制有12个齿缺。12个齿缺分成三组，每4个齿缺为一组，相邻两组之间相隔角度为120。，同一组中相邻两个齿缺之间间隔角度也为20。

2)工作情况：飞轮上的每一组齿缺转过霍尔探头时，传感器就会产生一组共4个脉冲信号。其中，四缸发动机每转一圈产生两组共8个脉冲信号；六缸发动机每转一圈产生三组共12个脉冲信号。

对于四缸发动机，ECU每接收到8个信号，即可知道曲轴旋转了一转，再根据接收8个信号所占用的时间，就可计算出曲轴转速。对于六缸发动机，ECU每接收到12个信号，即可知道曲轴旋转了一转，再根据接收12个信号所占用的时间，就可计算出曲轴转速。电子控制单元控制喷油和点火时，都有一定的提前角，因此需要知道活塞接近上止点的位置。切诺基吉普车在每组信号输入ECU时，可以知道有两个气缸的活塞即将到达上止点位置。例如，在四缸发动机控制系统中，利用一组信号，ECU可知气缸1、4活塞接近上止点；利用另一组信号可知气缸2、3活塞接近上止点。在六缸发动机控制系统中。利用一组信号，可知气缸1与6、2与5、3与4活塞接近上止点。由于第4个齿缺产生的脉冲下降沿对应于压缩上止点前4。(BTDC4。)，因此第1个齿缺产生的脉冲信号下降沿对应于压缩上止点前64。(BT-DC64。)。当气缸1、4对应的第1个脉冲下降沿到来时，ECU即可知道此时气缸1、4活塞位于压缩上止点前64。(BTDC64。)，从而便可控制喷油提前角和点火提前角。但是，仅有曲轴转角信号，ECU还不能确定是哪一个缸位于压缩行程，哪一个缸位于排气行程，为此还需要一个气缸判别信号(即需要一只凸轮轴位置传感器)。(3)切诺基吉普车霍尔式凸轮轴位置传感器

1)结构特点：切诺基吉普车发动机控制系统的气缸判别信号由霍尔式凸轮轴位置传感器提供，该传感器又称为同步信号传感器，安装在分电器内，主要由脉冲环(信号转子)、霍尔信号发生器组成。

脉冲环上制有凸起的叶片，占180。分电器轴转角(相当于360。曲轴转角)。没有叶片的部分也占180。分电器轴转角(360。曲轴转角)。脉冲环安装在分电器轴上，随分电器轴一同转动。

2)工作情况：当脉冲环上的叶片进入信号发生器时，传感器输出高电平(5V)；当脉冲环上的叶片离开信号发生器时，传感器输出低电平(0V)。分电器轴转一圈，传感器输出一个高电平和一个低电平，高、低电平各占180。分电器轴转角(分别相当于360。曲轴转角)。同步信号的波形如图2-32所示。

当脉冲环的叶片前沿进入信号发生器、传感器输出高电平(5V)时，对于四缸发动机，表示气缸1、4活塞即将到达上止点，其中气缸1活塞位于压缩行程，气缸4活塞位于排气行程；对于六缸发动机，表示气缸3、4活塞即将到达上止点，其中气缸4活塞位于压缩行程，气缸3活塞位于排气行程。

当脉冲环的叶片后沿进入信号发生器、传感器输出低电平(0V)时，对于四缸发动机，表示即将到达上止点的仍然是气缸1、4活塞，其中气缸4活塞位于压缩行程，气缸1活塞位于排气行程；对于六缸发动机，表示气缸3活塞位于压缩行程，气缸4活塞位于排气行程。

利用凸轮轴位置传感器判别出是哪一个气缸即将到达排气上止点之后，ECU根据曲轴位置传感器信号，即可控制喷油提前角和点火提前角。设某一时刻的喷油提前角为上止点前64。(BTI)C64。)，当凸轮轴位置传感器脉冲环的叶片进入信号发生器、传感器输出高电平(5V)时，ECU判定四缸发动机的气缸4活塞位于排气行程(六缸发动机的气缸3活塞位于排气行程)，此时ECU在接收到曲轴位置传感器(CPS)第一个脉冲信号的下降沿(BTDC64。)时，向喷油器发出喷油信号，从而实现提前64。喷油。在凸轮轴位置传感器输出高电平(5V))时，ECU还判定四缸发动机的气缸1活塞(六缸发动机气缸4活塞)位于压缩行程，此时ECU根据曲轴位置传感器CPS信号和点火提前角计算值，在活塞运行到上止点前点火提前角度时，向点火控制器发出点火指令，控制火花塞点火，实现点火提前。

利用凸轮轴位置传感器对两个气缸的位置判定作为参考点，即可按照四缸发动机1—3—4—2(六缸发动机l一5—3—6—2—4)的工作顺序，对各个气缸进行提前喷油与提前点火控制。

(4)红旗CA7720E型轿车差动霍尔式曲轴位置传感器

红旗CA7220E型轿车CA488．3型发动机上装备的SIMOS4S3型电子控制燃油喷射系统采用的差动霍尔式曲轴位置传感器由信号转子与信号发生器组成。信号转子为齿盘式，安装在变速器壳体前端，它与捷达AT、GTX型轿车用磁感应式曲轴位置传感器转子相似，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿、57个小齿缺和一个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应于发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的弧度相当于两个凸齿和三个小齿缺所占的弧度。因为信号转子随曲轴一同旋转，曲轴旋转一圈(360。)，信号转子也旋转一圈(360。)，所以信号转子圆周上的凸齿和齿缺所占的曲轴转角为360。，每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3。(58×3。+57×3。=345。)，大齿缺所占的曲轴转角为15。(2×3。+3×3。=15。)。