摩托车转速传感器 电喷连载11：摩托车电喷系统之所以智能，这些传感器功不可没！
电喷连载11：摩托车电喷系统之所以智能，这些传感器功不可没！
作者：微波
电喷摩托车上的电子控制系统由曲轴位置传感器、节气门位置传感器、发动机温度传感器、电子控制单元ECU（简称ECU，下同）、点火线圈、喷油器、氧传感器和倾角传感器等组成。
ECU通过收集和分析各传感器采集的发动机运行状况数据，经过精密计算处理，确定发动机在不同负荷工作时，所需要的开始喷油时间、喷油器的喷油量、喷油器的开启延续时间、点火提前角以及对喷油和点火的各种修正，以便获得最佳的空燃比、点火提前角和良好的经济性。
曲轴位置的检测和点火线圈通电时间的控制，是发动机点火提前角最基本的要素，其中曲轴位置的检测尤其重要。
曲轴转角信号的每一个脉冲表示发动机曲轴转过一定的角度，该信号同时又可用于测量发动机转速。这样，不但可以适应发动机高速状态下保持信号连续，而且在改变工况时也能使电子控制系统迅速感知工况的变化，以便及时改变点火提前角。
以CL125-6电喷系统为例作，曲轴位置传感器（如下图）被安装在左曲轴箱盖侧面，主要用来检测曲轴的转角相位和发动机转速。
用于识别曲轴转角信号的齿盘，共有34个齿，其中33个齿在直径为124mm曲轴位置盘圆周330°范围内均布，其余30°圆周内则为第34个齿，约占用2个多齿位（如下图），它利用可变磁隙（磁隙为0.5～1.0mm）原理工作，以此识别信号，即可测得曲轴在720°范围内的转角相位和转速，并转换成传输信号传给ECU作修正数值。
该齿盘被固定在磁电机飞轮上，随曲轴同步转动（如下图）。曲轴位置传感器电气参数为：曲轴位置传感器的内阻560Ω±5%（20℃）。
节气门位置传感器（如下图）用来测量节气门的开度，主要作用是将节气门开度值转变为电压脉冲信号。
线性可变电阻型节气门传感器是一种线性电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点，在不同的节气门开度下，电位计的电阻也不同，从而将节气门开度转变为电流或电压信号输送给ECU。
ECU由此可以获得节气门由全闭到全开的所有开启角度的连续变化的模拟信号，以及节气门开度的变化速率。
在此过程中，当改变电位计的电阻值时，其输出电压与节气门的开度成正比例增大。当节气门逐渐打开时，电路中所串入的电阻值逐渐减小，输出电压增大；反之，则输出电压减小。
就这样，将其输出信号送至电子控制系统（ECU）输入端，便可检测出发动机处在何种工作状态：（即是怠速、负荷还是加、减速状态）。再由ECU通过节气门开度和发动机转速测算出发动机的进气量，并与大气压力传感器检测数据进行比较分析，综合后再确定其最佳喷油量。
以此来控制喷油器的开、闭时间（长或短），以满足摩托车在不同工况下发动机所需的燃油量。从这个意义上说，节气门开度的大小，决定了发动机转速的高低和相应的负荷变化。
进气温度传感器（如下图）是一个负系数的热敏电阻式传感器，被安置在某缸空气滤清器内，传感器的壳体内装有热敏电阻，它能正确感受进入汽缸的空气温度，将空气温度转变成电信号后传给电子控制装置。
由于空气温度变化会直接影响空气密度及空气中的氧气含量，从而直接影响进气量。热敏电阻式温度传感器可随着温度的变化而改变电流的大小。
如：在低温时，通过该元件的电流较大，因此传输给ECU控制装置的电信号就强，这时控制装置会适当延长喷油器的开启时间，同时输送给发动机更多的汽油，以弥补密度较大的冷空气的需要；而在高温时，则反之，控制装置会相应缩短其喷油器的开启时间。
发动机温度传感器（如下图）通常安装在汽缸盖靠近燃烧室的进气侧中间。它和进气温度传感器一样也是一个负系数的热电偶。
其工作原理是，热电偶元件的阻值随发动机温度升高而减小，主要用来精确测量发动机的工作温度，测量的电信号传输给电控单元ECU，以此为依据，修正供油量和点火提前角，从而有效地减少因发动机高温引起的爆燃的可能性。
当摩托车启动不久，发动机温度较低时，燃油的蒸发性差，应供给较浓的混合气，使发动机运转性能得以改善，并加速暖机过程。发动机达到正常工作温度时，混合气形成条件较好，此时ECU根据发动机温度传感器传来的电信号自动减少喷油量。因此，发动机温度传感器可以通过温度检测以鉴别其工作性能的好坏。温度传感器电阻、温度特性。
大气压力传感器是一个压力式的传感器，被安置在ECU里面，主要用于测量不同海拔高度的大气压力，以便确定其控制密度。
发动机在高海拔地区运转时，因空气密度小，吸入的空气质量相对减少，只需较少的燃油。大气压力传感器将反映的空气密度的电信号输送给ECU，ECU便向喷油器发出指令，以修正喷油器的喷油时间的长短。
多数电喷发动机采用的大气压力传感器是集成在ECU上的，依靠真空管一端与大气相通，另一端则接在传感器的真空盒上。
有了这些传感器作为ECU的眼睛，它就能详细观察到发动机各部位实际工作状态，并根据这些数据计算出喷油、点火的时机和数量，再命令相关执行器动作。
电喷连载系列文章，旨在普及电喷知识和基本检修保养方法，将分章分节由浅入深进行讲解，敬请持续关注，未完待续！
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齿轮转速传感器在机车速度领域的应用
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。发
电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A／D转换后读人计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。在机车电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。
霍尔传感器的原理
1．霍尔效应
在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH即UH=KHIB ，其中KH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
2．工作原理
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。
测量磁场及工作设置
1．测量磁场
使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。
2．工作磁体的设置
用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个4 mm ×3 mm×l1 mm的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约O.23T 的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。工作磁体和霍尔器件问的运动方式有对移、侧移、旋转和遮断，如图1所示。图1中的TEAG即为总有效工作气隙。
图 1 霍尔器件和工作磁体问的运动方式
在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁(例如软铁)翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50um。当两齿之间的空隙正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当某一齿对准霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一一个mV级的准方波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的s极接近霍尔电路外壳上打有标志的一而时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正。
也可将工作磁体固定在霍尔器件背面(外壳上没打标志的一面)，让被检的铁磁物体(例如钢齿轮)从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志(如齿、凸缘、缺口等)，得出物体的运动参数。在图2的霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。霍尔效应传感器感测的是磁通量的大小。
霍尔电路设计
1.工作方法
当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论该磁场的绝对强度有多大，它们之间的差值总为零。然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大。实际上，这个差值体现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。
图 3 霍尔元件原理图
2．齿轮、感应距离和角精度
一个齿轮可由其模数来表征：m =d／z。其中d 是齿轮直径，z是轮齿数量。轮齿到轮齿的距离为T，齿距的计算公式为T = πm 。当一个霍尔传感器面对一个轮齿而另一个霍尔传感器面对一个齿隙时，感应到的差值最大。该器件内两个霍尔传感器的间隔为2.5 mm，在模数为1，对应的齿距为3.14mm的条件下，该器件都可以感应到差值。如果该模数大于3或者齿轮不规则，将可能在一段较长时间内检测不到足够的差值，这意味着输出信号将不确定。传感器和齿轮之间允许的最大距离是温度、模数、磁体和速度的一个函数，速度可以用每次轮齿／齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。如果减小距离，将产生较大的有用信号。因此，切换精度可以随传感器低／高转变次数的增加而增加，这种低／高转变可以代表齿轮的一个旋转角度。
3．电路图设计
图 4 差分型霍尔电路
当霍尔元件输出高电平时v2导通，v1截止，信号输出端输出方波的低电平；当霍尔元件输出低电平时，v2导通，v1截止，输出端为方波的高电平。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数Ⅳ，因此可求出单位时间内的速度V=NT(T = πm)。
深圳工采网提供的齿轮转速传感器GS101201 – GS101202采用霍尔效应原理,可以应用于测速仪和数控机床
图 5 实物图和应用图
齿轮转速传感器 GS101201 – GS101202 产品描述：
齿轮速度传感器 GS101201 – GS101202利用霍尔效应的装置，用于检测黑色金属边缘/感应接近零速度的应用。他们提供灌电流输出
齿轮转速传感器 GS101201 – GS101202 产品特点：
感应近零速度至15 kHz 的能力
塑料法兰安装外壳
与非稳定式电源供应器相兼容
符合 RoHS 标准
IP67
典型气隙为 1.5 mm
齿轮转速传感器GS101201 – GS101202 产品应用：
测速仪
防抱死制动系统
健身器材
数控机床
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