实训项目三 凸轮轴位置传感器的检测
凸轮轴位置传感器CPS（Camshaft Position Sensor）又称为判缸传感器CIS(Cylinder Identifica-tion Sensor),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。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU，以便ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震控制。此外，凸轮轴位置信号还用与发动机启动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一缸活塞即将到达上止点，所以成为判缸传感器。
一、实训目的和要求
1、掌握凸轮轴位置传感器的结构与工作原理；
2、了解凸轮轴位置传感器的检测方法；
3、掌握凸轮轴位置传感器控制电路的检修方法；
4、掌握凸轮轴位置传感器数据分析的方法及检测仪器的使用方法。
二、实训课时
实训共安排2课时。
三、器材工具
1、工具：数字万用表、螺丝刀；
2、设备：桑塔纳AJR发动机故障实验台、K81故障诊断仪；
3、教具：AJR发动机教学挂图一套，凸轮轴位置传感器解剖教具一只，测量用桑塔纳2000Gsi型轿车凸轮轴位置传感器5只。
四、成绩评定
成绩评定的等级为优、良、中、及格和不及格。
五、实训原理
1、霍尔效应
霍尔效应（Hall Effect）是美国约翰·霍普金斯大学物理学家德华·霍尔博士（Dr·Edward H·Hall）于1879年首先发现的。霍尔效应是指将一个通有电流I的长方形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中，如图3-1所示，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个电流方向和磁场方向的电压，当取消磁场时电压立即消失。产生的电压后来被称之为霍尔电压UH，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比。
图3-1 霍尔效应原理图
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效应式传感器，简称霍尔传感器。由于半导体材料也存在霍尔效应，其霍尔系数远远大于金属材料的霍尔系数，因此一般都采用半导体材料制作霍尔元件。利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压，而且还可以检测导线中流过的电流，因为导线周围的磁场强度与流过导线的电流成正比关系。八十年代以来，汽车电子产品应用的霍尔式传感器与日俱增，主要原因在于霍尔式传感器有两个显著的优点：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。霍尔效应式传感器与磁感应式传感器的不同之处是需要外加电源。
2、霍尔式传感器基本结构
霍尔式传感器的基本结构如图3-2所示，主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片（磁轭）与永久磁铁组成。
图3-2 霍尔传感器基本结构与原理
a）叶片离开气隙，磁场饱和 b）叶片进入气隙，磁场被旁路
1-永久磁铁 2-触发叶轮 3-磁轭 4-霍尔集成电路
触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片。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。
3、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，如图3-2a所示，此时霍尔元件产生电压为1.9到2.0V，霍尔集成电路输出级的三极管导通，传感器输出的信号电压Uo为低电平。
当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，如图3-2b所示，霍尔电压UH为零，集成电路输出级的三级管截止，传感器输出的信号电压Uo为高电平。
4、桑塔纳2000GSi型轿车霍尔式凸轮轴位置传感器的结构特点
桑塔纳2000GSi型轿车采用的霍尔式凸轮轴位置传感器安装在发动机进气凸轮轴的一端，结构如图3-3所示，主要由霍尔信号发生器和信号转子组成。
图3-3 霍尔式凸轮轴位置传感器的结构
1-进气凸轮轴 2-凸轮轴位置传感器 3-传感器固定螺钉
4-定位螺钉与座圈 5-信号转子 6-发动机缸体
信号转子又称为触发叶轮，安装在进气凸轮轴上，用定位螺栓和座圈定位固定。信号转子的隔板又称为叶片，在隔板上制有一个窗口，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。
霍尔式信号发生器主要由霍尔集成电路、永久磁铁和导磁钢片等组成。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。霍尔元件用硅半导体材料制成、与永久磁铁之间留有0.2-0.4mm的间隙，当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过。
该传感器接线插座上有3个引线端子，端子1为传感器电源正极端子，与控制单元62端子连接；端子2为传感器信号输出端子，与控制单元76端子连接；端子3为传感器电源负极端子，与控制单元67端子连接。
2、工作情况
由霍尔式传感器工作原理可知，当隔板进入气隙时，霍尔元件不产生电压，传感器输出高电平（5V）信号；当隔板离开气隙时，霍尔元件产生电压，传感器输出低电平信号（0.1V）。凸轮轴位置传感器输出的信号电压与曲轴位置传感器输出的信号要电压之间的关系如图3-4所示。发动机曲轴每转两转，霍尔传感器信号转子就转一圈，对应产生一个低电平信号和一个高电平信号和一个高电平信号，其中低电平信号对应与1缸压缩上止点前一定角度。
图3-4 曲轴位置与凸轮轴位置传感器输出波形的对应关系
发动机工作时，磁感应式曲轴位置传感器CPS和霍尔式凸轮轴位置传感器CIS产生的信号电压不断输入控制单元ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电凭信号和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电平信号时，便可识别出此时为1缸活塞处于压缩形成、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。控制单元识别出1缸压缩上止点位置后，便可进行顺序喷油控制和各缸点火时刻控制。如果发动机产生了爆震，控制单元还能根据爆震传感器输入的信号判别出是哪一缸产生了爆震，从而减小点火提前角，以便消除爆震。
六、凸轮轴位置传感器的检测
当霍尔传感器出现故障而导致信号中断时，发动机会继续运转也能再次启动。但是，喷油不是在进气门打开时完成，而是在进气门关闭之前完成，由此对混合气品质产生的影响很小，不会影响发动机的总体性能。与此同时，由于控制单元不能判别即将到达压缩上止点的是哪一缸，因此爆震调节将停止。为了防止发动机产生暴动，控制单元将自动减小点火提前角。
当霍尔传感器信号中断时，控制单元ECU能够检测到故障信息，用K81故障诊断仪可以读取传感器故障的有关信息。如故障代码显示霍尔传感器故障，可用万用表检测传感器电源电压和导线电阻进行判断与排除。
1、检测传感器电源电压
（1）断开点火开关，拔下霍尔传感器插座上线束插头，将万用表的正、负表分别连接插头端子“1”与“3”；
（2）接通点火开关，测得电压标准值应当高于4.5V。如电压为零，说明线
束短路、短路或控制单元ECU有故障;
（3）断开点火开关，继续检测导线是否短路或断路。
2、检测线束导线有无断路和短路故障
（1）在断开点火开关的情况下拔下控制单元线束插头。
（2）检查短路故障。将万用表拨到电阻OHM×200Ω档，两只表笔分别连接传感器插头端子“1”与控制单元插头端子“62”、传感器插头端子“2”与控制单元插头端子“76”、传感器插头端子“3”与控制单元插头端子“67”。测得各导线的电阻值应不大于1.5Ω。如阻值过大或为无穷大，说明线束与端子接触不良或导线断路，应予修理或更换线束。
（3）检查短路故障。万用表仍拨到电阻OHM×200Ω档，一只表笔连接传感器插头端子“1”（或控制单元插头端子“62“），另一个表笔分别连接传感器插头端子“2”和“3”（或连接控制单元插头端子“76”和“67”）测得电阻值应为无穷大。如阻值不是无穷大，说明线束导线短路，应予更换。
3、根据检测结果，判断故障部位
如线束导线无短路或断路故障，且传感器电源电压高于4.5V，说明霍尔式凸轮轴位置传感器故障，应予修理或更换传感器。
如线束导线无短路或断路故障，但传感器电源电压为零，说明控制单元故障，需要更换控制单元ECU。
七、实训报告
按学院规定的格式完成实训报告，实训报告作为成绩考核的一部分。
实训项目三 凸轮轴位置传感器的检测
凸轮轴位置传感器CPS（Camshaft Position Sensor）又称为判缸传感器CIS(Cylinder Identifica-tion Sensor),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。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECU，以便ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火时刻控制和爆震控制。此外，凸轮轴位置信号还用与发动机启动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一缸活塞即将到达上止点，所以成为判缸传感器。
一、实训目的和要求
1、掌握凸轮轴位置传感器的结构与工作原理；
2、了解凸轮轴位置传感器的检测方法；
3、掌握凸轮轴位置传感器控制电路的检修方法；
4、掌握凸轮轴位置传感器数据分析的方法及检测仪器的使用方法。
二、实训课时
实训共安排2课时。
三、器材工具
1、工具：数字万用表、螺丝刀；
2、设备：桑塔纳AJR发动机故障实验台、K81故障诊断仪；
3、教具：AJR发动机教学挂图一套，凸轮轴位置传感器解剖教具一只，测量用桑塔纳2000Gsi型轿车凸轮轴位置传感器5只。
四、成绩评定
成绩评定的等级为优、良、中、及格和不及格。
五、实训原理
1、霍尔效应
霍尔效应（Hall Effect）是美国约翰·霍普金斯大学物理学家德华·霍尔博士（Dr·Edward H·Hall）于1879年首先发现的。霍尔效应是指将一个通有电流I的长方形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中，如图3-1所示，在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个电流方向和磁场方向的电压，当取消磁场时电压立即消失。产生的电压后来被称之为霍尔电压UH，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比。
图3-1 霍尔效应原理图
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效应式传感器，简称霍尔传感器。由于半导体材料也存在霍尔效应，其霍尔系数远远大于金属材料的霍尔系数，因此一般都采用半导体材料制作霍尔元件。利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压，而且还可以检测导线中流过的电流，因为导线周围的磁场强度与流过导线的电流成正比关系。八十年代以来，汽车电子产品应用的霍尔式传感器与日俱增，主要原因在于霍尔式传感器有两个显著的优点：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。霍尔效应式传感器与磁感应式传感器的不同之处是需要外加电源。
2、霍尔式传感器基本结构
霍尔式传感器的基本结构如图3-2所示，主要由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片（磁轭）与永久磁铁组成。
图3-2 霍尔传感器基本结构与原理
a）叶片离开气隙，磁场饱和 b）叶片进入气隙，磁场被旁路
1-永久磁铁 2-触发叶轮 3-磁轭 4-霍尔集成电路
触发叶轮安装在转子轴上，叶轮上制有叶片。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。
3、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，如图3-2a所示，此时霍尔元件产生电压为1.9到2.0V，霍尔集成电路输出级的三极管导通，传感器输出的信号电压Uo为低电平。
当叶片进入气隙时，霍尔集成电路中的磁场被叶片旁路，如图3-2b所示，霍尔电压UH为零，集成电路输出级的三级管截止，传感器输出的信号电压Uo为高电平。
4、桑塔纳2000GSi型轿车霍尔式凸轮轴位置传感器的结构特点
桑塔纳2000GSi型轿车采用的霍尔式凸轮轴位置传感器安装在发动机进气凸轮轴的一端，结构如图3-3所示，主要由霍尔信号发生器和信号转子组成。
图3-3 霍尔式凸轮轴位置传感器的结构
1-进气凸轮轴 2-凸轮轴位置传感器 3-传感器固定螺钉
4-定位螺钉与座圈 5-信号转子 6-发动机缸体
信号转子又称为触发叶轮，安装在进气凸轮轴上，用定位螺栓和座圈定位固定。信号转子的隔板又称为叶片，在隔板上制有一个窗口，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。
霍尔式信号发生器主要由霍尔集成电路、永久磁铁和导磁钢片等组成。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。霍尔元件用硅半导体材料制成、与永久磁铁之间留有0.2-0.4mm的间隙，当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过。
该传感器接线插座上有3个引线端子，端子1为传感器电源正极端子，与控制单元62端子连接；端子2为传感器信号输出端子，与控制单元76端子连接；端子3为传感器电源负极端子，与控制单元67端子连接。
2、工作情况
由霍尔式传感器工作原理可知，当隔板进入气隙时，霍尔元件不产生电压，传感器输出高电平（5V）信号；当隔板离开气隙时，霍尔元件产生电压，传感器输出低电平信号（0.1V）。凸轮轴位置传感器输出的信号电压与曲轴位置传感器输出的信号要电压之间的关系如图3-4所示。发动机曲轴每转两转，霍尔传感器信号转子就转一圈，对应产生一个低电平信号和一个高电平信号和一个高电平信号，其中低电平信号对应与1缸压缩上止点前一定角度。
图3-4 曲轴位置与凸轮轴位置传感器输出波形的对应关系
发动机工作时，磁感应式曲轴位置传感器CPS和霍尔式凸轮轴位置传感器CIS产生的信号电压不断输入控制单元ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电凭信号和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电平信号时，便可识别出此时为1缸活塞处于压缩形成、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。控制单元识别出1缸压缩上止点位置后，便可进行顺序喷油控制和各缸点火时刻控制。如果发动机产生了爆震，控制单元还能根据爆震传感器输入的信号判别出是哪一缸产生了爆震，从而减小点火提前角，以便消除爆震。
六、凸轮轴位置传感器的检测
当霍尔传感器出现故障而导致信号中断时，发动机会继续运转也能再次启动。但是，喷油不是在进气门打开时完成，而是在进气门关闭之前完成，由此对混合气品质产生的影响很小，不会影响发动机的总体性能。与此同时，由于控制单元不能判别即将到达压缩上止点的是哪一缸，因此爆震调节将停止。为了防止发动机产生暴动，控制单元将自动减小点火提前角。
当霍尔传感器信号中断时，控制单元ECU能够检测到故障信息，用K81故障诊断仪可以读取传感器故障的有关信息。如故障代码显示霍尔传感器故障，可用万用表检测传感器电源电压和导线电阻进行判断与排除。
1、检测传感器电源电压
（1）断开点火开关，拔下霍尔传感器插座上线束插头，将万用表的正、负表分别连接插头端子“1”与“3”；
（2）接通点火开关，测得电压标准值应当高于4.5V。如电压为零，说明线
束短路、短路或控制单元ECU有故障;
（3）断开点火开关，继续检测导线是否短路或断路。
2、检测线束导线有无断路和短路故障
（1）在断开点火开关的情况下拔下控制单元线束插头。
（2）检查短路故障。将万用表拨到电阻OHM×200Ω档，两只表笔分别连接传感器插头端子“1”与控制单元插头端子“62”、传感器插头端子“2”与控制单元插头端子“76”、传感器插头端子“3”与控制单元插头端子“67”。测得各导线的电阻值应不大于1.5Ω。如阻值过大或为无穷大，说明线束与端子接触不良或导线断路，应予修理或更换线束。
（3）检查短路故障。万用表仍拨到电阻OHM×200Ω档，一只表笔连接传感器插头端子“1”（或控制单元插头端子“62“），另一个表笔分别连接传感器插头端子“2”和“3”（或连接控制单元插头端子“76”和“67”）测得电阻值应为无穷大。如阻值不是无穷大，说明线束导线短路，应予更换。
3、根据检测结果，判断故障部位
如线束导线无短路或断路故障，且传感器电源电压高于4.5V，说明霍尔式凸轮轴位置传感器故障，应予修理或更换传感器。
如线束导线无短路或断路故障，但传感器电源电压为零，说明控制单元故障，需要更换控制单元ECU。
七、实训报告
按学院规定的格式完成实训报告，实训报告作为成绩考核的一部分。