汽车电子之位置传感器(上)

1曲轴位置传感器
 
 1．曲轴位置传感器的功用与类型

曲轴位置传感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元(ECu)，以便确定点火时刻和喷油时刻。

凸轮轴位置传感器(Camshaft Position Sensor，CPS)又称为气缸识别传感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)，为了区别于曲轴位置传感器(CPS)，凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU，以便ECU识别气缸1压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆燃控制。此外，凸轮轴位置信号还用于发动机起动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一个气缸活塞即将到达上止点，所以称为气缸识别传感器。

发动机电子控制燃油喷射系统常用的曲轴与凸轮轴位置传感器分为光电式、磁感应式和霍尔式三种类型。日产公爵王(Cedric)轿车、三菱与猎豹吉普车采用光电式曲轴与凸轮轴位置传感器；丰田系列轿车采用磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器；捷达AT和GTX型、桑塔纳2000GSi型、奥迪200型轿车采用磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器；红旗CA7220E型轿车和切诺基吉普车采用了霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器，且曲轴位置传感器为差动霍尔式传感器。因为大多数汽车将曲轴与凸轮轴两种位置传感器制作成一体，且相同类型传感器的工作原理完全相同，所以将这两种传感器安排在同一节中介绍。

2．光电式曲轴与凸轮轴位置传感器

  (1)结构特点 

日产公司生产的光电式曲轴与凸轮轴位置传感器是由分电器改进而成的，主要由信号盘(即信号转子)、信号发生器、配电器、传感器壳体和线束插头等组成。

信号盘是传感器的信号转子，压装在传感器轴上，如图2-22所示。在靠近信号盘的边缘位置制作有均匀间隔弧度的内、外两圈透光孔。其中，外圈制作有360个透光孔(缝隙)，间隔弧度为1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，用于产生曲轴转角与转速信号；内圈制作有6个透光孔(长方形孑L)，间隔弧度为60。，用于产生各个气缸的上止点信号，其中有一个长方形的宽边稍长，用于产生气缸1的上止点信号。

信号发生器固定在传感器壳体上，它由Ne信号(转速与转角信号)发生器、G信号(上止点信号)发生器以及信号处理电路组成。Ne信号与G信号发生器均由一个发光二极管(LED)和一个光敏晶体管(或光敏二极管)组成，两个LED分别正对着两个光敏晶体管。

 (2)工作原理 

光电式传感器的工作原理如图2-22所示。信号盘安装在发光二极管(LED)与光敏晶体管(或光敏二极管)之间。当信号盘上的透光孔旋转到LED与光敏晶体管之间时，LED发出的光线就会照射到光敏晶体管上，此时光敏晶体管导通，其集电极输出低电平(0．1～O．3V)；当信号盘上的遮光部分旋转到LED与光敏晶体管之间时，LED发出的光线就不能照射到光敏晶体管上，此时光敏晶体管截止，其集电极输出高电平(4．8～5．2V)。
 

如果信号盘连续旋转，透光孔和遮光部分就会交替地转过LED而透光或遮光，光敏晶体管集电极就会交替地输出高电平和低电平。当传感器轴随曲轴和配气凸轮轴转动时，信号盘上的透光孔和遮光部分便从LED与光敏晶体管之间转过，LED发出的光线受信号盘透光和遮光作用就会交替照射到信号发生器的光敏晶体管上，信号传感器中就会产生与曲轴位置和凸轮轴位置对应的脉冲信号。

由于曲轴旋转两转，传感器轴带动信号盘旋转一圈，因此，G信号传感器将产生6个脉冲信号。Ne信号传感器将产生360个脉冲信号。因为G信号透光孔间隔弧度为60。，曲轴每旋转120。就产生一个脉冲信号，所以通常G信号称为120。信号。设计安装保证120。信号在上止点前70。(BTDC70。)时产生，且长方形宽边稍长的透光孔产生的信号对应于发动机气缸1上止点前70。，以便ECU控制喷油提前角与点火提前角。因为Ne信号透光孔间隔弧度为1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，所以在每一个脉冲周期中，高、低电平各占1。曲轴转角，360个信号表示曲轴旋转720。。曲轴每旋转120。，G信号传感器产生一个信号，Ne信号传感器产生60个信号。

3．磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器

  (1)磁感应式传感器工作原理 

磁感应式传感器的工作原理如图2-23所示，磁力线穿过的路径为永久磁铁N极一定子与转子间的气隙一转子凸齿一转子凸齿与定子磁头间的气隙一磁头一导磁板一永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。

当信号转子按顺时针方向旋转时，转子凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量φ增多，磁通变化率增大(dφ／dt>0)，感应电动势E为正(E>0)，如图2-24中曲线abc所示。当转子凸齿接近磁头边缘时，磁通量φ急剧增多，磁通变化率最大[dφ／dt=(dφ／dt)max]，感应电动势E最高(E=Emax)，如图2-24中曲线b点所示。转子转过b点位置后，虽然磁通量φ仍在增多，但磁通变化率减小，因此感应电动势E降低。

当转子旋转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时(见图2-24b)，虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量φ最大，但是由于磁通量不可能继续增加，磁通变化率为零，因此感应电动势E为零，如图2-24中曲线c点所示。

当转子沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开磁头时(见图2-23c)，凸齿与磁头间的气隙增大，磁路磁阻增大，磁通量φ减少(dφ／dt<0)，所以感应电动势E为负值，如图2-24中曲线cda所示。当凸齿转到将要离开磁头边缘时，磁通量φ急剧减少，磁通变化率达到负向最大值[dφ／df=-(dφ／dt)max]，感应电动势E也达到负向最大值(E=-Emax)，如图2-24中曲线上d点所示。

由此可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。磁感应式传感器的突出优点是不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁心中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。转速不同时，磁通和感应电动势的变化情况如图2-24所示。

由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低，因此在使用中，转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动。气隙如有变化，必须按规定进行调整，气隙一般设计在0．2～0．4mm范围内。

(2)捷达、桑塔纳轿车磁感应式曲轴位置传感器

    1)曲轴位置传感器结构特点：捷达AT和GTX、桑塔纳2000GSi型轿车的磁感应式曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成，如图2-25所示。

信号发生器用螺钉固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成。传感线圈又称为信号线圈，永久磁铁上带有一个磁头，磁头正对安装在曲轴上的齿盘式信号转子，磁头与磁轭(导磁板)连接而构成导磁回路。

信号转子为齿盘式，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。)。

2)曲轴位置传感器工作情况：当曲轴位置传感器随曲轴旋转时，由磁感应式传感器工作原理可知，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势(即电动势出现一次最大值和一次最小值)，线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。电子控制单元(ECU)接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸1或气缸4上止点位置即将到来，至于即将到来的是气缸1还是气缸4，则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈(发动机曲轴转一圈)，传感线圈就会产生58个交变电压信号输入电子控制单元。

每当信号转子随发动机曲轴转动一圈，传感线圈就会向电子控制单元(ECU)输入58个脉冲信号。因此，ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号，就可知道发动机曲轴旋转了一圈。如果在1min内ECU接收到曲轴位置传感器116000个信号，ECU便可计算出曲轴转速n为2000(n=116000／58=2000)r／rain；如果ECU每分钟接收到曲轴位置传感器290000个信号，ECU便可计算出曲轴转速为5000(n=290000／58=5000)r／min。依此类推，ECU根据每分钟接收曲轴位置传感器脉冲信号的数量，便能计算出发动机曲轴旋转的转速。发动机转速信号和负荷信号是电子控制系统最重要、最基本的控制信号，ECU根据这两个信号就能计算出基本喷油提前角(时间)、基本点火提前角(时间)和点火导通角(点火线圈一次电流接通时间)三个基本控制参数。

捷达AT和GTx、桑塔纳2000GSi型轿车磁感应式曲轴位置传感器信号转子上大齿缺产生的信号为基准信号，ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺产生的信号为基准进行控制的。当ECu接收到大齿缺产生的信号后，再根据小齿缺信号来控制点火时间、喷油时间和点火线圈一次电流接通时间(即导通角)。

(3)丰田轿车TCCS磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器 

丰田计算机控制系统(1FCCS)采用的磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器由分电器改进而成，由上、下两部分组成。上部分为检测曲轴位置基准信号(即气缸识别与上止点信号，称为G信号)发生器；下部分为曲轴转速与转角信号(称为Ne信号)发生器。

1)Ne信号发生器的结构特点：Ne信号发生器安装在G信号发生器的下面，主要由No．2信号转子、Ne传感线圈和磁头组成，如图2-26a所示。信号转子固定在传感器轴上，传感器轴由配气凸轮轴驱动，轴的上端套装分火头，转子外制有24个凸齿。传感线圈及磁头固定在传感器壳体内，磁头固定在传感线圈中。

2)转速与转角信号的产生原理与控制过程：当发动机曲轴旋转时，配气凸轮轴便驱动传感器信号转子旋转，转子凸齿与磁头间的气隙交替发生变化，传感线圈的磁通随之交替发生变化，由磁感应式传感器工作原理可知，在传感线圈中就会感应产生交变电动势，信号电压的波形如图2-26b所示。因为信号转子有24个凸齿，所以转子旋转一圈，传感线圈就会产生24个交变信号。传感器轴每转一圈(360。)相当于发动机曲轴旋转两圈(720。)，所以一个交变信号(即一个信号周期)相当于曲轴旋转30。(720。÷24=30。)，相当于分火头旋转15。(30。÷2=15。)。ECU每接收Ne信号发生器24个信号，即可知道曲轴旋转了两圈、分火头旋转了一圈。ECU内部程序根据每个Ne信号周期所占时间，即可计算确定发动机曲轴转速和分火头转速。为了精确控制点火提前角和喷油提前角，还需将每个信号周期所占的曲轴转角(30。角)分得更小。微机完成这一工作十分方便，由分频器将每个Ne信号(曲轴转角30。)等分成30个脉冲信号，每个脉冲信号就相当于曲轴转角1。(30。÷30=1。)。如将每个Ne信号等分成60个脉冲信号，则每个脉冲信号相当于曲轴转角0．5。(30。÷60=0．5。)。具体设定由转角精度要求和程序设计确定。

3)G信号发生器的结构特点：G信号发生器用来检测活塞上止点位置与判别是哪一个气缸即将到达上止点位置等基准信号。故G信号发生器又称为气缸识别与上止点信号发生器或基准信号发生器。G信号发生器由No．1信号转子、传感线圈G1、G2和磁头等组成。信号转子带有两个凸缘，固定在传感器轴上。传感线圈G1、G2相隔180。安装，G1线圈产生的信号对应于发动机第六缸压缩上止点前10。、G2线圈产生的信号对应于发动机第一缸压缩上止点前lO。。

4)气缸识别与上止点信号的产生原理与控制过程：G信号发生器的工作原理与Ne信号发生器产生信号的原理相同。当发动机凸轮轴驱动传感器轴旋转时，G信号转子(No．1信号转子)的凸缘便交替经过传感线圈的磁头，转子凸缘与磁头之间的气隙交替发生变化，在传感线圈Gl、G2中就会感应产生交变电动势信号。当G信号转子的凸缘部分接近传感线圈G1的磁头时，由于凸缘与磁头之间的气隙减小、磁通量增大、磁通变化率为正，因此传感线圈G1中产生正向脉冲信号，称为G1信号；当G信号转子的凸缘部分接近传感线圈G2时，由于凸缘与磁头之间的气隙减小、磁通量增大、磁通变化率为正，因此传感线圈G2中也产生正向脉冲信号，称为G2信号。当G信号转子的凸缘部分经过G1、G2的磁头时，由于凸缘与磁头之间的气隙不变、磁通量不变、磁通变化率为零，因此传感线圈G1、G2中的感应电动势均为零。当G信号转子的凸缘部分离开G1、G2的磁头时，由于凸缘与磁头之间的气隙增大、磁通量减小、磁通变化率为负，因此传感线圈G1、G2中将感应产生负向交变电动势信号。传感器每转一圈(360。)相当于曲轴转两圈(720。)，因为传感线圈G1、G2相隔180。安装，所以G1、G2中各产生一个正向脉冲信号。其中G1信号对应于发动机第六缸，用来检测第六缸上止点的位置；G2信号对应于第一缸，用来检测第一缸上止点的位置。电子控制单元检测的对应位置实际上是G转子凸缘的前端接近并与传感线圈G1、G2的磁头对齐时刻(此时磁通量最大、信号电压为零)的位置，该位置对应于活塞压缩上止点前10。(BT-DCl0。)位置。

4．霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器

 (1)霍尔式传感器的结构与工作原理 

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(Hall Effect)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(见图2-27)，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，即

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。