霍尔式曲轴位置传感器：汽车传感器原理与故障检测

霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应产生与曲轴转角相对应的电压脉冲信号的原理制成的，可分为触发叶片式和触发轮齿式两种曲轴位置传感器。

霍尔效应：当电流I通过放在磁场中的半导体基片（称霍尔元件）且电流方向与磁场方向垂直时，电荷在洛仑兹力作用下向一侧偏移，在垂直于电流与磁场的霍尔元件的横向侧面上产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，称为霍尔电压U_H，如图5-34所示。霍尔电压可用下式表示，即

式中，R_H为霍尔系数；d为基片厚度；I为电流；B为磁场强度。

当结构一定且电流为定值时，霍尔电压与磁场强度成正比。霍尔式曲轴位置传感器主要使用霍尔开关电路，根据脉冲信号的多少计算曲轴的旋转速度和位置，为了能够输出数字信号，产生的霍尔电压应该能够打开和关闭功率晶体管，如图5-35所示。

图5-34 霍尔效应原理

图5-35 霍尔开关电路

图5-36 触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的结构

1—触发叶轮 2—霍尔集成电路 3—永久磁铁 4—底板 5—导磁钢片

1.触发叶片式霍尔曲轴位置传感器(www.xing528.com)

(1)触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的结构 触发叶片式霍尔曲轴位置传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、磁轭（导磁钢片）和永久磁铁组成。而集成电路又由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电阻、信号变换电路和输出电路组成，其结构如图5-36所示。其中触发叶轮安装在转子轴上.随转子轴一起转动，叶轮上制有叶片：当曲轴带动转子轴转动时，触发叶轮随其一起转动，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。

(2)触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的工作原理当曲轴转动并带动转子轴转动时，触发叶轮随转子轴一起转动，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。当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，如图5-37a所示，此时霍尔元件产生的霍尔电压为零，集成电路输出级的晶体管截止，传感器输出一个高电平信号电压U₀（实验表明：当电源电压U_CC=14.4V时，信号电压U₀=9.8V；当电源电压U_CC=5V时，信号电压U₀=4.8V）。

当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经过霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，如图5-37b所示，此时霍尔元件产生霍尔电压U_H（U_H=1.9～2.0V），霍尔集成电路输出级的晶体管导通，传感器输出一个低电平电压信号U₀（实验表明：当电源电压U_CC为14.4V或5V时，信号电压U₀=0.1～0.3V）。

ECU便根据输入的脉冲信号计算出曲轴的转角及活塞上止点位置，从而对发动机的点火和喷油时刻进行控制。

图5-37 霍尔曲轴位置传感器工作原理

图5-38 触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器结构

2.触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器

（1）触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器结构触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器即差动霍尔式曲轴位置传感器，也叫双霍尔式曲轴位置传感器，其结构与磁脉冲式曲轴位置传感器相似，由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成，如图5-38所示。

（2）触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器 触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器的工作原理与触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的工作原理相同。触发轮齿式霍尔曲轴位置传感器的信号转子即凸齿转子安装在发动机曲轴上（部分汽车以发动机的飞轮为信号转子），当发动机曲轴或飞轮转动时，传感器的信号转子随其一起转动，从而使信号转子的齿缺与凸齿转过霍尔电路（与触发叶片式霍尔电路相同，由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电阻、信号变换电路和输出电路等组成）的探头，使齿缺或凸齿与霍尔探头之间的气隙发生变化，磁通量随之变化，即磁场强度B发生变化，根据霍尔效应，在传感器的霍尔元件中就会产生交变电压信号，如图5-39所示，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±0.5）mm（普通霍尔式传感器仅为0.2～0.4mm），从而便可将信号转子设置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。

汽车用霍尔式传感器一般为三线式或二线式。三线式：一根为电源线，供给工作电压，一般为12V，也有的用8V、5V或9V；一根为信号线，需要提供5V参考电压，通过晶体管的导通或关闭，实现0V和5V的脉冲变化；第三根为搭铁线。二线式：一根电源、一根为信号线。