汽車電子系統(tǒng)霍爾傳感器的檢測方法研究

堵衛(wèi)紅

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453006)

0 前言

隨著汽車功能的不斷發(fā)展完善，汽車構造中用于檢測位置、角度、壓力、加速度等參數(shù)的傳感器起到關鍵性的作用，為汽車穩(wěn)定、可靠的運行提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)傳感器的工作原理可以分為霍爾式、光電式和磁脈沖式傳感器，其中霍爾傳感器體積小、便于安裝、輸出信號穩(wěn)定，可以在布滿油污、灰塵的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。在汽車電子系統(tǒng)檢修工作中，需要掌握霍爾傳感器的檢測方法，不斷積累相關的工作經(jīng)驗，提升汽車電子系統(tǒng)檢修工作的質(zhì)量與效率。

1 霍爾傳感器的工作原理

霍爾傳感器即利用霍爾效應的磁場傳感器，根據(jù)霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)可對半導體材料的載流子濃度等參數(shù)進行判斷?；魻栃擅绹锢韺W家霍爾提出，霍爾在金屬導電性能實驗中得出電壓、電流、磁場強度的相互關系。在磁場垂直方向通過電流，磁場中的薄金屬基片會受磁場力作用產(chǎn)生電荷偏移，產(chǎn)生霍爾電壓形成的電場力與磁場力平衡，電壓與電流和磁場強度呈正比關系。金屬基片產(chǎn)生的霍爾電壓較小，研究發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體也具有霍爾效應，且半導體的輸出電壓高于金屬。利用半導體制作的霍爾元件體積小、對磁場敏感、頻率響應寬、使用壽命長，在自動化技術、信息處理、汽車電子等領域得到廣泛應用。

霍爾傳感器具有精度高、線性度好、測量范圍廣等優(yōu)點，在工作溫度區(qū)內(nèi)可以對任何波形保持極高的精度，可以測量任意波形的電流和電壓，且具備較強的抗外磁場干擾能力?；魻杺鞲衅鞯膽梅秶謴V泛，在航空航天、交通運輸、醫(yī)療技術、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領域發(fā)揮著重要作用，其中霍爾元件早在20世紀80年代開始應用于汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)，通常用于曲軸和凸輪軸位置傳感器，是一種具有開關作用和霍爾效應的高質(zhì)量汽車電子部件。曲軸和凸輪軸位置傳感器能夠及時采集信息并輸出數(shù)字信號，計算曲軸和凸輪軸運動位置和旋轉(zhuǎn)速度，提高汽車行駛的安全穩(wěn)定性。葉輪式霍爾傳感器是霍爾傳感器的一種常見形式，將霍爾元件與機械部件結合于一體，形成的霍爾電路可以將毫伏級的微弱電壓放大輸出為較強的電壓信號，利用葉輪葉片切割磁場控制電路，葉輪葉片旋轉(zhuǎn)后輸出霍爾電壓，根據(jù)霍爾電路輸出電壓的變化判斷曲軸、凸輪軸位置。借助霍爾傳感器，可以實現(xiàn)對汽車駕駛功能的有效控制，起到降低汽車功耗、保障駕駛安全等作用。

2 霍爾傳感器在汽車電子系統(tǒng)中的應用

霍爾傳感器在汽車電子系統(tǒng)的應用呈增長趨勢，主要有發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、檔位位置傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等類型。根據(jù)使用目的的不同，汽車電子系統(tǒng)中使用的霍爾傳感器可以分為開關式和線型2種，其中：開關式霍爾傳感器包括霍爾元件、差分放大器、輸出級等部件，輸出數(shù)字量；而線型霍爾傳感器包括霍爾元件、線性放大器、射極跟隨器等，輸出模擬量。

在汽車速度檢測中，以往采用磁電式傳感器在汽車低速行駛狀態(tài)無法精準檢測，采用霍爾傳感器可以將速度轉(zhuǎn)換為脈沖測量，不論是高速還是低速狀態(tài)都可以精準測量汽車行駛速度。發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測中可以使用霍爾傳感器，發(fā)動機帶動齒輪經(jīng)過磁力線強弱不同的區(qū)域，使通過霍爾元件的磁場強度改變，霍爾電動勢的變化輸出準正弦波電壓，經(jīng)施密特電路等整形電路后轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，再經(jīng)過差分放大器提升檢測的靈敏度，用于檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速。在汽車點火系統(tǒng)中，應用發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)動角度霍爾傳感器可以采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)動角度等參數(shù)，經(jīng)電子點火控制器對檢測信號進行分析計算，準時發(fā)送點火信號。在霍爾傳感器的幫助下，可以使氣缸內(nèi)的汽油燃燒更加充分，在增加動力的同時節(jié)約燃料，減少尾氣排放造成的大氣污染。

在汽車制動系統(tǒng)中，霍爾傳感器可以用于制動防抱死系統(tǒng)(ABS)，提高制動過程的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)側滑、甩尾等現(xiàn)象，減小制動距離。ABS由電子控制單元和多個輪速傳感器、剎車液壓閥門等組成，輪速傳感器負責檢測各個車輪的實際轉(zhuǎn)速，由電子控制單元分析各個車輪傳感器的信號，對車輪轉(zhuǎn)速進行實時控制。當發(fā)現(xiàn)某個車輪轉(zhuǎn)速低于其他車輪時，降低該車輪剎車液壓閥壓力提高車輪轉(zhuǎn)速；當發(fā)現(xiàn)某個車輪轉(zhuǎn)速高于其他車輪時，增加該車輪剎車液壓閥壓力以降低車輪轉(zhuǎn)速。在電子控制單元的控制下，可以不斷重復升降剎車液壓閥壓力動作，有效避免車輪抱死的現(xiàn)象，減小剎車距離?；魻杺鞲衅骺梢栽诘退偕踔淋囁贋?的狀態(tài)下保持輸出幅值恒定，提高檢測信號的準確度和靈敏度，綜合性能優(yōu)于其他類型的傳感器。

3 汽車電子系統(tǒng)霍爾傳感器的檢測方法

3.1 霍爾傳感器檢測方法

汽車電子系統(tǒng)霍爾傳感器檢測需要結合汽車霍爾傳感器的實際情況，下面以本田飛度轎車觸發(fā)齒輪式傳感器接線為例，闡述具體的檢測方法。對于工作電壓的檢測，需要先斷開霍爾傳感器插頭，擰開點火開關，使用萬用表檢測端子1的電壓，如果電壓沒有12.0 V，需要進一步檢查端子1與繼電器的導通性；對于參考電壓的檢測，需要在斷開傳感器插頭、擰開點火開關后，檢測端子2與搭鐵電壓，如果沒有4.8～5.0 V，需要進一步檢測端子2與電子控制單元的導通性，若導通性沒有問題可以判斷為電子控制單元故障；對于搭鐵電壓的檢測，可以檢測端子3與地線的導通性，如果導通性存在問題需要進一步檢測線束是否存在斷路問題；使用解碼器的檢測，使用檢測儀根據(jù)維修手冊要求對發(fā)動機控制系統(tǒng)進行檢測，曲軸位置傳感器損壞對應故障碼P0335；對于工作輸出信號的檢測，可以對傳感器信號線引出測量線，或是用三通連接插頭，使用萬用表檢測曲軸轉(zhuǎn)動過程中的電壓變化情況，以判斷工作輸出信號是否發(fā)生故障；使用示波器的檢測，考慮到霍爾傳感器屬于電子元件控制電路，不能單純根據(jù)電阻檢查結果進行準確判斷，需要用示波器檢測發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的輸出信號波形，查閱維修手冊根據(jù)輸出信號波形進行判斷；使用發(fā)光二極管的檢測，可以引出端子2信號與發(fā)光二極管試電筆并聯(lián)，如果發(fā)光二極管閃爍不規(guī)律應是曲軸位置傳感器信號不良，若不閃爍則需要檢測2號信號線端子與電子控制單元的導通性，電壓正?？膳袛鄠鞲衅鞴收?，電壓異常應為電子控制單元故障。

3.2 汽車電子系統(tǒng)霍爾傳感器檢測案例

輪速傳感器故障檢測。某本田雅閣轎車更換發(fā)動機活塞連桿總成后，測試時速超過60 km時制動，ABS未啟動，ABS故障警告燈亮起。問詢車主后，了解到該車1個月內(nèi)維修過ABS，對輪速傳感器進行了更換。汽車ABS中輪速傳感器是最重要的組件，需要依靠輪速傳感器輸出車輪輪速信號，通過實時監(jiān)測車輪輪速調(diào)節(jié)制動輪缸壓力，獲得較高的車輪附著性能，避免制動過程中出現(xiàn)車輪抱死的情況。將更換輪速傳感器車輪的ABS電磁閥電路斷路，拆下輪速傳感器，剝開導線接頭處發(fā)現(xiàn)線頭斷開，對導線電壓、搭鐵、電阻測試均正常，判斷為導向連接不良問題。將導向重新連接，在車輪上重新安裝輪速傳感器，消除故障碼，經(jīng)過路試證明故障已排除。

凸輪軸位置傳感器故障檢測。某本田思域轎車行駛里程超過10 000 km后，存在動力下降的問題。經(jīng)全面檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機功率不足。該車使用的霍爾傳感器觸發(fā)葉輪由凸輪軸拉動，葉輪葉片位于磁鐵與霍爾元件間時切斷磁場不會產(chǎn)生霍爾電壓，信號發(fā)生器輸出高位電壓，經(jīng)過磁鐵與霍爾元件的間隙后會生成霍爾電壓，信號發(fā)生器輸出低位電壓。凸輪軸位置傳感器與發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器測量凸輪軸、曲軸位置信號，比較分析發(fā)動機控制系統(tǒng)中的凸輪軸、曲軸位置信號。為檢測霍爾傳感器是否存在故障，使用萬用表對信號端子、正端子電阻等進行檢測，結果顯示正常。借助雙通道示波器對發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、凸輪軸位置傳感器輸出信號波形進行檢測，結果顯示2個發(fā)生器信號不同步。對凸輪軸位置傳感器進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)霍爾元件存在嚴重劃痕，觸發(fā)葉輪已經(jīng)嚴重變形，更換觸發(fā)葉輪后重新安裝凸輪軸位置傳感器，路試時故障排除。

檔位傳感器故障檢測。某北汽轎車行駛里程超過80 000 km后，存在跳檔的現(xiàn)象，且倒檔不容易掛上。使用解碼器讀取故障碼，沒有發(fā)現(xiàn)存在故障碼，判斷自動變速器傳感器和繼電器不存在故障。停車狀態(tài)下觀察數(shù)據(jù)流未發(fā)現(xiàn)問題。對檔位傳感器的霍爾元件進行檢測，測量倒檔和D檔下相應接口的對地電壓，與電壓要求不符，說明霍爾元件存在故障，使得換檔邏輯信號不準確。更換檔位霍爾元件后，經(jīng)路試證明故障已經(jīng)排除。

節(jié)氣門位置傳感器故障檢測。某豐田花冠轎車行駛里程為60 000 km后，存在故障燈突然亮起的故障。檢查車輛怠速情況，發(fā)動機存在怠速抖動，進行加速測試時存在較嚴重的加速不良情況。該車節(jié)氣門使用霍爾傳感器，4根導線中1根電腦供電、1根搭鐵線、1根信號線輸出節(jié)氣門開度信號，還有1根信號線對信號準確性進行監(jiān)測。對節(jié)氣門位置傳感器進行檢測，拔下傳感器插接器，車輛點火，使用萬用表測量電源電壓和搭鐵線與電池負極導通性。啟動發(fā)動機后，使用萬用表測量發(fā)動機怠速和加速狀態(tài)下2根信號線對搭鐵電壓，結果顯示電壓超出正常范圍。分析原因為節(jié)氣門位置傳感器損壞，發(fā)動機電腦無法收到節(jié)氣門位置信號，使得節(jié)氣門開度無法改變，所以出現(xiàn)怠速抖動和加速不良問題。對存在問題的節(jié)氣門位置傳感器進行更換，經(jīng)路試證明故障現(xiàn)象消失。

4 結語

綜上所述，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，霍爾傳感器在汽車電子系統(tǒng)的應用越來越廣泛。霍爾傳感器和傳統(tǒng)的接觸式傳感器相比，具有很強的抗干擾能力，可靠性強，使用壽命長，在汽車速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、ABS、節(jié)氣門位置傳感器中均起到了不錯的效果，為實現(xiàn)汽車功能、保證性能穩(wěn)定性起到了重要的作用。但霍爾傳感器的使用同樣會面臨各種故障，需要觀察故障現(xiàn)象，分析故障可能的原因，善于運用解碼器、示波器、萬用表等檢測儀器設備對霍爾傳感器進行檢測，以及時排除故障，提升汽車整體結構和功能的穩(wěn)定性。