CN112461270A - 一种霍尔传感器温度补偿方法 - Google Patents

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CN112461270A CN202011052207.5A CN202011052207A CN112461270A CN 112461270 A CN112461270 A CN 112461270A CN 202011052207 A CN202011052207 A CN 202011052207A CN 112461270 A CN112461270 A CN 112461270A
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Abstract

本发明的目的在于提供一种霍尔传感器温度补偿方法，可调电压输出的稳压电源的电源电路包括三端可调正输出电压调整器，所述三端可调正输出电压调整器的输出端接串联的电阻R1、R2，所述电源电路输出电压为VDD，所述霍尔传感器的电源接VDD，且输出电压为Vout；采用电源电压随温度变化补偿霍尔传感器的输出灵敏度漂移及零位漂移，通过调整电阻R1、R2的温度系数进行补偿。本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。

Description

一种霍尔传感器温度补偿方法
技术领域
本发明属于霍尔传感器补偿的技术领域，具体涉及一种霍尔传感器温度补偿方法。
背景技术
霍尔传感器(或称霍尔式传感器)是一种利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应制成的元件叫做霍尔元件。在环境温度一定时，在一个N型半导体薄片(霍尔元件)相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电势UH，即
UH＝KH·I·B 式(1)
这一现象叫做霍尔效应，产生的电势UH叫做霍尔电势，KH为灵敏度。
根据霍尔效应的工作原理及KH＝RH/d可知，霍尔系数RH由半导体材料决定，它反映材料的霍尔效应的强弱，d为霍尔元件的厚度。KH表示在单位电流，单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。它与元件的厚度成反比，降低厚度d，可以提高灵敏度，但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。
由于半导体元件对温度都比较敏感，其电阻率、载流子浓度和迁移率等随温度变化，使得霍尔元件的内阻、霍尔电势等参数也随之变化，产生温度误差，因此其输入、输出电阻及霍尔电势都与温度有关。
因此为克服温度对霍尔元件的影响，对霍尔元件进行温度补偿是必要的，常采用的措施有：选用温度系数小的霍尔元件材料，恒压源供电输入端补偿，恒流源供电输入端补偿，利用输出回路负载进行补偿，利用输入回路的串联电阻进行补偿，输入输出同步补偿，利用热敏电阻及电阻式进行补偿等。
将霍尔元件、放大器及输出电路进行集成，组合为霍尔传感器，霍尔传感器在内部经过霍尔元件的温度补偿后，其温度特性得以改善，组合后的霍尔传感器的温度特性得到改善。
在我们的实际应用中，霍尔式接近开关，是采用霍尔传感器做成的接近开关。比如，用CS495A霍尔传感器做成接近开关，CS495A霍尔传感器设置在接近开关的感应前端，靶标就是S磁极或N磁极的磁钢。
CS495A霍尔传感器准确说是一款线性霍尔效应传感器，按照式(1)，霍尔传感器的材料设定了，其灵敏度KH是确定值，当固定控制电流I，那么磁场B就是在一定温度下的唯一变量，其输出电压就与磁场强度呈线性方程的关系。CS495A的输出信号电平决定于施加在器件敏感面的磁场强度，是随磁场强度成比例的变化。当CS495A处于零磁场条件时，其输出电压是电源电压的一半。S磁极出现在CS495A标记面时，输出电压将随磁场强度增加而线性升高；相反，N磁极将使输出电压随磁场强度增加而线性降低。
当靶标即S磁极或N磁极在一定距离范围内作用于接近开关感应前端的CS495A霍尔传感器时，其磁场强度与靶标与到接近开关感应前端的距离为负相关性。
因为霍尔传感器对温度的敏感性，随着环境工作温度的变化，霍尔传感器的零位漂移与灵敏度漂移在整个温度变化范围(全温范围)内都会引起其输出电压的变化，而这个变化，往往使接近开关的整个距离精度超差，不能够满足更高的距离精度指标要求。
不仅是CS495A霍尔传感器，其他霍尔传感器在整个温度范围内均有零位漂移与灵敏度漂移的问题。在实际工程应用中，根据要求需要对温度漂移指标进行控制及优化，在接近开关的全温范围必须控制霍尔传感器输出电压，才能满足接近开关的距离控制精度，本发明的目的即在此。
发明内容
本发明的目的在于提供一种霍尔传感器温度补偿方法，旨在减小霍尔传感器在常温、低温、高温的全温范围内输出的温度漂移，满足霍尔式接近开关在常温、低温、高温下的距离控制精度。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种霍尔传感器温度补偿方法，可调电压输出的稳压电源的电源电路包括三端可调正输出电压调整器，所述三端可调正输出电压调整器的输出端接串联的电阻R1、R2，所述电源电路输出电压为VDD，所述霍尔传感器的电源接VDD，且输出电压为Vout；采用电源电压随温度变化补偿霍尔传感器的输出灵敏度漂移及零位漂移，通过调整电阻R1、R2的温度系数进行补偿。
为了更好地实现本发明，进一步地，根据霍尔传感器的磁电转化曲线Vout＝k·B+b，得到常温下基准值k0、b0，且k0＝VDD/c，b0＝VDD/d；在温度影响下的霍尔传感器的输出电压Vout：
Vout＝VDD/c·(1+x1t)·B+VDD/d·(1+x2t) 式(6)
其中，k是输出电压Vout与磁场强度B的斜率，b、c、d为常数项；x1、x2分别是k、b二者的温度系数，t为温度；
VDD＝VREF(1+R2/R1)+IADJ·R2 式(2)
其中：IADJ为电源电压三端可调正输出电压调整器的第3脚ADJ流出的电流；
在温度影响下的可调电压输出的稳压电源的电源电压VDD的表达式如下：
VDD＝VREF[1+R20(1+x4t)/R10(1+x3t)]+IADJ·R20(1+x4t) 式(9)
其中R10、R20是温度没有变化时R1、R2的基准值，x3、x4分别是R1、R2的温度系数，t为温度；
将公式(9)代入公式(6)，并进行求导，且输出电压Vout对温度t的导数为0，即dVout/dt＝0，使霍尔传感器的输出电压Vout随温度变化最小；同时，x1、x2可通过试验获得，未知变量仅x3、x4，通过dVout/dt＝0及x3、x4的选择，实现温度误差得到补偿。
为了更好地实现本发明，进一步地，在考虑温度影响的情况下，k、b随温度变化的表达式如下：
k＝k0(1+x1t) 式(3)
b＝b0(1+x2t) 式(4)
温度影响下的霍尔传感器的输出电压：
Vout＝k0(1+x1t)·B+b0(1+x2t) 式(5)
进而得到公式(6)。
为了更好地实现本发明，进一步地，在考虑温度影响的情况下，电阻R1、R2的表达式如下：
R1＝R10(1+x3t) 式(7)
R2＝R20(1+x4t) 式(8)
进而得到公式(9)。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述霍尔传感器为线性霍尔效应传感器。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述霍尔传感器的型号为CS495A。
如图1所示，接近开关1为霍尔式接近开关，从形态看是封闭的，其感应前端内置霍尔传感器2，接近开关1外侧感应前端方向为可相对移动的磁钢靶标3，G是磁钢靶标3表面与接近开关前端感应面的距离。
如图2所示，CS495A霍尔传感器的功能方框图，由霍尔元件、放大器及输出电路组成，组合为霍尔传感器。
如图3所示，CS495A霍尔传感器的磁电转化曲线，横坐标是磁场强度B，单位是高斯G，纵坐标是输出电压Vout，单位是伏特V。给定霍尔传感器+5V电源电压，CS495A的输出信号电平决定于施加在器件敏感面的磁场强度，是随磁场强度成比例的变化。当CS495A处于零磁场条件时，其输出电压是电源电压VDD的一半。S磁极出现在CS495A标记面时，输出电压将随磁场强度增加而线性升高；相反，N磁极将使输出电压随磁场强度增加而线性降低。
如图4所示，CS495A霍尔传感器的磁特性，CS495A霍尔传感器的灵敏度典型值3.3mV/G，磁场强度范围±700G，零位漂移及灵敏度漂移见图4。
如图5所示，霍尔式接近开关的电源及信号采集的部分电路图，其中带温度补偿功能的电源电压，其中C1、C2、C3、C4为高低频滤波电容，N1为三端可调正输出电压调整器FW117BZ，输出端如图接串联的电阻R1与电阻R2，构成可调电压输出的稳压电源，其输出电压VDD为：
VDD＝VREF(1+R2/R1)+IADJ·R2 式(2)
其中：VREF＝1.25(V)；
IADJ＝60(uA)，IADJ是从N1第3脚ADJ流出的电流；
N1的输入电压VCC与输出电压VDD的压差VCC-VDD，满足3≤VCC-VDD≤40。
根据芯片N1特性，选择电阻R1、R2的比例关系，可得到需要的输出电压VDD，如图数据VDD计算得到8.783(V)，其中VREF(1+R2/R1)＝1.25(1+3000/510)＝8.603(V)，IADJ·R2＝0.06(mA)·3(KΩ)＝0.180(V)。
输出电压VDD之后是CS495A霍尔传感器的电路，CS495A霍尔传感器的电源接VDD，地为GND，输出电平为Vout。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现减小霍尔传感器在常温、低温、高温的全温范围内输出的温度漂移，使霍尔传感器在其整个输出的量程内，更好地控制其输出的温度漂移。
(2)本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。
附图说明
图1为接近开关与磁钢靶标的工作示意图；
图2为CS495A霍尔传感器的原理框图；
图3为CS495A霍尔传感器的磁电转化曲线；
图4为CS495A霍尔传感器的磁特性参数表；
图5为本发明的电源电路原理图。
其中：1-接近开关，2-内置霍尔传感器，3-磁钢靶标。
具体实施方式
实施例1：
一种霍尔传感器温度补偿方法，如图5所示，可调电压输出的稳压电源的电源电路包括三端可调正输出电压调整器，所述三端可调正输出电压调整器的输出端接串联的电阻R1、R2，所述电源电路输出电压为VDD，所述霍尔传感器的电源接VDD，且输出电压为Vout；采用电源电压随温度变化补偿霍尔传感器的输出灵敏度漂移及零位漂移，通过调整电阻R1、R2的温度系数进行补偿。
如图5所示，带温度补偿功能的电源电压，其中C1、C2、C3、C4为高低频滤波电容，N1为三端可调正输出电压调整器FW117BZ，输出端如图接串联的电阻R1与电阻R2，构成可调电压输出的稳压电源，其输出电压VDD为：
VDD＝VREF(1+R2/R1)+IADJ·R2 式(2)
其中：VREF为参考电压；
IADJ是从N1第3脚ADJ流出的电流。
本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关1用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，根据霍尔传感器的磁电转化曲线Vout＝k·B+b，得到常温下基准值k0、b0，且k0＝VDD/c，b0＝VDD/d；在温度影响下的霍尔传感器的输出电压Vout：
Vout＝VDD/c·(1+x1t)·B+VDD/d·(1+x2t) 式(6)
其中，k是输出电压Vout与磁场强度B的斜率，b、c、d为常数项；x1、x2分别是k、b二者的温度系数，t为温度；
VDD＝VREF(1+R2/R1)+IADJ·R2 式(2)
其中：IADJ为电源电压三端可调正输出电压调整器的第3脚ADJ流出的电流；
在温度影响下的可调电压输出的稳压电源的电源电压VDD的表达式如下：
VDD＝VREF[1+R20(1+x4t)/R10(1+x3t)]+IADJ·R20(1+x4t) 式(9)
其中R10、R20是温度没有变化时R1、R2的基准值，x3、x4分别是R1、R2的温度系数，t为温度；
将公式(9)代入公式(6)，并进行求导，且输出电压Vout对温度t的导数为0，即dVout/dt＝0，使霍尔传感器的输出电压Vout随温度变化最小；同时，x1、x2可通过试验获得，未知变量仅x3、x4，通过dVout/dt＝0及x3、x4的选择，实现温度误差得到补偿。
本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关1用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图3所示，根据霍尔传感器的磁电转化曲线Vout＝k·B+b，得到常温下基准值k0、b0，且k0＝VDD/c，b0＝VDD/d。
在考虑温度影响的情况下，k、b随温度变化的表达式如下：
k＝k0(1+x1t) 式(3)
b＝b0(1+x2t) 式(4)
温度影响下的霍尔传感器的输出电压：
Vout＝k0(1+x1t)·B+b0(1+x2t) 式(5)
进而得到公式(6)：
Vout＝VDD/c·(1+x1t)·B+VDD/d·(1+x2t) 式(6)
其中，k是输出电压Vout与磁场强度B的斜率，b、c、d为常数项；x1、x2分别是k、b二者的温度系数，t为温度；
在考虑温度影响的情况下，电阻R1、R2的表达式如下：
R1＝R10(1+x3t) 式(7)
R2＝R20(1+x4t) 式(8)
进而得到公式(9)：
VDD＝VREF[1+R20(1+x4t)/R10(1+x3t)]+IADJ·R20(1+x4t) 式(9)
其中R10、R20是温度没有变化时R1、R2的基准值，x3、x4分别是R1、R2的温度系数，t为温度；
将公式(9)代入公式(6)，并进行求导，且输出电压Vout对温度t的导数为0，即dVout/dt＝0，使霍尔传感器的输出电压Vout随温度变化最小；同时，x1、x2可通过试验获得，未知变量仅x3、x4，通过dVout/dt＝0及x3、x4的选择，实现温度误差得到补偿。
本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关1用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例是在实施例1-3任一个的基础上进行优化，所述所述霍尔传感器的型号为CS495A，如图1所示，接近开关11为霍尔式接近开关1，从形态看是封闭的，其感应前端内置霍尔传感器22，接近开关1外侧感应前端方向为可相对移动的磁钢靶标3，G是磁钢靶标3表面与接近开关1前端感应面的距离。
如图2所示，CS495A霍尔传感器的功能方框图，由霍尔元件、放大器及输出电路组成，组合为霍尔传感器。
如图3所示，CS495A霍尔传感器的磁电转化曲线，横坐标是磁场强度B，单位是高斯G，纵坐标是输出电压Vout，单位是伏特V。给定霍尔传感器+5V电源电压，CS495A的输出信号电平决定于施加在器件敏感面的磁场强度，是随磁场强度成比例的变化。当CS495A处于零磁场条件时，其输出电压是电源电压VDD的一半。S磁极出现在CS495A标记面时，输出电压将随磁场强度增加而线性升高；相反，N磁极将使输出电压随磁场强度增加而线性降低。
如图4所示，CS495A霍尔传感器的磁特性，CS495A霍尔传感器的灵敏度典型值3.3mV/G，磁场强度范围±700G。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一个相同，故不再赘述。
实施例5：
一种霍尔传感器温度补偿方法，如图5所示，配合三端可调正输出电压调整器FW117BZ构成的电源电路，有目的地选择不同温度系数的电阻R1与电阻R2，当环境温度发生改变，其结果是R2/R1的比值发生改变，相对于基础温度(如室温)的输出电压VDD，此时的输出电压VDD将发生改变，增大或减小，VDD是增大还是减小取决于电阻R1与电阻R2不同的温度系数。
如图3所示，霍尔传感器输出的电压方程为Vout＝k·B+b，其中k是输出电压Vout与磁场强度B的斜率，b为该线性方程的常数项，从图3的具体参数可算出k＝VDD/1600，b＝VDD/2，此时为常温，k、b不随温度变化，称为基准值k0、b0，即k0＝VDD/1600，b0＝VDD/2。
在考虑温度影响的情况下，温度变化使霍尔传感器的输出发生灵敏度漂移与零位漂移，k代表灵敏度，b代表零位，二者随温度变化的表达式如下：
k＝k0(1+x1t) 式(3)
b＝b0(1+x2t) 式(4)
其中：k0、b0是温度没有变化时k、b的基准值，x1、x2分别是二者的温度系数，t为温度。因此，温度影响下的霍尔传感器的输出电压的表达式如下：
Vout＝k0(1+x1t)·B+b0(1+x2t) 式(5)
将k0＝VDD/1600，b0＝VDD/2带入，表达式如下：
Vout＝VDD/1600·(1+x1t)·B+VDD/2·(1+x2t) 式(6)
在考虑温度影响的情况下，可调电压输出的稳压电源，其输出电压VDD中电阻R1、R2的表达式如下：
R1＝R10(1+x3t) 式(7)
R2＝R20(1+x4t) 式(8)
其中：R10、R20是温度没有变化时R1、R2的基准值，x3、x4分别是二者的温度系数，t为温度。因此，温度影响下的可调电压输出的稳压电源的电源电压VDD的表达式如下：
VDD＝VREF[1+R20(1+x4t)/R10(1+x3t)]+IADJ·R20(1+x4t) 式(9)
式(6)是温度影响下的霍尔传感器的输出电压的表达式，式(9)是式(6)中的参数VDD。根据目标要求，本发明的目的是霍尔传感器的温度补偿，采用电源电压随温度变化补偿霍尔传感器的输出灵敏度漂移及零位漂移，式(6)霍尔传感器的输出电压Vout随温度变化最小的极值条件是输出电压Vout对温度t的导数为0，即dVout/dt＝0，同时在式(6)及式(9)中，x1、x2可通过试验获得，未知变量仅x3、x4，通过dVout/dt＝0及x3、x4的选择，可最大程度减小霍尔式接近开关1的输出电压温度漂移，即其温度误差得到补偿。
本发明随温度变化的电源电压补偿霍尔传感器输出的温度漂移。本发明实现接近开关1用霍尔传感器输出的温度补偿，具有全温范围，全输出量程的温度补偿，温度补偿方式简单可靠，所需元器件少，实现方便，成本低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，可调电压输出的稳压电源的电源电路包括三端可调正输出电压调整器，所述三端可调正输出电压调整器的输出端接串联的电阻R1、R2，所述电源电路输出电压为VDD，所述霍尔传感器的电源接VDD，且输出电压为Vout；采用电源电压随温度变化补偿霍尔传感器的输出灵敏度漂移及零位漂移，通过调整电阻R1、R2的温度系数进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，根据霍尔传感器的磁电转化曲线Vout＝k·B+b，得到常温下基准值k0、b0，且k0＝VDD/c，b0＝VDD/d；在温度影响下的霍尔传感器的输出电压Vout：
Vout＝VDD/c·(1+x1t)·B+VDD/d·(1+x2t) 式(6)
其中，k是输出电压Vout与磁场强度B的斜率，b、c、d为常数项；x1、x2分别是k、b二者的温度系数，t为温度；
VDD＝VREF(1+R2/R1)+IADJ·R2 式(2)
其中：IADJ为电源电压三端可调正输出电压调整器的第3脚ADJ流出的电流；
在温度影响下的可调电压输出的稳压电源的电源电压VDD的表达式如下：
VDD＝VREF[1+R20(1+x4t)/R10(1+x3t)]+IADJ·R20(1+x4t) 式(9)
其中R10、R20是温度没有变化时R1、R2的基准值，x3、x4分别是R1、R2的温度系数，t为温度；
将公式(9)代入公式(6)，并进行求导，且输出电压Vout对温度t的导数为0，即dVout/dt＝0，使霍尔传感器的输出电压Vout随温度变化最小；同时，x1、x2可通过试验获得，未知变量仅x3、x4，通过dVout/dt＝0及x3、x4的选择，实现温度误差得到补偿。
3.根据权利要求2所述的一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，在考虑温度影响的情况下，k、b随温度变化的表达式如下：
k＝k0(1+x1t) 式(3)
b＝b0(1+x2t) 式(4)
温度影响下的霍尔传感器的输出电压：
Vout＝k0(1+x1t)·B+b0(1+x2t) 式(5)
进而得到公式(6)。
4.根据权利要求2所述的一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，在考虑温度影响的情况下，电阻R1、R2的表达式如下：
R1＝R10(1+x3t) 式(7)
R2＝R20(1+x4t) 式(8)
进而得到公式(9)。
5.根据权利要求1所述的一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，所述霍尔传感器为线性霍尔效应传感器。
6.根据权利要求1所述的一种霍尔传感器温度补偿方法，其特征在于，所述霍尔传感器的型号为CS495A。
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