曲轴转角传感器的结构和工作特性介绍

作为发动机集中控制系统中最主要的传感器——曲轴转角传感器又称曲轴位置传感器，主要作用是控制点火时刻确认曲轴位置不可缺少的信号源，其检测并输入发动机的微机控制装置的信号包括活塞上止点及曲轴转角等两种，也是供测量发动机转速的信号源。就其安装部位有在曲轴前端、凸轮轴前端、飞轮上和分电器内的。曲轴位置传感器可分为磁电式、光电式和霍尔式3大类，车辆不同，所采用的结构型式不完全一样。本文将介绍三大曲轴转角传感器的具体结构和工作特性。

一、何为光电曲轴转角传感器？

显而易见，光电曲轴转角传感器就是在对光敏上发挥作用的，光电传感器如图1所示，主要由发光管、光敏二极管、光孔盘和控制电路组成。发光管、光敏二极管和控制电路都装在固定底板座上，发光管与光敏二极管位置在光孔板上下相对，发光管的光线照射到光敏二极管上。光孔盘固定在凸轮轴上，与凸轮轴一同转动，光孔盘边缘分别有360条缝隙，每转过一条缝隙对应凸轮轴1°转角，在光孔盘边缘还有表示一缸上止点位置的缝隙和60°（6缸机）或90°（四缸机）间隔的缝隙。遮光盘置于发光管与光敏二极管之间，当光孔盘挡住发光管的光线时，光敏二极管截止，控制电路输出低电平。当缝隙对准发光管与光敏二极管时，光线照射到光敏二极管上，控制电路输出高电平。凸轮轴转一周，由36条缝隙所控制的电路输出360个脉冲信号，每个脉冲信号对应于凸轮1°转角（曲轴2°转角），此信号作为向电脑输入的转角信号。由缝隙较宽的一缸上止点位置标志和60°（90°）间隔缝隙所控制的电路将向电脑输入一缸上止点位置信号和缸序判别信号。光电传感器可装在分电器内，也可直接装于凸轮轴轴端，此时光孔盘将固定在凸轮轴上。

图1光电曲轴转角传感器

二、何为磁电式曲轴转角与转速传感器？

由于光电式曲轴转角传感器的光孔盘上的光孔容易被脏东西遮挡，造成信号脉冲的脉冲当量变化而产生测量的误差，所以后来多用磁电式传感器。

图2磁电式曲轴转角传感器

磁电式传感器结构如图2所示。图2磁电式曲轴转角传感器永久磁铁的磁力线经转子、线圈、托架构成封闭回路，转子旋转时，由于转子凸起与托架间的磁隙不断发生变化，通过线圈的磁通也不断变化，线圈中便产生感应电压，并以交流形式输出。图3所示该曲轴位置传感器安装在曲轴前端的皮带轮之后，在皮带轮后端设置一个带有细齿的薄圆盘，是用以产生信号的转盘，被称为信号盘。

图3日产公司磁电式曲轴转角传感器

在信号盘的外缘，沿着圆周每隔4°加工一齿，共90个齿。此外，每隔120°布置一个凸缘，共3个。安装在信号盘边沿的传感器盒是产生电信号的信号发生器。信号发生器内有3个永久磁铁上绕有线圈的磁头，其中磁头2产生120°信号，磁头1和磁头3共同产生曲轴1°信号。磁头2对着信号盘的120°凸缘，和磁头1、磁头3分别装在两个平面上，磁头1和磁头3对着信号盘的齿圈，磁头1相对于磁头3间隔3°曲轴转角的位置安装。脉冲成形电路内有信号放大与整形等电路。外部有4孔的电连接器。孔1为120°信号输出线，孔2为信号放大与整形电路的电源线，孔3为1°信号输出线，孔4是接地线。通过该连接器将曲轴转角传感器的感应信号输送给电脑。发动机转动时，信号盘的齿和凸缘经过磁头，如上述原理使感应线圈内磁通变化，从而在感应线圈里产生交变的电动势，再将它处理后，即变成脉冲信号。发动机旋转1圈，在磁头2上产生3个120°脉冲信号，在磁头1和磁头3上交替各产生90个脉冲信号。

三、何为曲轴转角传感器？

霍尔传感器基本原理。图5所示的半导体薄片，若在它的两端通过以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，在薄片的两侧会产生一个大小与控制电流I（插页编号：98-08-06）和磁感应强度B的乘积成比例的电动势UH，这个电动势称为霍尔电动势，这一现象称为霍尔效应。

图4GM公司霍尔曲轴转角传感器

图5霍尔效应原理图

假设在N型半导体薄片的载流子（电子）沿着与电流相反的方向运动（电子速度为v），由于在垂直于半导体薄片平面的方向施加磁场B，所以电子受到洛仑兹力fL的作用，向一边偏转，并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的fE与fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。在薄片两横断面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势UH，其大小可用（3）式表示：

UH=KHIB（3）

式中KH——霍尔元件灵敏度

I——控制电流

B——磁感应强度

由式（3）可看出霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。灵敏度KH表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出的霍尔电势大小，一般要求它越大越好。

小结：

简单来讲，曲轴转角传感器就是可以检测活塞上止点位置，也可以用于控制发动机转速问题。市面上几乎大部分的发动机都采用了曲轴转角传感器，其三大类：光电式、磁脉冲式以及霍尔式可以在不同的原理的基础上发挥极大的作用，促进了发动机的开发进程。