李晨光，王茂美

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100084）

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曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器原理及檢測(cè)

李晨光，王茂美

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100084）

摘 要：文章針對(duì)應(yīng)用較廣的磁電式傳感器和霍爾式傳感器展開(kāi)論述，介紹兩者的工作原理和區(qū)別，并以伊蘭特車型的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器展開(kāi)研究，通過(guò)檢測(cè)確認(rèn)伊蘭特車型的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器的型式及工作原理。

關(guān)鍵詞：傳感器；磁感應(yīng)原理；霍爾元件；霍爾電壓

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.058

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-162-03

引言

曲軸位置傳感器CKPS，又稱發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，用于檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角位移，給ECU提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，作為燃油噴射和點(diǎn)火控制的主控信號(hào)。常與凸輪軸位置傳感器CMPS配合使用，CMPS用于給ECU提供凸輪軸轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)位置（第一缸壓縮上止點(diǎn)）信號(hào)，也作為燃油噴射控制和點(diǎn)火控制的主控信號(hào)。

曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器常用磁電式和霍爾式，兩者有什么不同？伊蘭特汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用何種型式的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器，下面我們依此展開(kāi)討論和研究。

1、磁電式和霍爾式傳感器的工作原理

1.1 磁電式傳感器工作原理[1]

E: 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

N: 導(dǎo)電回路中線圈的匝數(shù)；

如圖1所示，信號(hào)盤(pán)安裝在曲軸或凸輪軸上，并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)盤(pán)上均制有若干凸齒和齒槽（特殊：一寬齒槽或裝一銷釘），信號(hào)盤(pán)形狀決定了信號(hào)波形。永磁鐵安裝在信號(hào)盤(pán)的邊緣，產(chǎn)生永磁場(chǎng)，穿過(guò)信號(hào)盤(pán)、電磁線圈等。電磁線圈：當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出信號(hào)。

圖1 磁電式傳感器結(jié)構(gòu)

電磁式曲軸位置或凸輪軸位置傳感器的核心元件是一個(gè)電磁線圈，該線圈纏繞在一個(gè)永久性磁鐵上，它螺栓固定在傳感器安裝支架上，繞組的兩端與電器引線相連接，如圖2所示。

圖2 電磁式曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 磁電式傳感器產(chǎn)生信號(hào)

當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子隨曲軸或凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈會(huì)感應(yīng)出如圖3所示的交變電壓信號(hào)。由以上所知，磁電式傳感器的工作不需要供電端，僅需兩個(gè)端子即可，即信號(hào)端和搭鐵端，磁電式傳感器可以測(cè)出電阻值。

1.2 霍爾式傳感器工作原理[2]

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，由霍爾元件、永久磁鐵、電子電路和齒圈組成，如圖4所示。

圖4 霍爾傳感器組成

如圖4（a）所示霍爾元件置于永久磁場(chǎng)B中，磁場(chǎng)B垂直于霍爾元件，當(dāng)有電流I流過(guò)霍爾元件時(shí)，在垂直于電流I和磁場(chǎng)B的方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U。當(dāng)圖4（b）的齒圈置于霍爾元件和磁場(chǎng)之間（圖4（c）），并隨曲軸或凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件兩端感應(yīng)出如圖4（d）所示的方波信號(hào)。由此可知，霍爾傳感器工作需要供電端、信號(hào)端和接地端，霍爾式傳感器電阻值不可測(cè)。

2、磁感應(yīng)式和霍爾式傳感器的區(qū)別

在汽車工程領(lǐng)域，磁電式傳感器主要用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較小時(shí)，輸出變量也很小，可見(jiàn)磁電式傳感器的低速特性不好。所以磁電式傳感器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 / 上止點(diǎn)位置傳感器上。

由霍爾原理可知, 霍爾傳感器的輸出電壓 U 與被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān), 因此它的高、低速特性都很好，汽車上的車速傳感器大多采用霍爾式傳感器。

磁電式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是其輸出信號(hào)的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，若速度過(guò)慢，其輸出信號(hào)低于 1V，電控單元就無(wú)法檢測(cè)。 當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，傳感器的頻率響應(yīng)又跟不上，而且磁電式傳感器的抗電磁波干擾能力差。

霍爾式傳感器的輸出信號(hào)電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響，它的頻率響應(yīng)也高，而且霍爾式傳感器的抗電磁波干擾能力也強(qiáng)，但是霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。如圖5是霍爾式傳感器在實(shí)車的安裝圖。

圖5 奧迪1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器

3、伊蘭特發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置和凸輪軸位置傳感器的型式

3.1 伊蘭特凸輪軸位置傳感器在實(shí)車的安裝圖

圖6 傳感器實(shí)車安裝圖

3.2 伊蘭特凸輪軸位置傳感器工作原理圖

圖7 傳感器工作原理圖

3.3 伊蘭特凸輪軸位置傳感器的阻值檢測(cè)

將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于OFF位置，用萬(wàn)用表測(cè)量傳感器插座的2號(hào)端子與3號(hào)端子（接地）間的阻值為15.81MΩ，如圖8所示。

圖8 傳感器阻值檢測(cè)

3.4 曲軸位置和凸輪軸位置傳感器的波形分析[3]

連接專用示波器或發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀，將波形測(cè)試探針插入傳感器信號(hào)輸出端子。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，依據(jù)示波器菜單操作提示，進(jìn)入該傳感器波形測(cè)試狀態(tài)，讀取并分析傳感器波形。如圖9所示。

圖9 傳感器波形分析

曲軸位置傳感器的波形隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而頻率增加，電壓為2.3—2.5V，且基本不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。

3.5 傳感器型式確認(rèn)

通過(guò)圖6傳感器實(shí)車安裝圖，可以看出伊蘭特凸輪軸位置傳感器的型式跟磁電式傳感器結(jié)構(gòu)組成相似，唯有不同的是此傳感器有三個(gè)端子。通過(guò)圖7的工作原理圖發(fā)現(xiàn)此傳感器與磁電式傳感器的原理不符。通過(guò)對(duì)阻值的測(cè)量發(fā)現(xiàn)此傳感器阻值為很大，排除磁電式傳感器的可能。通過(guò)波形的測(cè)試,傳感器輸出為方波信號(hào)，與霍爾傳感器相符。但是實(shí)物圖上可以看出，此傳感器結(jié)構(gòu)與霍爾式相去甚遠(yuǎn)。無(wú)論定義為磁電式還是霍爾式都是矛盾的，那到底是哪一種型式的傳感器呢？

通過(guò)多方面資料的查詢和咨詢傳感器生產(chǎn)廠家，最后得知此傳感器的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生信號(hào)的原理完全是磁電式，但是對(duì)輸出電路進(jìn)行了改進(jìn)，使其輸出方波信號(hào)。集成電路的工作需要供電，所以此傳感器有三個(gè)端子，結(jié)構(gòu)形式仍然是磁電式。此傳感器汲取了磁電式和霍爾式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于北京現(xiàn)代不同車型的發(fā)動(dòng)機(jī)上。

4、總結(jié)

本文對(duì)磁電式和霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲取伊蘭特車型曲軸位置和凸輪軸位置傳感器的電阻和波形并進(jìn)行分析，最終得知該車型的曲軸位置和凸輪軸位置傳感器是在傳統(tǒng)磁電式傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了輸出電路的改進(jìn)，有三個(gè)端子（供電端、信號(hào)端和接地端），輸出信號(hào)為方波信號(hào)，很接近霍爾式傳感器的工作原理，但與霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)型式有很大不同。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏冬至,張紅梅.淺談磁電式與霍爾式速度傳感器在汽車上的區(qū)別.[J].科學(xué)之友2007,（7）:51.

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Principle and detection of crankshaft position sensor and camshaft position sensor

Li Chenguang, Wang Maomei
（Automotive Engineering College, Beijing Polytechnic, Beijing 100084）

Abstract:This article launches the elaboration on the widely used magnetoelectric sensor and hall sensor, introduce the principle and difference. and study the crankshaft position sensor and camshaft position sensor of Elantra models. Conform the type and principle of Elantra crankshaft position sensor and camshaft position sensor by detecting.

Keywords:sensor magnetic; induction principle; Holzer element; Holzer voltage

作者簡(jiǎn)介：李晨光，就讀于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院14汽修（奔馳）2班。主要研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障維修。王茂美，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。主要研究方向汽車節(jié)能與環(huán)保。

中圖分類號(hào)：U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-162-03