霍尔传感器温度补偿方法分析研究

张玲娜，马安忠

(陕西国防工业职业技术学院，电信学院，陕西 西安 710302)



霍尔传感器温度补偿方法分析研究

张玲娜，马安忠

(陕西国防工业职业技术学院，电信学院，陕西 西安 710302)

摘要：本文针对霍尔传感器在进行电机转速测量时输出信号随环境温度稳定性差的问题，提出三种温度补偿方法，并详细阐述了实现霍尔电势相对稳定的三种温度补偿电路，对电路进行分析比较，分别指出电路各自的优缺点，对从事霍尔传感器应用研究人员有一定的帮助和指导价值。

关键词：霍尔传感器；温度补偿；方法；电路设计

1引言

1879年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电性能时，偶然的发现了这一种现象。

霍尔传感器是基于所产生的霍尔效应的一个新的磁场传感器，已被成功地用于在工业自动化技术，检测技术和信息处理。霍尔效应是半导体材料的一种基本性质。霍尔效应是由大量的霍尔系数确定后的霍尔参数，这可以由半导体材料的导电类型，载流子浓度和载流子迁移率等的性质确定的性质。在磁场强度变化的霍尔电压变化，强磁场，更高的电压，较弱的磁场，较低的电压。霍尔电压值很小，通常只有几毫伏，但采用集成电路，可使输出电压被放大到一个足够强的信号。

2霍尔传感器概述

当霍尔传感器控制电流和环境温度是恒定的，霍尔电势是正比于磁通密度。公式如1所示。当环境温度是恒定的，霍尔电位和控制电流及磁通密度的乘积成正比。霍尔传感器的类型是当前主开关，模拟和数字传感器三种形式。霍尔传感器可以由金属和半导体的，这取决于导体的材料质量及霍尔效应的变化，该材料将直接影响通过正离子和电子的传感器的流动。制造霍尔元件，半导体行业通常使用三种材料，即砷化镓，锑化铟和砷化铟。经过试验验证总结，根据物质特性，我们应用过程中最常见的半导体材料是砷化铟。

UH=KIB

(1-1)

霍尔传感器和单片机技术可以完成可以实现对电动机的控制，利用电机，主轴转速等旋转设备的高精度，高速非接触式测量；并可以在不稳定的环境进行测量(如温度变化，振动等)和良好的适应性，可进一步用在各种工业，农业和生活需求及需要在实践中显示电机的转速的场合。如图1所示。

霍尔传感器的输出受到温度的影响而发生非线性性质的改变。由于半导体材料的原子排列或者半导体材料的元素性质，如扩散硅晶体，使得半导体材料的电阻率或者载流子浓度随着温度的变化而变化，表现为温度特性。霍尔传感器是一种半导体性质的器件，所以容易受到温度的影响，其灵敏度系数、电阻率参数等都会受到温度的影响产生非线性性质的变化。这种变化与材料本身有关，因此温度对霍尔传感器测量的影响是不能忽略的，因此，应该在输入输出电路中选择适当的方法进行温度补偿。

如图2所示，为几种半导体材料的内阻及霍尔电势受温度变化的影响而输出发生变化的情况。可以看出，其温度系数有正温度系数的，也有负温度系数的。正温度系数是内阻随温度的增加而增加，负温度系数是内阻随温度的升高减小。

由图3可知，半导体材料的温度参数以及工作状态对霍尔电势产生显著的影响，进而会影响到传感器的输出，以减少温度的变化对霍尔传感器的输出测量的影响，温度对霍尔传感器测量的影响是不能忽略的，因此，应该在输入输出电路中选择适当的方法进行温度补偿。

3传感器温度霍尔补偿电路

3.1以恒压源形式供电输入端补偿

以恒压源形式供电输入端补偿电路等效电路原理图如图3所示。设霍尔传感器的内阻阻值为r0，温度系数为β，霍尔传感器的灵敏度系数为K0，假设电路所供电源电压为U。在电路中串联一个电阻R0来消除由于温度的变化对霍尔传感器的输出造成的影响，电阻R0的温度系数为δ，电源的内阻为r′，温度系数为ξ。设霍尔传感器输出电势的稳定系数为α。

由霍尔传感器的电压输出公式，初始状态时刻的霍尔电压由公式2-1表示：

(2-1)

霍尔电势受温度变化影响的ΔT关系为，则输出为下公式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)

整理变形后可以得到2-9式：

(2-9)

当忽略此处影响极小的电源内阻时，式(2-9)变为：

(2-10)

(2-11)

式中：α、β、δ都是该系统中补偿前霍尔传感器的本身固有参数，这些参数可视为确定值。如果R0满足了2-11式所计算的参数，此时霍尔传感器就能得到很好地温度补偿。但是，控制电流的霍尔传感器在受到温度影响的同时，还受到局部压力性的作用，因此，可对霍尔传感器的供电使用恒流源供电模式，温度补偿电路可以采用并联补偿的形式。

3.2恒流源形式作为供电输入端的温度补偿

原理图如图4所示。利用恒流源供电，补偿电阻与霍尔传感器并联连接输出。

由霍尔传感器的电压输出公式，初始状态时刻的霍尔电流由2-12式表示：

(2-12)

(2-13)

当温度变化ΔT时，由电路图并联电路可以得到式2-14：

(2-14)

则有：

(2-15)

(2-16)

整理得：

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

(2-17)

在通常测量过程中霍尔传感器受温度变化量影响较大，所以应该避免温度变化剧烈的环境。得到式2-18。

r0δΔT+r0αΔT+R0αΔT-r0βΔT=0

(2-18)

(2-19)

3.3输入输出形式同步补偿方法

高次项对于在一定精度范围内的影响，是相对较小的，因此是可以忽略的。然而，测量误差的高阶项的存在会进一步增强补偿效果，采用输入端、输出端同步联合补偿，即采用输入端、输出端的联合补偿方法。整体示意图如图5所示。

RL和相同的电阻温度系数的补偿电阻器的输入端以并联方式连接，RL可以看作与霍尔传感器串联电路的内部电阻，相当于霍尔传感器的一个电压源。初始端电压输出值如下：

(2-20)

则：

(2-21)

整理后得：

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

(2-22)

为了得到输入、输出端两者之间的补偿电阻关系RL=R0，考虑到高次项影响系统输出精度小，做近似运算得到RL=R0。

4结论

半导体温度特性直接影响到使用霍尔效应传感器时的温度补偿方案。霍尔传感器是一种半导体性质的器件，所以容易受到温度的影响，其灵敏度系数、电阻率参数等都会受到温度的影响产生非线性性质的变化。根据霍尔传感器的输入测量精度和温度特性可以用温度补偿电阻方法来对整个输出做相应补偿。这种补偿方法对内部电阻产生的影响不能控制。恒流源形式补偿电路可以消除影响，对局部压力作用不灵敏。

参考文献：

[1]王旭,付亚平.霍尔传感器测量精度影响因素的研究[J].煤矿机械,2008,02:202-204.

[2]王锋,刘美全,范江玮.霍尔传感器温度补偿方法研究[J].电子测量技术,2014,06:97-99.

[3]刘瀛.霍尔传感器测量误差及其补偿电路的分析研究[J].辽东学院学报(自然科学版),2007,04:193-195.

作者简介：张玲娜(1978-)，女，陕西长安人，讲师，研究方向:传感器技术与自动控制。

中图分类号:TP212

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)10-0022-02