霍爾傳感器溫度補償方法分析研究

張玲娜，馬安忠

(陜西國防工業職業技術學院，電信學院，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

(陜西國防工業職業技術學院，電信學院，陜西 西安 710302)

摘要：本文針對霍爾傳感器在進行電機轉速測量時輸出信號隨環境溫度穩定性差的問題，提出三種溫度補償方法，并詳細闡述了實現霍爾電勢相對穩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缺點，對從事霍爾傳感器應用研究人員有一定的幫助和指導價值。

關鍵詞：霍爾傳感器；溫度補償；方法；電路設計

1引言

1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬的導電性能時，偶然的發現了這一種現象。

霍爾傳感器是基于所產生的霍爾效應的一個新的磁場傳感器，已被成功地用于在工業自動化技術，檢測技術和信息處理。霍爾效應是半導體材料的一種基本性質。霍爾效應是由大量的霍爾系數確定后的霍爾參數，這可以由半導體材料的導電類型，載流子濃度和載流子遷移率等的性質確定的性質。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。霍爾電壓值很小，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

當霍爾傳感器控制電流和環境溫度是恒定的，霍爾電勢是正比于磁通密度。公式如1所示。當環境溫度是恒定的，霍爾電位和控制電流及磁通密度的乘積成正比。霍爾傳感器的類型是當前主開關，模擬和數字傳感器三種形式。霍爾傳感器可以由金屬和半導體的，這取決于導體的材料質量及霍爾效應的變化，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，半導體行業通常使用三種材料，即砷化鎵，銻化銦和砷化銦。經過試驗驗證總結，根據物質特性，我們應用過程中最常見的半導體材料是砷化銦。

UH=KIB

(1-1)

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

霍爾傳感器的輸出受到溫度的影響而發生非線性性質的改變。由于半導體材料的原子排列或者半導體材料的元素性質，如擴散硅晶體，使得半導體材料的電阻率或者載流子濃度隨著溫度的變化而變化，表現為溫度特性。霍爾傳感器是一種半導體性質的器件，所以容易受到溫度的影響，其靈敏度系數、電阻率參數等都會受到溫度的影響產生非線性性質的變化。這種變化與材料本身有關，因此溫度對霍爾傳感器測量的影響是不能忽略的，因此，應該在輸入輸出電路中選擇適當的方法進行溫度補償。

如圖2所示，為幾種半導體材料的內阻及霍爾電勢受溫度變化的影響而輸出發生變化的情況。可以看出，其溫度系數有正溫度系數的，也有負溫度系數的。正溫度系數是內阻隨溫度的增加而增加，負溫度系數是內阻隨溫度的升高減小。

由圖3可知，半導體材料的溫度參數以及工作狀態對霍爾電勢產生顯著的影響，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，應該在輸入輸出電路中選擇適當的方法進行溫度補償。

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。設霍爾傳感器的內阻阻值為r0，溫度系數為β，霍爾傳感器的靈敏度系數為K0，假設電路所供電源電壓為U。在電路中串聯一個電阻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的溫度系數為δ，電源的內阻為r′，溫度系數為ξ。設霍爾傳感器輸出電勢的穩定系數為α。

由霍爾傳感器的電壓輸出公式，初始狀態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)

當忽略此處影響極小的電源內阻時，式(2-9)變為：

(2-10)

(2-11)

式中：α、β、δ都是該系統中補償前霍爾傳感器的本身固有參數，這些參數可視為確定值。如果R0滿足了2-11式所計算的參數，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補償的形式。

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連接輸出。

由霍爾傳感器的電壓輸出公式，初始狀態時刻的霍爾電流由2-12式表示：

(2-12)

(2-13)

當溫度變化ΔT時，由電路圖并聯電路可以得到式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，所以應該避免溫度變化劇烈的環境。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、輸出端同步聯合補償，即采用輸入端、輸出端的聯合補償方法。整體示意圖如圖5所示。

RL和相同的電阻溫度系數的補償電阻器的輸入端以并聯方式連接，RL可以看作與霍爾傳感器串聯電路的內部電阻，相當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系RL=R0，考慮到高次項影響系統輸出精度小，做近似運算得到RL=R0。

4結論

半導體溫度特性直接影響到使用霍爾效應傳感器時的溫度補償方案。霍爾傳感器是一種半導體性質的器件，所以容易受到溫度的影響，其靈敏度系數、電阻率參數等都會受到溫度的影響產生非線性性質的變化。根據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補償。這種補償方法對內部電阻產生的影響不能控制。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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作者簡介：張玲娜(1978-)，女，陜西長安人，講師，研究方向:傳感器技術與自動控制。

中圖分類號:TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)10-0022-02