转速传感器

在电控燃油喷射系统中，相对于发动机每一个工作循环吸入的空气量，都可以得到由ECU控制的符合最佳空燃比的燃油喷射量。空气流量计能够检测每个单位时间内的吸入空气量，但是不能检测每个工作循环内的吸入空气量。为了求出每个工作循环内的吸入空气量，就需要检测发动机转速。

另外，当采用独立喷射和分组喷射时，为了有效地利用各自的喷射特点，需要选择特定的喷射时刻，因此还需要检测每缸的曲轴转角位置。

检测发动机转速及曲轴转角位置，需要采用发动机转速传感器和曲轴位置传感器。具有这种功能的传感器形式很多，目前均已实用化，其中使用最多的是电磁式传感器、光电式传感器和霍尔效应式传感器。

2.8.1 电磁式传感器

这种传感器可用于测定曲轴、凸轮轴和分电器驱动轴的转动位置，用来控制点火和燃油喷射时间或测量发动机转速。这种类型的传感器具有耐用、便于利用发动机飞轮齿圈、不需激励电压或放大器、能适应较大范围的温度变化、使用寿命长等特点，因此应用比较广泛。

这种传感器的工作原理可用图2-53(a)所示原理图来说明。它由一个永久磁铁和一个传感线圈组成，在驱动轴上装有一个有若干个缺口和舌片的钢盘(转子)，它能在磁极之间转动。当钢盘旋转，其缺口通过磁极时，磁路的磁阻大大增加(这是由于空气的磁导率比钢低得多)，结果使磁场强度降低。当通过一个线圈的磁通量增大或减小时，线圈内就会产生感应电动势，其大小正比于磁通量的变化速率。变化越快，电动势越大;磁通量无变化，就不产生电动势。所以当磁阻盘静止时，线圈中虽有磁通通过，但传感器没有输出。图2-53(b)所示是磁阻盘舌片通过磁极时产生的波形，当磁阻盘舌片接近磁极时，电动势增至最大;当舌片正对磁极时，磁通量最大，而电动势为零。

电磁式传感器是由固定在分电器轴上的转子和设置在转子外侧的耦合线圈以及托架构成，如图2-54(a)所示。

如图2-54(b)所示，永久磁铁的磁通经转子之后通过耦合线圈，当转子旋转时，由于转子凸起部分的磁隙不断发生变化，通过耦合线圈的磁通量Ф也不断变化，于是在线圈的两端便感生与磁通变化相应的感应电压U，由于感应电压是以阻止磁通变化的原理产生的，所以它以交流形式输出，其波形如图2-54(c)所示。该电压由最大正值向最大负值的变化较迅速，因此即可用两个最大值之间的过零转换信号来控制点火和喷油系统。

图2-53 电磁式传感器工作原理图和波形

(a)工作原理图;(b)波形

1—铁芯;2—电极;3—绝缘导管;4—励磁线圈;5—液体

图2-54 电磁式传感器

(a)结构图;(b)耦合线圈产生的电压;(c)波形

1，7—永久磁铁;2，5—耦合线圈;3，6—动态转子;4—托架;6—信号转子;Ф—通过线圈磁通量;U—点火信号产生电压

许多种汽车中用来检测曲轴转角位置和发动机转速的电磁式传感器，是由如图2-55所示的复合转子和耦合线圈构成的。

下面以四缸四行程发动机为例，就检测特定汽缸曲轴转角基准位置(如压缩上止点)进行说明。

安装在分电器轴(分电器转1圈，曲轴转2圈)上的具有一个凸起部分的转子G与分电器轴一起转动时，由于转子G和耦合线圈G1、G2之间的磁隙不断发生变化，在各个耦合线圈上，相对分电器每转一转，就会产生一个电压脉冲。通过合理设计，使转子G的凸起部分在一缸及四缸压缩上止点时，最靠近耦合线圈G1、G2。这样，通过检测G1、G2耦合线圈的电压变化，就可以知道一缸、四缸的压缩上止点位置。图2-56(a)所示为G1、G2产生的电压信号实例。

图2-55 复合转子和耦合线圈构成的电磁式传感器

(a)耦合线圈G工作图;(b)耦合线圈工作图;(c)分电器结构图

1—G转子;2—G1耦合线圈;3—G2耦合线圈;4—N转子;5，9—N耦合线圈;6—G，N转子;7—G1，G2耦合线圈;8—分电器

为了更精确地检测曲轴转角位置，还需设置转子N和耦合线圈N。具有偶数个(例如24个)凸起部分的转子N，与转子G同样安装在分电器轴上。分电器转一转，在耦合线圈N上就产生偶数个(例如24个)电压脉冲。把这些电压脉冲输入ECU，通过测量脉冲的间隔，就能检测发动机转速。

如图2-56(b)所示，利用信号G和信号N的组合，就可以检测特定汽缸的曲轴转角位置，把G、N信号输入ECU，即可决定满足发动机多种运转条件的喷油量及喷油时刻。

2.8.2 霍尔效应式传感器

霍尔效应式传感器如图2-57所示，磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛伦兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体片时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。

图2-56 曲轴转角信号

(a)G信号;(b)G1，G2，N信号组合实例

图2-57 霍尔效应式传感器

1—霍尔半导体元件;2—永久磁铁;3—挡隔磁场线的叶片

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高;磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。图2-57所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路用做点火正时传感器。霍尔效应式传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

2.8.3 光电式传感器

图2-58(a)所示是光电式传感器的工作原理图，位于光敏二极管对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在红外线或紫外线范围内，是肉眼看不见的。

图2-58(b)、(c)所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内(或凸轮轴前部)。它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号并传给ECU。

图2-58 光电式传感器的工作原理与结构

(a)工作原理图;(b)结构图;(c)转盘

1—输出信号;2—光敏二极管;3—发光二极管;4—电源;5—转盘;6—转子头盖;7—密封盖;8—波成形电路;9—第一缸120°信号缝隙;10—1°信号缝隙;11—120°信号缝隙

2.8.4 磁振荡式(电磁脉冲式)转速计

电磁脉冲式转速计是一种数字式仪表。由被测转体带动磁性体产生计数电脉冲，根据计数脉冲的个数得知被测转速。电磁脉冲式转速计的结构如图2-59所示。

图2-59(a)所示为旋转磁铁型，它是将N条磁铁均匀分布在转轴上，在测量时，将传感器的转轴与被测物转轴相连，因而被测物带动传感器转子转动。当转轴旋转时，每转一圈将在线圈输出端产生N个脉冲，用计数器测出规定时间内的脉冲数便可求得转速值。若该转速传感器的输出量以感应电动势的频率来表示，则其频率与转速间的关系为

式中:N——定子或转子端面的齿数;

n——被测物转速，r/min。

图2-59(b)所示为磁阻变化型，它是在旋转测量轴上配置N个凸形导磁体。图2-59(c)所示为磁性齿轮型，它是在旋转测量轴上安装一个磁性齿轮。这两种结构均配置由铁芯和检测线圈构成的测量头。当旋转轴转动时，由于磁路磁阻的变化，使测量线圈上有相应的脉冲输出;由于磁路磁通势的变化，使测量线圈上有相应的脉冲输出。最后经信号处理电路便可测得转速值。

图2-59 电磁脉冲式转速计

(a)旋转磁铁型;(b)磁阻变化型;(c)磁性齿轮型

2.8.5 其他传感器

上面所述的电磁式传感器，除能够检测发动机转速外，还能够检测曲轴转角位置。如果只是检测发动机转速，可以采用把点火线圈的点火初级信号直接输入ECU的简易方式。

点火线圈初级电流切断时产生的反电动势，可达300～400V(图2-60(a))。把这一电压信号输入ECU，通过同基准电压相比较，形成点火信号脉冲，然后测量脉冲间隔，就可以测出发动机转速(图2-60(b))。由于这种方法只能检测点火信号，难以选择特定的曲轴转角位置，所以在独立喷射和分组喷射中不适用。这种方法多用于所有汽缸进行同时喷射的情况。

图2-60 点火信号及其处理回路

(a)点火线圈产生的信号;(b)信号处理回路

1—点火线圈;2—分电器;3—蓄电池;4—点火器;5—基准电压;6—波形整形回路;7—测量脉冲间隔时间回路;8—脉冲间隔