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第3章霍尔传感器故障与诊断
3.1霍尔式凸轮轴位置传感器故障诊断及维修8
3.2霍尔式曲轴位置传感器故障诊断及维修9
3.3霍尔式节气门位置传感器故障诊断及维修11
3.4霍尔式车速传感器故障诊断及维修13
结论14
致谢14
参考文献........................................................15
第一章绪论
1.1选题背景
随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。
传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。
传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。
汽车行业目前是国际上应用传感器最大市场之一。
现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。
一辆普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多。
从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。
霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。
未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增长。
与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。
隨着霍尔传感器越来越广泛地应用在汽车电子等领域，关心它的人也越来越多，这里我们将介绍汽车霍尔传感器的原理和应用。
1.2汽车电控系统的组成
现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制系统，汽车电控系统的功用是提高汽车的整体性能，包括动力性、经济性、安全性、舒适性、操纵性、通过性以及排放性能等。
虽然汽车车型不同、档次不同，采用电控系统的功能和多少也不尽相同，但是汽车电子控制系统基本结构都是由传感器（传感软件）与开关信号、电控单元ECU和执行器（执行原件）三个部分组成，这是电控系统共同的特点。
汽车电控技术所涵盖的范围是非常宽的，几乎遍及了汽车的各个系统，例如：
电控发动机、电控自动变速器、电控制制动防抱死装置、电控发动机电控技术包含内容也很多，主要由发动机电控燃油喷射系统、发动机电控点火正时系统、发动机怠速控制系统三个部分组成。
1.3传感器在汽车中的应用
1.3.1传感器在发动机上的应用
发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。
这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。
由于发动机工作在高温（发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃）、振动（加速度30g）、冲击（加速度50g）、潮湿（100％RH，-40℃-120℃）以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中，因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。
否则，由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。
1.3.2传感器在车身上的应用
车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。
由于其工作条件不象发动机和底盘那么恶劣，一般工业用传感器稍加改进就可以应用。
主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；
用于安全气囊系统中的加速度传感器；
用于门锁控制中的车速传感器；
用于亮度自动控制中的光传感器；
用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器；
用于保持车距的距离传感器；
用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。
在车身上应用的各种传感器：
有防撞加速度传感器、超声近距离目标传感器和红外热成像传感器，毫米波雷达和环境气体电化学传感器。
新型的传感器有超声阵列反向传感器、侧面路面偏距报警和红外热成像夜视传感器。
1.3.3传感器在底盘上的应用
底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统的车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等；
悬架控制系统应用的传感器有车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等；
动力转向系统应用的传感器主要有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。
底盘应用的主要类型传感器，即旋转位移和压力传感器。
惯性加速度传感器和角速率传感器取代了温度传感器而成为在车底盘上应用的4种主要传感器。
表3种列出了27种传感器。
其中4种是压力传感器，3种旋转位移传感器，5种加速度传感器和3种角速率传感器。
27种传感器其中的15种是属于这种类型传感器。
目前低盘应用的新型传感器有侧路面角速率传感器、车轮角位置传感器和悬架位移位置传感器。
1.4本文的主要研究内容及意义
致力于汽车传感器的应用研究，可以大幅降低维修诊断的成本，提高工作效率和准确性。
另外，随着电控汽车业在世界上的迅猛发展，为此技术在汽车上的的应用提供了广阔的前景。
霍尔传感器作为测量曲轴、凸轮轴位置的传感器是汽车电控必不可少的组成部分，对于汽车行业的发展具有重大意义。
本文以多角度研究霍尔传感器，对不同车型、不同作用的霍尔传感器皆有深入研究。
本课题主要研究以下几方面的内容：
（1）霍尔传感器的功能
（2）霍尔传感器的材质与类型
（3）霍尔传感器的发展现状及趋势
（4）霍尔式凸轮轴位置传感器故障诊断
（5）霍尔式曲轴位置传感器故障诊断
（6）霍尔式节气门位置传感器故障诊断
（7）霍尔式车速传感器故障诊断
第二章霍尔传感器
2.1霍尔传感器的功能与类型
霍尔传感器在汽车中被广泛应用，其常用于曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器两大类：
曲轴位置传感器（CrankshaftPositionSensor，CPS）又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元（ECU），以便确定点火时刻和喷油时刻。
凸轮轴位置传感器（CamshaftPositionSensor，CPS）又称为气缸识别传感器（CylinderIdentificationSensor，CIS），为了区别于曲轴位置传感器（CPS），凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。
也叫同步信号传感器，它是一个气缸判别定位装置，向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控信号。
2.2霍尔传感器的工作原理与结构
霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器及其他形式的霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成的传感器。
霍尔效应：
霍尔效应（HallEffect）是美国约翰·
霍普金斯大学物理学家霍尔博士（Dr．E．H．Hall）于1879年首先发现的。
他发现把一个通有电流I的长方体形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH，当取消磁场时，电压立即消失。
该电压后来称为霍尔电压，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比，即
利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，利用霍尔元件制成的传感器称为霍尔式传感器。
利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压，而且可以检测导线中流过的电流，因为导线周围的磁场强弱与流过导线的电流成正比关系。
20世纪80年代以来，汽车上应用的霍尔式传感器与日剧增，主要原因在于霍尔式传感器有两个突出优点：
一是输出电压信号近似于方波信号；
二是输出电压高低与被测物体的转速无关。
霍尔式传感器与磁感应式传感器不同的是需要外加电源。
霍尔式传感器工作原理：
当传感器轴转动时，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：
当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，此时霍尔元件产生电压（UH=1．9～2．0V），霍尔集成电路输出级的晶体管导通，传感器输出的信号电压U0为低电平（实测表明：
当电源电压Ucc=14．4V或5V时，信号电压U0=0．1～0．3V）。
当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，霍尔电压UH为零，集成电路输出级的晶体管截止，传感器输出的信号电压U0为高电平（实测表明：
当电源电压Ucc=14．4V时，信号电压U0=9．8V；
当电源电压Ucc=5V时，信号电压U0=4．8V
1-进气凸轮轴2-凸轮轴位置传感器
3-传感器固定螺钉4-定位螺栓与座圈
5-信号转子6-发动机缸盖
图2-1霍尔式凸轮轴位置传感器的结构
霍尔式传感器基本结构见图2-1：
霍尔式传感器主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片（磁轭）与永久磁铁等组成。
触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片（在霍尔式点火系统中，叶片数与发动机气缸数相等）。
当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。
霍尔集成电路由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。
霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器内部都釆用了一个由霍尔开关集成电路和遮断方式的磁路设计制成的霍尔翼片传感器，该传感器主要由霍尔集成电路、永久磁铁和导磁片组成。
霍尔集成电路与永磁铁之间有1mm的间隙，导磁片又称信号转子安装在进气凸轮上，用螺栓和座圈固定。
信号转子的隔板又叫做叶片，在隔板上有一个窗口，窗口对应产生的信号为低电平信号，隔板对应产生的信号为高电平信号。
，当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的间隙中转过。
当信号转子的隔板进入间隙时，霍尔集成电路中的磁场被旁路，霍尔元件上没有磁力线穿过，霍尔电压UH为零，集成电路输出级三极管截止，传感器输出的信号电压为高电位，约4.8V；
当信号转子的隔板离开间隙时，永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回路，集成电路输出级三极管导通，传感器输出的信号电压为0.2V，为低电位。
霍尔传感器工作原理的立体结构图2-2
（a）叶片进入气隙，磁场被旁路（b）叶片离开气隙，磁场饱和
1-永久磁铁2-触发叶轮3-磁轭4-霍尔集成电路
图2-2霍尔传感器工作原理的立体结构图
发动机工作时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断地输人ECU。
当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电位信号（15°
）和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电位信号时，可以识别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程，并根据曲轴位置传感器小齿缺对应输出的信号控制点火提前角。
由于凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器同时输出信号，凸轮轴位置传感器信号作为判缸信号，所以凸轮轴位置传感器也叫做同步信号传感器，它的安装位置见图2-3
图2-3霍尔式凸轮轴位置传感器安装位置图
2.3霍尔传感器的发展现状及趋势
霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同。
在工业和汽车应用方面，霍尔传感器首先要满足工业或汽车认证对器件的要求，例如安全性、稳定性和温度范围要达到相应的级别。
随着这些终端应用产品的不断发展，霍尔传感器也呈现出五大发展趋势：
一、微型化趋势。
市场上很多霍尔传感器都采用了各种小型封装。
最近，美信宣布将推出一种采用μCSP封装（微米芯片级封装）的霍尔传感器，它的面积只有1mm×
1mm，这样的尺寸非常适合空间较小的应用，例如手机、电动机中的间隙等领域。
二、高集成度。
目前，霍尔传感器已经成为智能传感器。
“例如，厂商基本上已经把各种保护电路和补偿电路、转换器集成到了霍尔传感器上。
”汤浩滨介绍说，“而为了实现可编程霍尔传感器，厂商将EEROM（电可擦只读存储器）集成进来也是一种趋势。
他补充介绍说，国内的需求正在向高端可编程霍尔传感器的方向发展。
因为可编程霍尔传感器可以降低客户生产环节的失效率，缩短生产的周期，提高生产的效率，所以受到客户的欢迎。
三、温度性能。
Melexis产品经理VincentHiligsmann曾经介绍说，霍尔传感器如何在高温下长时间保持较高的可靠性将成为工程师的重大课题。
因为，当霍尔传感器长期处于较高的工作温度时，芯片与基板之间的引线键合（bonding）将可能出现松动或断裂等现象，从而影响传感器的正常工作。
而汤浩滨则进一步介绍说，目前多数霍尔传感器的工作温度是65到85，这在汽车中还可以适用。
但在一些工业应用中，工作温度高达160甚至185，霍尔传感器要适合这些场合的应用还需提高温度指标。
四、高灵敏度。
目前霍尔传感器最高的灵敏度可以达到几十高斯。
在工业和汽车应用领域中，灵敏度在200高斯到500高斯的霍尔传感器就可以很好地完成应用任务。
不断提高霍尔传感器的灵敏度可以开启新的应用市场，因此，这也是业界努力的目标。
PatrickLong表示，霍尔传感器目前的挑战之一就是电路必须能感应非常小的磁场以及磁场的细微变化。
五、新的霍尔元件结构。
一般线性霍尔传感器要实现旋转位置的测量，要采用非常复杂的结构，而好的结构在国际上都有专利。
采用这些结构的企业需要缴纳专利费。
为此，一些企业推出测量水平磁场的霍尔传感器，它可以更易实现旋转的测量，因此没有专利费问题。
此外，霍尔传感器最初是被广泛应用到汽车电子和工业控制中的，随着它在消费电子市场上的应用越来越广，例如进入游戏机手柄、电动玩具等应用中，如何控制功耗和成本也是厂商面临的挑战。
而且，它还面临生产测试技术方面的挑战。
第三章霍尔传感器故障与诊断
3.1霍尔式凸轮轴位置传感器故障诊断及维修
当凸轮轴位置传感器出现故障使信号中断时，ECU可以检测到故障信息，使用V.A.G1551或V.A.G1552故障诊断仪可以读取传感器的有关信息。
故障代码显示出凸轮轴位置传感器有故障时，可以用万用表检查传感器电源电压和导线电阻进行故障的判定和排除。
（1）传感器电源电压的检测。
断开点火开关，拔下传感器导线连接器插头，用万用表的正、负表笔分别与连接器1与3端子相连接，接通点火开关时，电压应为4.5V以上。
如果电压为零，说明线束存在断、短路，或ECU有故障；
当断开点火开关后，应继续检查导线是否存在断路或短路。
（2）导线电阻的检测。
用万用表的电阻挡检查传感器的1端子与ECU的62端子、传感器的2端子与ECU的76端子、传感器的3端子与ECU的67端子的电阻值，各导线间电阻值应不大于1.5Ω。
如果电阻过大或为无穷大，说明线束接触不良或导线断路，应进行维修或更换线束。
再用万用表电阻挡继续检查传感器连接器端子1与2和3端子间电阻，或检查ECU的62端子与76和67端子间电阻，测得的电阻均应为无穷大。
如果阻值不是无穷大，说明导线存在短路，应进行更换。
切诺基汽车凸轮轴位置传感器的识别与检测
切诺基汽车凸轮轴位置传感器又称同步信号传感器，主要用于气缸判别信号，该传感器安装在分电器中，其结构如图3-1所示，它由脉冲环（信号转子）和霍尔信号发生器等组成。
图3-1凸轮轴位置传感器结构图
同步信号脉冲环占分电器转角180°
，与分电器轴一起转动。
当脉冲环上的叶片进人信号发生器时，传感器输出5V高电平；
当脉冲环上的叶片离开信号发生器时，传感器输出0V低电平。
分电器转一圈，传感器输出一个高电平和一个低电平，高低电平各占180°
分电器轴转角。
当脉冲环的叶片前沿进人信号发生器，传感器输出5V高电平时，对于四缸机，表示1、4缸活塞即将到达上止点，其中1缸活塞处于压缩行程，4缸活塞位于排气行程。
对于六缸机，表示3、4缸活塞即将到达上止点，其中4缸活塞位于压缩行程，3缸活塞位于排气行程。
利用凸轮轴位置传感器判别出是哪一缸活塞即将到达上止点之后，ECU根据曲轴位置传感器信号，按照发动机的工作顺序C四缸机为1－3－42、六缸机为1－5－3－6－2－4），对各缸进行喷油和点火。
3.2霍尔式曲轴位置传感器故障诊断及维修
霍尔式曲轴位置传感器是利用霍尔效应的原理，产生与曲轴转角相对应的电压脉冲信号的。
它是利用触发叶片或轮齿改变通过霍尔元件的磁场强度，从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号，经放大整形后即为曲轴位置传感器的输出信号。
霍尔式曲轴位置传感器的检测方法有一个共同点，即主要通过测量有无输出电脉冲信号来判断其是否良好。
下面以北京切诺基的霍尔式曲轴位置传感器为例来说明其检测方法。
曲轴位置传感器与ECU有三条引线相连。
其中一条是ECU向传感器加电压的电源线，输入传感器的电压为8V；
另一条是传感器的输出信号线，当飞轮齿槽通过传感器时，霍尔传感器输出脉冲信号，高电位为5V，低电位为0.3V；
第三条是通往传感器的接地线。
霍尔式曲轴位置传感器的检测主要是电源电压、信号输出电压和连接导线电阻的检测。
北京切诺基汽车霍尔式曲轴位置传感器与ECU的连接电路以及该传感器的三个端子A、B、C的位置如图3-2所示。
图3-2
（1）传感器电源电压的检测。
打开点火开关，用万用表测量ECU侧7端子与4端子间电压，应为8V；
测量A端子与C端子间电压，也应为8V，否则说明电源线断路或接头处接触不良。
（2）传感器输出的信号电压检测。
用万用表对传感器的三个端子A、B、C间进行电压检测。
打开点火开关，A—C间电压应为8V电源电压；
在发动机运转时，测量B—C间电压，应在0．3～5V间变化，电压呈脉冲变化，最高为5V，最低为0，3V，该脉冲电压为传感器的信号电压。
如果无脉冲电压输出，说明传感器损坏，则应更换。
（3）电阻的检测。
关闭点火开关，拔下曲轴位置传感器导线连接器。
用万用表测量传感器的A—B或A—C间电阻，应为∞，如果不是∞，则应更换曲轴位置传感器。
3.3霍尔式节气门位置传感器故障诊断及维修
凌志LS400轿车两大系列UCF10系列和UCF20系列都安装了主、副节气门位置传感器。
它们装在节气门体上，且副节气门位置传感器在主节气门位置传感器的前方。
主节气门位置传感器主要包括一个滑动变阻器和一对活动触点。
滑动变阻器的滑动片随节气门同轴转动，其输出电压与节气门开度成正比，另外电压数值变化的快慢反映了节气门开闭的快慢。
发动机ECU（电脑）接收到节气门位置传感器输入的电压信号，即可判知节气门开度大小及节气门开闭的快慢，进而确定喷油量的多少。
活动触点也叫怠速触点，其通断信号输入电脑，使电脑控制异步喷射、急减速断油和怠速空气电磁阀投入工作等。
副节气门用于牵引力控制装置TRC，其执行器根据来自TRC的ECU信号来打开或关闭副节气门，从而达到控制发动机输出功率，防止汽车车轮出现滑转的目的。
副节气门位置传感器将副节气门开度以电压信号形式给TRC的ECU，使ECU具有逻辑分析功能。
用检查连接器TDCL跨接触发故障码，在仪表盘上的发动机故障指示灯闪码，检查方法如下：
将点火开关旋至ON位置，用导线将TDCL上的插孔TE1和E1短接，故障灯快闪为正常。
如果显示的故障码为41，则表示主节气门位置传感器电路故障；
显示故障码为47，则表示副节气门位置传感器的电路故障。
如果同时显示出冷却液温度传感器电路故障码22、进气温度传感器电路故障码24和节气门位置传感器电路故障码41，则说明E2（传感器接地）可能开路。
（1）UCF10系列的节气门位置传感器电路检查程序
拆下下衬垫，将点火开关旋到ON位置。
对于副节气门位置传感器，还要拆下进气管道以及拔下副节气门步进电机的导线连接器。
检查位置如图3-3所示。
图3-3发动机和ECTECU插头位置
图3-3中E8-1为主节气门位置传感器IDL1的接线插头，E8-9为副节气门位置传感器IDL2的接线插头，E9-4和E9-15分别是主、副节气门位置传感器的VTA1端和VTA2端的接线插头，E9-11和E9-18分别是ECU的电压输出端VC插头和传感器接地E2插头。
将电压表的正极分别接到E8-1、E8-9、E9-4、E9-15和E9-11上，而负极接到E9-18上。
VTA1和VTA2与E2间的电压值，节气门全关时0.1～1.0V，节气门全开时3～5V；
IDL1和IDL2与E2间电压值，当节气门全关时在1.0V以下，节气门全开时为4～6V；
VC与E2间的电压值为5V不变。
若读数正常，说明该系统工作正常。
若表的读数不符合规定值，则进行节气门位置传感器检查。
拆下进气管道并拔下节气门位置传感器导线连接器。
将欧姆表接到节气门位置传感器的插头3和1上，当节气门全关时，表的读数应为0.2～0.8kΩ；
全开时为2.8～8.0kΩ。
再将欧姆表接到插头2和1上，节气门全关时，欧姆表的电阻值应小于2.3kΩ；
全开时为无穷大。
在测3和1之间电阻时，随节气门的打开或关闭，电阻值连续变大或变小，不能出现波动。
如果表的读数不符合规定值，则调整或更换节气门位置传感器；
若表的读数正常，则检查发动机ECTECU与节气门位置传感器之间的线路，若存在开路或短路问题，则检查或更换发动机和ECTECU。
（2）UCF20系列的节气门位置传感器电路检查程序
对于UCF20系列，其检查程序与UCF10系列相同，只是测量的插头和测量规定值有差别。
测量规定值如下：
当节气门关闭时，VTA1和VTA2与E2间电压应为0.3～0.8V，IDL1和IDL2与E2间的电压应为0～3V；
节气门完全打开，VTA1和VTA2与E2间电压应为3.2～4.9V，IDL1和IDL2与E2间电压应为9～14V。
对于电阻测量，节气门全关，3与1间电阻值应为0.3～6.3kΩ，2与1间电阻值应小于0.5kΩ；
节气门全开，3与1间电阻值为2.4～11.2kΩ，2与1间电阻值应不小于1MΩ。
3.4霍尔式车速传感器故障诊断及维修
霍尔效应传
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