霍尔传感器的类型及其工作原理

1.曲轴位置传感器

曲轴位置传感器（Crankshaft Position Sensor,CPS或CKP），又称为发动机转速和曲轴转角传感器，其功能是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入ECU，以便确定喷射顺序、喷射正时、点火顺序、点火正时，并且根据曲轴转角波动大小来判断发动机是否有失火现象。它是发动机集中控制系统最主要的传感器之一，是控制发动机燃油喷射和点火时刻曲轴确认曲轴位置的信号源，同时也是测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器检测活塞上止点和曲轴转角的信号并将其输入ecu，用来对点火时刻和喷油正时进行控制。

曲轴位置传感器的安装位置及分类

CKP一般安装在曲轴前端、靠近飞轮的变速器壳体位置，该传感器按照工作原理不同可分为磁脉冲式、光电式、霍尔式等。

磁电感应式曲轴位置传感器的结构与原理。

又称为磁脉冲式传感器、可变磁阻式传感器，它不需要电源，所以为无源传感器。主要由导磁材料制成的信号转子、永久磁铁、信号线圈等组成，传感器的位置是固定的，软磁铁芯与信号转子齿间间隙必须保持一定间隙，如下图：

传感器插头接线形式主要有二线式和三线式两种。二线式中的两根线为信号回路线，信号正负交替变化，三线制中多出的一根线为屏蔽线。

●当信号转子凸齿靠近传感器时，磁头与齿间隙逐渐减小，磁路中的磁阻逐渐减小，传感器的磁场便开始产生集中的现象， 磁场强度增大，磁通量的变化率也逐渐增大，因此产生一个正的、逐渐增大的感应电动势，磁场的变化越大则感应出的电压越强，其对应位置如图5-26a

●当凸齿继续靠近磁头时，磁通量仍在增大，但磁通量变化率减小，因此产生一个正的、逐渐减小的感应电动势，如图5-26b

●当信号传感器凸齿与传感器尖端对齐成一条直线时磁头与齿间隙最小，磁路中的磁阻最小，磁场强度最强，磁通量最大，但在该点的磁场强大没有变化，磁场变化率为0，所以感应电压和电流强度为0，如图5-26c

●信号转子凸齿继续转动，其相对位置如图5-26d，凸齿远离磁头准备离开传感器，二者间隙逐步增大，磁阻逐渐增大，磁通量逐渐减小，但磁通量变化率逐渐增大，所以产生一个负的、绝对值逐渐增大的感应电动势

●当凸齿继续转动离开磁头时，磁阻继续增大，磁通量继续减小，磁通量变化率逐渐减小，产生一个负的、绝对值逐渐减小至0的感应电动势，其相对位置如图5-26e：

例：捷达曲轴位置传感器的检测

其为三线式，端子2、3位传感器信号线，端子1为信号屏蔽线，与发动机内的搭铁连接。端子2端子3之间的阻值应为450~1000欧；端子2、端子3与屏蔽线端子1的阻值应为无穷大；用万用表交流档，使线路正常连接，发动机运转时端子3和端子2之间的交流电压在0.2V~2v范围内波动；端子2与ECU 64端子、端子3与ECU 53端子、端子1与发动机线束内搭铁线的阻值，不超过1.5欧。

霍尔式曲轴位置传感器

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，可分为触发叶片式和触发齿轮式。

霍尔效应:当电流I通过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，电荷在洛仑磁力的作用下向一侧偏移，在垂直于电流与磁场的霍尔元件的横向侧面产生一个与电流和磁场强度称正比的电压，称为霍尔电压UH，如下图：

当结构一定且电流为定值时，霍尔电压与磁场强度成正比。霍尔式曲位传感器主要使用霍尔开关电路，根据脉冲信号的多少来确定曲轴的旋转速度和位置，为了能输出数字信号，产生的霍尔电压应该能打开或关闭功率晶体管，如下图：

触发叶片式霍尔曲轴位置传感器的工作原理是，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，霍尔电路中的磁场被旁路，此时霍尔元件产生的霍尔电压为0，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（实验表明：当电源电压为为14.4V时，信号电压为9.8V；当电源电压为5V时，信号电压为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，此时霍尔廉产生霍尔电压（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信号电压（当电源电压为14.4v或5v时，信号电压为0.1~0.3V），如图：

触发齿轮式霍尔曲轴位置传感器

触发齿轮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位传感器相似，由带凸齿的信号转子和霍尔信号发生器组成，当发动机曲轴转动时，信号转子随其转动，从而使信号转子的齿缺与凸齿转过霍尔电路（与触发叶片式相同）的探头，使信号转子与探头间的气隙发生变化，磁通量随之变化，根据霍尔效应，在传感器的两端就会产生交变电压信号，一般有三线或两线式，三线式：一根为电源线一般12V，也有8V、5V、9V；一根为信号线，提供5V参考电压，通过晶体管的导通或者关闭，实现0V和5V的脉冲变化；第三根为搭铁线。两线式：一根电源、一根信号线

新型两线霍尔式曲位传感器

新型传感器输出信号的高、低电压不受速度影响，即使转速很低，发动机ECU也能检测到输出信号电压，克服了电磁式输出信号电压随转速变化而变化的缺点。

例：大众CC轿车曲位传感器的检测

●拔掉曲位传感器插头，打开点火开关，端子1与搭铁间应有5V电压

●关闭点火开关，在曲位传感器在端子1和端子2上串接一个发光二极管试灯，启动发动机，试灯应有规律闪烁，若闪烁不正常或不闪烁，在保证线路正常和5V电源正常的情况下，更换传感器。（端子1对应发动机ECU端子51；端子2对应发动机ECU端子36）

2.凸轮轴位置传感器

凸轮轴位置传感器（Camshaft Position Sensor，CMP），又称凸轮转角传感器、相位传感器、缸位传感器、气缸识别（气缸位置）传感器、一缸上止点传感器等。其作用是检测凸轮轴位置和转角，从而确定第一缸活塞上止点位置。在启动时，ECU根据凸轮轴传感器和曲位传感器提供的信号，识别出各个缸活塞位置和行程，控制燃油喷射和点火顺序。在启动期间，凸轮轴位置传感器信号是个关键性输入，某些车型无此信号将难以启动，一旦发动机正常运转，在下一个点火钥匙循环前，就不再需要凸轮轴信号，发动机可正常运转。带有可变气门正时系统的车型，该传感器还有监控可变的进气、排气凸轮轴是否达到预期的位置的功能。

凸轮轴位置传感器分类

一般分为磁电式、光电式、霍尔式、磁阻式

霍尔式、磁电式原理与曲轴位置传感器相同

例：捷达霍尔式凸轮轴位置传感器检测

●拔下三线插头，打开点火开关，端子1和端子3的电压约为5v；端子2与端子3的电压约为12v

●传感器的端子1与发动机ECU端子96、端子2与ECU端子105、端子3与ECU线束内传感器搭铁，以上端子间应为导通，阻值不高于1.5欧。

磁阻式凸轮轴位置传感器

利用磁阻效应制成的磁敏电阻元件称为磁阻元件（简称MRE）

磁阻效应是指半导体材料的电阻值随着与电流相同或垂直方向的磁场强弱而变化的现象。当传感器的磁头正对着信号转子的凹槽时，磁阻元件电阻减小，磁阻元件输出5V高电平信号，当传感器磁头正对着转子凸齿时，磁阻元件的电阻较大，磁阻元件输出0V低电平信号。

例：丰田、HQ300、新皇冠采用的MRE凸轮轴位置传感器的检测

●关闭点火开关，断开三线传感器插头，打开点火开关，检测电源端子与搭铁端子间电压应为5V；

●关闭点火开关，断开插头，打开点火开关，检测信号端子与搭铁间电压应为4.6V

什么是霍尔效应？

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。

 

在式(1)中：若保持控制电流Ic不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系，根据这一关系式，人们研制了用于测量磁场的半导体器件即霍尔元件。

霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

什么是霍尔传感器？

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如下图所示：

 

霍尔传感器其中某型

霍尔传感器的优点及用途

许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。

采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。

例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。

目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40℃到零上150℃范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波

原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms；

精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；但是，电压传感器带宽较窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高压电压传感器上升时间约500uS，带宽约700Hz。

测量范围广泛：电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。

结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

上图即是一种典型的霍尔传感器实现定位应用---一个轮上的两个磁铁经过霍尔效应传感器。图示中的轮子，带有两个等距的磁铁，传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值。

通常被用于计量车轮和轴的速度，例如在内燃机点火定时（正时）或转速表上。其在无刷直流电动机的使用，用来检测永磁铁的位置。

霍尔传感器广泛应用在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、通信 电源、电焊机、电力机车、变电站、数控机床、电解电镀、微机监测、电网监测等需要隔离检测电流的设施中以及新兴的太阳能、风能和地铁轨道信号、汽车电子等领域。 

来源：焉知汽车

　　审核编辑：汤梓红