四、霍爾式曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

霍爾式曲軸位置傳感器是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生與曲軸轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的電壓脈沖信號的原理制成的，可分為觸發(fā)葉片式和觸發(fā)輪齒式兩種曲軸位置傳感器。

霍爾效應(yīng)：當(dāng)電流I通過放在磁場中的半導(dǎo)體基片（稱霍爾元件）且電流方向與磁場方向垂直時，電荷在洛侖茲力作用下向一側(cè)偏移，在垂直于電流與磁場的霍爾元件的橫向側(cè)面上即產(chǎn)生一個與電流和磁場強(qiáng)度成正比的電壓，稱為霍爾電壓UH，如圖4-36所示，霍爾電壓可用下式表示，即

式中，RH為霍爾系數(shù)；d為基片厚度；I為電流；B為磁場強(qiáng)度。

當(dāng)結(jié)構(gòu)一定且電流為定值時，霍爾電壓與磁場強(qiáng)度成正比。霍爾式曲軸位置傳感器主要使用霍爾開關(guān)電路，根據(jù)脈沖信號的多少計算曲軸的旋轉(zhuǎn)速度和位置，為了能夠輸出數(shù)字信號，產(chǎn)生的霍爾電壓應(yīng)該能夠打開和關(guān)閉功率晶體管，如圖4-37所示。

1. 觸發(fā)葉片式霍爾曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1）觸發(fā)葉片式霍爾曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)

觸發(fā)葉片式霍爾曲軸位置傳感器主要由觸發(fā)葉輪、霍爾集成電路、磁軛（導(dǎo)磁鋼片）和永久磁鐵組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-38所示。而霍爾集成電路又由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補(bǔ)償電阻、信號變換電路和輸出電路組成。觸發(fā)葉輪安裝在轉(zhuǎn)子軸上，隨轉(zhuǎn)子軸一起轉(zhuǎn)動，葉輪上制有葉片。

2）觸發(fā)葉片式霍爾曲軸位置傳感器的工作原理

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動并帶動轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動時，觸發(fā)葉輪隨轉(zhuǎn)子軸一起轉(zhuǎn)動，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)葉片進(jìn)入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，如圖4-39（a）所示，此時霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓為零，集成電路輸出級的三極管截止，傳感器輸出一個高電平信號電壓U0（實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)電源電壓UCC=14.4V時，信號電壓U0=9.8V；當(dāng)電源電壓UCC=5V時，信號電壓U0=4.8V）。

當(dāng)葉片離開氣隙時，永久磁鐵的磁通便經(jīng)過霍爾集成電路和導(dǎo)磁鋼片構(gòu)成回路，如圖4-39（b）所示，此時霍爾元件產(chǎn)生霍爾電壓UH（UH=1.9～2.0V），霍爾集成電路輸出級的三極管導(dǎo)通，傳感器輸出一個低電平電壓信號U0（實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)電源電壓UCC=14.4V或5V時，信號電壓U0=0.1～0.3V）。

ECU便根據(jù)輸入的脈沖信號計算出曲軸的轉(zhuǎn)角及活塞上止點(diǎn)位置，從而對發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火和噴油時刻進(jìn)行控制。

2. 觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1）觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器的結(jié)構(gòu)

觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器即差動霍爾式曲軸位置傳感器，也叫雙霍爾式曲軸位置傳感器，其結(jié)構(gòu)與磁脈沖式曲軸位置傳感器相似，由帶凸齒的信號轉(zhuǎn)子和霍爾信號發(fā)生器組成，如圖4-40所示。

2）觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器的工作原理

觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器的工作原理與觸發(fā)葉片式霍爾曲軸位置傳感器的工作原理相同。觸發(fā)輪齒式霍爾曲軸位置傳感器的信號轉(zhuǎn)子即凸齒轉(zhuǎn)子安裝在發(fā)動機(jī)曲軸上（部分汽車以發(fā)動機(jī)的飛輪為信號轉(zhuǎn)子），當(dāng)發(fā)動機(jī)曲軸或飛輪轉(zhuǎn)動時，傳感器的信號轉(zhuǎn)子隨其一起轉(zhuǎn)動，從而使信號轉(zhuǎn)子的齒缺與凸齒轉(zhuǎn)過霍爾電路（與觸發(fā)葉片式霍爾電路相同，由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補(bǔ)償電阻、信號變換電路和輸出電路等組成）的探頭。齒缺或凸齒與霍爾電路的探頭之間的氣隙就會發(fā)生變化，磁通量隨之變化，即磁場強(qiáng)度B發(fā)生變化，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在傳感器的霍爾元件中就會產(chǎn)生交變電壓信號，如圖4-41所示，其輸出電壓由兩個霍爾信號電壓疊加而成。因?yàn)檩敵鲂盘枮榀B加信號，所以轉(zhuǎn)子凸齒與信號發(fā)生器之間的氣隙可以增大到1.0±0.5mm（普通霍爾式傳感器僅為0.2～0.4mm），從而便可將信號轉(zhuǎn)子設(shè)置成像磁感應(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)是信號轉(zhuǎn)子便于安裝。

汽車上用霍爾式傳感器一般為三線或兩線制的：一根為電源線，供給工作電壓，一般為12V（也有5V、9V）；另一根為信號線，需要提供5V參考電壓，用于三極管的導(dǎo)通或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)0V和5V的脈沖變化；第三根為搭鐵線（兩線制的無搭鐵線）。