汽车位置传感器详解

第四章位置传感器的结构、原理与检测汽车传感器第一节概述第二节曲轴位置传感器第三节节气门位置传感器第四节光电式车高传感器和转角第五节液位传感器第六节溢流环位置传感器第七节其他位置传感器应用在汽车上的位置传感器有曲轴位置传感器、节气门位置传感器、液位传感器和车辆高度传感器等。其作用是检测被测对象的位移（位置）、角位移的变化情况，并把检测结果转换成电信号输入给电控单元。第一节概述有模拟信号、脉冲信号、数字信号。一、位置传感器的类型1.按结构原理分类有电磁式、霍尔效应式、光电式、电阻式、热敏电阻式等2.按输出信号分类位置传感器安装位置用途曲轴位置传感器曲轴前端、凸轮轴前端、分电器或飞轮壳上检测活塞上止点和曲轴转角，也是发动机转速信号源。节气门位置传感器节气门体上检测节气门开度。液位传感器液体容器内检测燃油箱油量、制动液液位、清洗液液位、冷却水液位等。车辆高度传感器左右前轮、后桥中部检测车身高度的变化。溢流环位置传感器柴油喷射泵检测柴油喷射泵溢流环位置。超声波距离传感器车后/车前保险杠检测车辆后方、前方障碍物。方位传感器车顶检测车辆地磁地理方位。3.按用途分类曲柄连杆机构曲轴气门凸轮机构凸轮机构活塞油地壳配气机构发动机结构简介曲柄连杆机构简介机体组活塞连杆组曲轴飞轮组3.曲轴4.飞轮1.皮带轮2.扭转减振器1.曲轴飞轮组功用：1)将做功冲程从连杆传来的力转变为转矩经飞轮传到传动机构；2)靠惯性通过连杆反过来推动各缸活塞的进气、压缩、排气冲程；3)驱动配气机构和其他附属装置。2.曲轴飞轮组主要组成减振器皮带轮上轴瓦曲拐定时齿轮飞轮起动爪下轴瓦主轴瓦主轴瓦结构：由前端轴、若干个曲拐和后端轴三部分组成。3.曲轴的结构连杆轴颈或曲柄销曲柄曲拐功率输出端后端轴前端轴主轴颈凸缘平衡重1）曲拐的数量与取决于发动机的气缸数和排列方式。2）曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈。3）平衡重的作用是平衡各机件产生的离心力及其力矩。四缸发动机的曲拐布置四缸发动机的发火顺序1－3－4－24.曲轴形状和曲拐的布置形式曲轴转角（度）一缸二缸三缸四缸发火次序0～180作功排气压缩进气1180～360排气进气作功压缩3360～540进气压缩排气作功4540～720压缩作功进气排气2四缸发动机的发火顺序1－3－4－2四缸发动机曲轴运动示意图六缸发动机的曲拐布置1－62－53－4120曲轴转角/（）一缸二缸三缸四缸五缸六缸0～1800～60作功排气进气作功压缩进气60～120压缩排气120～180进气作功180～360180～240排气压缩240～300作功进气300～360压缩排气360～540360～420进气作功420～480排气压缩480～540作功进气540～720540～600压缩排气600～660进气作功660～720排气压缩直列六缸发动机发火顺序1－5－3－6－2－4六缸发动机曲轴运动示意图六缸发动机发火顺序示意图1.飞轮为一外缘有齿圈的铸铁圆盘。飞轮边缘部分做的厚些，可以增大转动惯量。2.有的飞轮上有一缸上止点记号和点火提前角刻度线（汽油机）或供油提前角刻度线（柴油机），以便调整和检验点火正时，供油提前角和气门间隙。5.飞轮组成配气机构简介配气机构的组成气门组气门传动组凸轮轴上置式配气机构运动示意图上置双凸轮轴直接驱动四气门配气机构1)功用：驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位和气门开度的变化规律等要求。2)结构斜齿轮：驱动分电器、（机油泵）偏心轮：驱动汽油泵斜齿轮凸轮①偏心轮正时齿轮轴颈②轴套③①①①①①②②②②③③③凸轮轴结构正时齿轮图片正时标记四冲程发动机的一个工作循环，曲轴旋转两周，而各缸进、排气门各开启一次，因此凸轮轴只须旋转一周。故凸轮轴正时齿轮的齿数是曲轴正时齿轮的齿数的两倍。齿数22齿数44点火开关电阻点火线圈分电器火花塞蓄电池点火系统简介断电器配电器点火提前调节装置电容器分电器包括：1.传统点火系统的组成点火时刻与发动机的工作状况断电器火花塞点火开关点火线圈蓄电池电流表起动机配电器附加电阻电容器四缸点火演示简图1)高压电的产生，由点火线圈和分电器中的断电器完成。2)高压电的分配由分电器中的配电器完成。点火线圈配电器断电器分电器结构点火信号发生器在电子点火或微机点火系统中，点火信号发生器取代了断电器中的凸轮，用来判定活塞所处的位置，将活塞位置信号输送到点火控制器，从而保证在恰当的时刻点火。主要应用的有：磁脉冲式、霍尔效应式和光电效应式。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器是发动机集中控制系统中最重要的传感器之一，是点火系统和燃油喷射系统共用的传感器。1.功用检测发动机曲轴转角和活塞上止点，并将检测信号送至发动机ECU，用以控制点火时刻(点火提前角)和喷油正时。同时也是测量发动机转速的信号源。通常与曲轴位置传感器相配的还有凸轮轴位置传感器，其中凸轮轴位置传感器的功用是判别发动机的哪一缸的活塞即将到达上止点，又称为判缸传感器。以上两者一起又称为发动机转速与曲轴位置传感器或称为曲轴位置/判缸/转速传感器。注：第二节曲轴位置传感器安装在分电器内、曲轴上、凸轮轴上、飞轮壳体上。其产生信号原理分为磁脉冲式、光电式、霍尔式三种。2.曲轴位置传感器的类型3.曲轴位置传感器的安装部位磁铁上止点标记线圈飞轮齿环铁芯曲轴位置传感器曲轴位置传感器安装在飞轮壳体上日产公爵王(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脉冲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，其中曲轴位置传感器为差动霍尔式传感器。4.曲轴位置传感器的应用相当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。一、磁脉冲式曲轴位置传感器的结构、原理与检测（一）磁脉冲式曲轴位置传感器的结构与原理1.传感器结构信号盘120信号用的凸缘传感器盒1)信号盘与传感器盒该曲轴位置传感器安装在曲轴前端的皮带轮之后。信号盘装在曲轴上，在外缘沿圆周每隔4°加工一个齿，共有90个齿。每隔120°布置一个凸缘，共三个。日产公司磁脉冲式曲轴位置传感器120信号：对于6缸发动机三对活塞到达上止点相对于曲轴旋转角度相差120。(1)120信号(4)搭铁线(3)1信号(2)电源磁头①磁头③磁头②盒板部连接器2)传感器盒（信号发生器）结构信号发生器安装在信号盘边缘，内有三个永久磁铁，上面绕有线圈磁头。磁头②产生120°信号即C信号，用于判别汽缸及检测活塞上止点位置。磁头①和③共同产生1°信号即Ne信号，用以检测曲轴转角及发动机转速信号。连接器将曲轴位置传感器的信号送至ECU。(1)120信号(2)电源(3)1信号(4)搭铁线磁头①磁头②磁头③盒板部3)磁头与脉冲成形电路当曲轴旋转一圈时，在磁头②上产生三个120º脉冲信号，磁头②安装在上止点前70º的位置，该信号也叫做上止点前70º信号，即发动机在运转时，各缸到达上止点前70º均由磁头②产生一个脉冲信号。在磁头①和③上各产生相位差90º的90个脉冲信号，经信号合成后向ECU输送180个脉冲1º的信号。2.传感器工作原理1)磁交变信号的产生过程当曲轴带动信号盘旋转时，齿相对线圈位置的变化，使线圈内磁通发生变化，线圈内产生感应电动势输出。UeUe2)磁交变信号的整形tUe磁头③磁头①磁头①信号磁头③信号①③合成信号输入信号3)曲轴1转角信号的产生磁头①和③共同产生1°信号（Ne信号），用以检测曲轴转角及发动机转速信号。即发动机在运转过程中，磁头②在各缸到达上止点前70°位置均产生一个脉冲信号。4）磁头②与曲轴的位置1.开路检测法：测量传感器感应线圈电阻值。2.在路检测法：1）测量输出电压2）测其工作频率3）检测信号输出波形4）检测导线及插头5）用塞尺检查曲轴转角传感器的空气隙，其规定值为0.2~0.4mm（二）磁脉冲式曲轴位置传感器的检测丰田TCCS系统磁脉冲式曲轴位置传感器安装在分电器内。该传感器分成上、下两部分，上部分产生G信号，下部分产生Ne信号。丰田公司磁脉冲式曲轴位置传感器No1转子G1线圈No2转子G2线圈1.传感器结构G1线圈No1转子No2转子G2线圈Ne线圈Ne信号是检测曲轴转角及发动机转速的信号，即曲轴位置传感器的1信号。该信号由下半部具有等间隔24个轮齿的转子(No.2转子)及固定于其对面的感应线圈产生。正时转子Ne感应线圈分电盘旋转一圈产生24个脉冲分电盘15°曲轴30°1曲轴转角信号是利用30转角的时间由ECU再均分30等份产生。发动机的转速根据Ne信号计测。36024＝15G信号用于判别气缸及检测活塞上止点位置，G信号是由位于Ne发生器上方的凸缘转轮(No.1正时转子)及其位置相隔180的两个感应线圈(G1感应线圈和G2感应线圈)产生的。G信号也用作计算曲轴转角时的基准信号。G2感应线圈G1感应线圈正时转子BTDC10°第6缸第1缸G1G2G1信号检测第1缸上止点，G2信号检测第6缸及第1缸的上止点。G1、G2信号产生时，实际上并不是活塞到达正好上止点，而是在活塞到达上止点(BTDC)前10的位置。捷达AT和GTX型轿车、桑塔纳2000GSi型轿车、奥迪200型轿车均采用齿轮磁脉冲式曲轴位置传感器。齿轮磁脉冲式曲轴位置传感器传感器磁头大齿缺(基准标记)缸体信号转子小齿缺凸齿信号转子58个凸齿、57个小齿缺、1个大齿缺，每个凸齿和小齿缺占曲轴转角3°，大齿缺占曲轴转角15°。583°+573°+15°＝360°由信号发生器和带光孔的信号盘组成。二、光电式曲轴位置传感器的结构、原理与检测(一)光电式曲轴位置传感器的结构和原理1.传感器的结构发光二极管光敏二极管整形电路信号盘分火头密封盖信号发生器：固定安装在底座板上。由两只发光二极管、两只光敏晶体管和整形电路组成。信号盘：与分电器的发火头同轴旋转。1)产生Ne信号(转速和转角信号)：信号盘边缘刻有360条缝隙，用来产生1°凸轮轴转角信号或2°曲轴转角信号。2.传感器工作原理2)产生G信号(缸序判别信号)：对于六缸发动机，内侧分布六个间隔60°的光孔；对于四缸发动机，内侧分布四个90°的光孔。其中较宽的光孔用来判断第1缸活塞上止点。120信号(1缸)120信号1信号三、霍尔效应式曲轴位置传感器的结构、原理与检测（一）霍尔效应式曲轴位置传感器的结构、原理1.霍尔效应原理UH-+当电流以垂直于磁场方向通过置于磁场中的半导体基片的霍尔元件时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个与电流和磁场强度成正比的电势，即霍尔电势UH:UH=kIB当电流I一定，则UH与磁场强度B成正比。霍尔效应式曲轴位置传感器：信号轮转动时，每当触发叶片进入磁铁与霍尔元件之间的空隙时，磁通被触发叶片所旁路(或称隔磁)，这时不产生霍尔电压；当触发叶片离开空隙时，磁铁的磁通穿过霍尔元件产生霍尔电压。从而使霍尔元件产生脉冲电压信号，经放大整形后即为所需的曲轴位置信号。电流霍尔元件叶片电流霍尔效应位置传感器原理由具有触发轮齿的信号盘和霍尔传感器组成。2.轮齿触发霍尔式曲轴位置传感器结构作用：提供曲轴转角和发动机转速信息。克来斯勒2.5L四缸发动机和4.0L六缸发动机的曲轴位置传感器用于四缸发动机用于六缸发动机曲轴位置传感器信号盘齿槽安装：信号盘安装在变速器输入端，传感器在变速器壳体上。对于四缸发动机：信号盘有两组相隔180°的轮子齿组，每组四个齿槽中相邻齿槽间隔角度均为20°。2.传感器工作原理：用于四缸发动机曲轴位置传感器信号盘齿槽当一组齿槽和轮齿通过霍尔传感器便产生4个高-低电位脉冲信号。曲轴每转一圈产生8个脉冲信号。ECU每接收到8个脉冲就知道曲轴旋转了一转。两组信号中的第一个脉冲信号上升沿开始，能确定现在有两个汽缸的活塞正在向上止点运动。第四个脉冲下降沿位于活塞上止点前4°的位置。故根