霍爾傳感器溫度補償方法分析研究

張玲娜，馬安忠

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電信學(xué)院，陜西 西安 710302)

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霍爾傳感器溫度補償方法分析研究

張玲娜，馬安忠

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電信學(xué)院，陜西 西安 710302)

摘要：本文針對霍爾傳感器在進行電機轉(zhuǎn)速測量時輸出信號隨環(huán)境溫度穩(wěn)定性差的問題，提出三種溫度補償方法，并詳細闡述了實現(xiàn)霍爾電勢相對穩(wěn)定的三種溫度補償電路，對電路進行分析比較，分別指出電路各自的優(yōu)缺點，對從事霍爾傳感器應(yīng)用研究人員有一定的幫助和指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；溫度補償；方法；電路設(shè)計

1引言

1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電性能時，偶然的發(fā)現(xiàn)了這一種現(xiàn)象。

霍爾傳感器是基于所產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)的一個新的磁場傳感器，已被成功地用于在工業(yè)自動化技術(shù)，檢測技術(shù)和信息處理?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體材料的一種基本性質(zhì)?；魻栃?yīng)是由大量的霍爾系數(shù)確定后的霍爾參數(shù)，這可以由半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，載流子濃度和載流子遷移率等的性質(zhì)確定的性質(zhì)。在磁場強度變化的霍爾電壓變化，強磁場，更高的電壓，較弱的磁場，較低的電壓?；魻栯妷褐岛苄?，通常只有幾毫伏，但采用集成電路，可使輸出電壓被放大到一個足夠強的信號。

2霍爾傳感器概述

當(dāng)霍爾傳感器控制電流和環(huán)境溫度是恒定的，霍爾電勢是正比于磁通密度。公式如1所示。當(dāng)環(huán)境溫度是恒定的，霍爾電位和控制電流及磁通密度的乘積成正比?；魻杺鞲衅鞯念愋褪钱?dāng)前主開關(guān)，模擬和數(shù)字傳感器三種形式?；魻杺鞲衅骺梢杂山饘俸桶雽?dǎo)體的，這取決于導(dǎo)體的材料質(zhì)量及霍爾效應(yīng)的變化，該材料將直接影響通過正離子和電子的傳感器的流動。制造霍爾元件，半導(dǎo)體行業(yè)通常使用三種材料，即砷化鎵，銻化銦和砷化銦。經(jīng)過試驗驗證總結(jié)，根據(jù)物質(zhì)特性，我們應(yīng)用過程中最常見的半導(dǎo)體材料是砷化銦。

UH=KIB

(1-1)

霍爾傳感器和單片機技術(shù)可以完成可以實現(xiàn)對電動機的控制，利用電機，主軸轉(zhuǎn)速等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的高精度，高速非接觸式測量；并可以在不穩(wěn)定的環(huán)境進行測量(如溫度變化，振動等)和良好的適應(yīng)性，可進一步用在各種工業(yè)，農(nóng)業(yè)和生活需求及需要在實踐中顯示電機的轉(zhuǎn)速的場合。如圖1所示。

霍爾傳感器的輸出受到溫度的影響而發(fā)生非線性性質(zhì)的改變。由于半導(dǎo)體材料的原子排列或者半導(dǎo)體材料的元素性質(zhì)，如擴散硅晶體，使得半導(dǎo)體材料的電阻率或者載流子濃度隨著溫度的變化而變化，表現(xiàn)為溫度特性?；魻杺鞲衅魇且环N半導(dǎo)體性質(zhì)的器件，所以容易受到溫度的影響，其靈敏度系數(shù)、電阻率參數(shù)等都會受到溫度的影響產(chǎn)生非線性性質(zhì)的變化。這種變化與材料本身有關(guān)，因此溫度對霍爾傳感器測量的影響是不能忽略的，因此，應(yīng)該在輸入輸出電路中選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行溫度補償。

如圖2所示，為幾種半導(dǎo)體材料的內(nèi)阻及霍爾電勢受溫度變化的影響而輸出發(fā)生變化的情況?？梢钥闯?，其溫度系數(shù)有正溫度系數(shù)的，也有負溫度系數(shù)的。正溫度系數(shù)是內(nèi)阻隨溫度的增加而增加，負溫度系數(shù)是內(nèi)阻隨溫度的升高減小。

由圖3可知，半導(dǎo)體材料的溫度參數(shù)以及工作狀態(tài)對霍爾電勢產(chǎn)生顯著的影響，進而會影響到傳感器的輸出，以減少溫度的變化對霍爾傳感器的輸出測量的影響，溫度對霍爾傳感器測量的影響是不能忽略的，因此，應(yīng)該在輸入輸出電路中選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行溫度補償。

3傳感器溫度霍爾補償電路

3.1以恒壓源形式供電輸入端補償

以恒壓源形式供電輸入端補償電路等效電路原理圖如圖3所示。設(shè)霍爾傳感器的內(nèi)阻阻值為r0，溫度系數(shù)為β，霍爾傳感器的靈敏度系數(shù)為K0，假設(shè)電路所供電源電壓為U。在電路中串聯(lián)一個電阻R0來消除由于溫度的變化對霍爾傳感器的輸出造成的影響，電阻R0的溫度系數(shù)為δ，電源的內(nèi)阻為r′，溫度系數(shù)為ξ。設(shè)霍爾傳感器輸出電勢的穩(wěn)定系數(shù)為α。

由霍爾傳感器的電壓輸出公式，初始狀態(tài)時刻的霍爾電壓由公式2-1表示：

(2-1)

霍爾電勢受溫度變化影響的ΔT關(guān)系為，則輸出為下公式2-2所示：

(2-2)

K=K0(1+αΔT)

(2-3)

r=r0(1+ΔT)

(2-4)

R=R0(1+δT)

(2-5)

(2-6)

(2-8)

整理變形后可以得到2-9式：

(2-9)

當(dāng)忽略此處影響極小的電源內(nèi)阻時，式(2-9)變?yōu)椋?/p>

(2-10)

(2-11)

式中：α、β、δ都是該系統(tǒng)中補償前霍爾傳感器的本身固有參數(shù)，這些參數(shù)可視為確定值。如果R0滿足了2-11式所計算的參數(shù)，此時霍爾傳感器就能得到很好地溫度補償。但是，控制電流的霍爾傳感器在受到溫度影響的同時，還受到局部壓力性的作用，因此，可對霍爾傳感器的供電使用恒流源供電模式，溫度補償電路可以采用并聯(lián)補償?shù)男问健?/p>

3.2恒流源形式作為供電輸入端的溫度補償

原理圖如圖4所示。利用恒流源供電，補償電阻與霍爾傳感器并聯(lián)連接輸出。

由霍爾傳感器的電壓輸出公式，初始狀態(tài)時刻的霍爾電流由2-12式表示：

(2-12)

(2-13)

當(dāng)溫度變化ΔT時，由電路圖并聯(lián)電路可以得到式2-14：

(2-14)

則有：

(2-15)

(2-16)

整理得：

r0δΔT+r0αΔT+R0αΔT-r0βΔT+(R0+r0)αδΔT2=0

(2-17)

在通常測量過程中霍爾傳感器受溫度變化量影響較大，所以應(yīng)該避免溫度變化劇烈的環(huán)境。得到式2-18。

r0δΔT+r0αΔT+R0αΔT-r0βΔT=0

(2-18)

(2-19)

3.3輸入輸出形式同步補償方法

高次項對于在一定精度范圍內(nèi)的影響，是相對較小的，因此是可以忽略的。然而，測量誤差的高階項的存在會進一步增強補償效果，采用輸入端、輸出端同步聯(lián)合補償，即采用輸入端、輸出端的聯(lián)合補償方法。整體示意圖如圖5所示。

RL和相同的電阻溫度系數(shù)的補償電阻器的輸入端以并聯(lián)方式連接，RL可以看作與霍爾傳感器串聯(lián)電路的內(nèi)部電阻，相當(dāng)于霍爾傳感器的一個電壓源。初始端電壓輸出值如下：

(2-20)

則：

(2-21)

整理后得：

(RL0+r0)αδΔT2+RL0αΔT+r0δΔT+r0αΔT-r0βΔT=0

(2-22)

為了得到輸入、輸出端兩者之間的補償電阻關(guān)系RL=R0，考慮到高次項影響系統(tǒng)輸出精度小，做近似運算得到RL=R0。

4結(jié)論

半導(dǎo)體溫度特性直接影響到使用霍爾效應(yīng)傳感器時的溫度補償方案?；魻杺鞲衅魇且环N半導(dǎo)體性質(zhì)的器件，所以容易受到溫度的影響，其靈敏度系數(shù)、電阻率參數(shù)等都會受到溫度的影響產(chǎn)生非線性性質(zhì)的變化。根據(jù)霍爾傳感器的輸入測量精度和溫度特性可以用溫度補償電阻方法來對整個輸出做相應(yīng)補償。這種補償方法對內(nèi)部電阻產(chǎn)生的影響不能控制。恒流源形式補償電路可以消除影響，對局部壓力作用不靈敏。

參考文獻：

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[2]王鋒,劉美全,范江瑋.霍爾傳感器溫度補償方法研究[J].電子測量技術(shù),2014,06:97-99.

[3]劉瀛.霍爾傳感器測量誤差及其補償電路的分析研究[J].遼東學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,04:193-195.

作者簡介：張玲娜(1978-)，女，陜西長安人，講師，研究方向:傳感器技術(shù)與自動控制。

中圖分類號:TP212

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)10-0022-02