霍尔传感器误差原因及补偿

张建宇

（武汉东湖学院 湖北 武汉 430212）

0 引言

在霍尔传感器的具体应用中，零位误差、寄生直流电势误差、感应零位电势误差、自激磁场零位电势误差以及温度误差都十分常见。因此，具体研究与应用中，技术人员一定要对其误差的主要原因进行科学分析，并采取合理的措施来加以补偿。通过这样的方式，才可以有效确保霍尔传感器的应用效果，让霍尔效应原理的应用优势得以充分发挥，这对于霍尔传感器的良好应用以及相关领域的进一步发展都将有着十分积极的促进作用。

1 霍尔传感器概述

霍尔传感器，就是以霍尔效应为依据进行制作的传感器，它是磁场传感器中的一种。因为霍尔效应在半导体性能研究中属于一种基本方法，所以，以此为基础的霍尔传感器也在半导体材料的性能研究中得到了广泛应用。凭借着结构简单、体积小、无触点等的诸多优势，霍尔传感器在当今的很多领域中都备受欢迎。尤其是随着当今科学技术的发展，霍尔传感器的用途也变得越来越广泛，比如在汽车工业中的动力系统、车身控制系统、牵引力控制系统、防抱死制动系统中，霍尔传感器都发挥着良好的控制作用；再比如，在当今的出租车计价器中，霍尔传感器的应用效果也十分突出；另外，霍尔传感器也在变频器中发挥着良好的应用优势[1]。以下是我国目前所应用的几种常见的霍尔传感器型号及其用途。

（1）ATS667LSG型霍尔传感器：其主要应用领域是航空、汽车、电力、石化等，主要用途是用作齿轮传感器。

（2）EW-632型霍尔传感器：其主要应用领域是农用机械、电动车、空调、冰箱等，主要用途是用作位置传感器。

（3）EW-732型霍尔传感器：其主要应用领域是农用机械、电动车、空调、冰箱等，主要用途是用作位置传感器。

（4）HG-106C型霍尔传感器：其主要应用领域是安防、工具等，主要用途是定位。

（5）HG-166A型霍尔传感器：其主要应用领域是安防，主要用途是定位。

2 霍尔效应原理

假设一个形状为N型的半导体薄片，其长度是L，宽度是W，厚度是d。将一个磁场施加到这个半导体薄片的上方，与其平面相垂直，这个磁场的磁感应强度是B，然后将电流I通入L方向。根据该半导体所具有的导电规律，其中的自由电子会朝着电流I的反方向移动，其速度是v，而在自由电子受到了磁场内的洛伦兹力（F）之后，其中的正电荷与负电荷将会分别沿着与磁场、电流相垂直的方向移动到半导体两端，最终会在其两侧汇集，一个稳定的电动势UR便由此形成，这个电动势就叫做霍尔电动势，而这种现象则叫做霍尔效应[2]。

3 霍尔传感器误差主要原因分析

3.1 零位误差

在霍尔传感器的具体应用中，零位误差是一种比较常见的误差形式。此类误差的根本形成原因是不等位电势。之所以会出现这样的情况，其主要的原因包括以下的几个方面：（1）两个霍尔电机并未在同一个等位面上进行安装；（2）因为材料不够均匀而导致的电阻不均匀分布；（3）由于控制电极未能良好接触，导致电流不能均匀分布。这些情况都会让霍尔传感器产生零位误差，进而对其应用效果造成不利影响。

3.2 寄生直流电势误差

就霍尔传感器的具体应用而言，寄生直流电势误差也较为常见。之所以会产生此类误差，其主要的原因包括以下几个方面：（1）控制机和霍尔极之间的元件存在接触不良现象，进而有非欧姆接触形成；（2）两个霍尔电极之间存在大小不等现象，进而导致其热容量差异，散热状态也会由此而不同，这样便会在两极之间产生温差电势，霍尔传感器中的元件也会出现温漂现象，进而出现寄生直流电势误差。如果这样的误差得不到有效消除，霍尔传感器的应用效果必将受到不良影响。

3.3 感应零位电势误差

在霍尔传感器的应用过程中，感应零位电势误差也属于一种典型的误差形式，此类误差与霍尔传感器的应用环境有关。当霍尔传感器应用到脉动磁场或者是交流磁场的情况下，即使不进行控制电流的施加，因霍尔极不能够对称分布，霍尔端也会存在一定大小的输出，这个输出会和磁场自身的脉动频率、两个霍尔电机所组成的面积以及磁感应强度幅值成正比关系，进而产生感应零位电势误差，对霍尔传感器的应用造成一定程度的不良影响。

3.4 自激磁场零位电势误差

在霍尔传感器中，自激磁场零位电势误差也较为常见，而其主要原因则与霍尔传感器的控制电流相关。在将控制电流通入到霍尔传感器的过程中，这个电流将会伴随着相应的磁场产生，这个磁场就叫做自激磁场。而在此过程中，如果电极引线不能对称，霍尔传感器的两边便会出现磁感应强度不一致现象，自激磁场零位电势便会由此而输出，进而引发自激磁场零位电势误差。如果这种误差得不到有效的消除，便会让霍尔传感器的应用效果受到很大程度的不利影响。

3.5 温度误差

对于霍尔传感器而言，在具体的应用过程中，温度误差也是一种常见且典型的误差形式。因霍尔传感器的主要应用原理是霍尔效应，所以霍尔系数将会对其应用效果产生很大程度的影响作用。具体应用中，霍尔系数可按照以下公式来进行计算：

其中，KH代表霍尔系数；ρ代表半导体材料本身所具有的电阻率；μ代表半导体材料中的电阻迁移率[3]。而无论是半导体材料自身的电阻率还是其电阻迁移率，都将在很大程度上受到温度的直接影响，且具有较大的温度系数。因此，在霍尔传感器的具体应用中，如果受到了温度影响，便会产生相应的温度误差，进而对其应用效果造成不良影响。

4 霍尔传感器误差补偿方法

4.1 各种误差同时消除电路的设置

为了让霍尔传感器在具体应用中的误差得以良好补偿，在对其进行应用的过程中，技术人员可通过合理的电路设置来实现各种误差的同时补偿效果。图1为本次研究中所设计的一种检测电路图。

如图1所示，H1霍尔传感器以及H2霍尔传感器属于统一型号且出厂时间一致的两个霍尔传感器。在这两个霍尔传感器的具体工作中，如果被测电路里没有信号输入，因为量传感器具有完全一致的性能，所以其误差也完全相等。因此，我们便可将这个相等的误差叫做共模误差。在共模误差作用下，两个霍尔传感器中所形成的共模电压也完全相等，由此可知，A1以及A2之间具有完全相等的输入。如果将A1中的输出U0控制为零，在被测电路中有输入的情况下，只能够影响到H2霍尔传感器。通过这样的方式，便可在测量不受影响的基础上将霍尔传感器自身的误差降到最小。其中的R1以及R2都属于可调形式的电阻，对这两个电阻的阻止进行合理调整，让被测电路中的信号输入值为零，这样就可以有效消除传感器中的所有误差，让最终的输出始终为零[4-5]。该方法对于上述所有的霍尔传感器误差都可以起到良好的补偿作用，且操作方法十分简单。

4.2 交流共模抑制电路的设置

在通过上述电路设置方法进行霍尔传感器的误差补偿过程中，因为作用在两个霍尔传感器上的共模误差并不会在输入端形成电位差，所以其输出电压将始终为零。由此可见，借助于共模电压的作用，无论外部存在怎样的影响因素，或者是影响因素出现怎样的变化，霍尔传感器的输出都不会受到任何影响，整个电路中都存在着非常高的共模抑制能力。但是在交流共模电压条件下，便会产生完全不同的情况。出现该情况的原因是在信号传输线路以及运算放大输出端这两者之间有寄生电容的存在。图2是交流共模条件下的电压影响示意图。

其中，Ri1和Ri2都属于传输线中的电阻，（C1+C2’）以及（C2+C2’）两个分布电容分别构成各自的两个分压电路。在直流共模电压条件下，因为（C1+C2’）以及（C2+C2’）两个分布电容都处于开路状态，所以分布电容中的分压进入放大电路中的情况也并不存在。但是在交流共模电压条件下，因为（C1+C2’）以及（C2+C2’）两个分布电容则处在交流导通状态。在这种状态下，假设交流信号的频率是ω，j是共模常数，那么A1和A2两个放大器中的交流共模电压输出向量分别用以下两个公式来表示：

因为（C1+C2’）、（C2+C2’）、A1和A2不可能具有完全一致的数值，所以在测量放大器中，Uf1以及Uf2这两个输入端的干扰电压也并不会完全一致。在这样的情况下，测量放大器的输出中便会有共模误差电压存在，且在共模电压频率的提升中，这个电压也会随之增加。

为实现交流共模条件下不良影响的有效克服，便可以图1为基础，将A4运算放大器增设其中，不对传输线中的屏蔽层做接地处理，而是将其改成对应共模电压的电位。通过这样的方式，便可消除传输线和屏蔽层这两者之间的瞬间电位差，让上述问题得以有效解决。而在对保护电位进行设置的过程中，可将从A1运算放大器到A2运算放大器的输出端作为中点，这个电位刚好与交流共模电压Uc相等。通过这样的方式，便可让交流共模电压对于霍尔传感器所产生的干扰得以有效抑制，进而达到良好的误差补偿效果，且这种电路在任何的传感器电路中都十分适用。

4.3 零位误差补偿电路的设置

在霍尔传感器的具体应用中，除了以上的通用误差补偿方法之外，也可以通过零位误差补偿电路的合理设置来进行其单纯的零位误差补偿。通过以往的试验与研究发现，在霍尔传感器中，其不等位电动势及其不等位电阻具有一致性。因此，针对霍尔传感器的零位误差，在对其进行补偿的过程中，我们可以将霍尔传感器等效成一个电桥，然后通过电阻调整的方式来达到补偿效果。图3是某霍尔传感器的元件结构示意图（a）及其等效电路示意图（b）。

在霍尔传感器元件结构图中，A和B所代表的是控制电路，C和D所代表的是霍尔电极，R1、R2、R3以及R4所代表的是分布在霍尔电极之间的电阻。当霍尔传感器处于理想状态下时，R1、R2、R3以及R4这4个电阻的阻值相等，此时，霍尔传感器所获得到的零位电动势是零，也就是零位电阻是零，这样便可将其中的不等位电动势消除。因此，就实际而言，如果霍尔传感器中有零位电动势存在，就表明这4个电阻的阻值并不能做到完全相等，也就是会出现电桥不平衡情况。

为了让霍尔传感器达到良好的电桥平衡效果，在对零位补偿电路进行设计的过程中，可以将一个可调形式的电阻Rp并联到具有较大阻值的桥臂上，或者是将电阻Rp和另一个电阻R同时并联在两个桥臂上。就理论而言，此类调整方案共有3种：（1）将一个可调节形式的电阻悬Rp挂在单桥臂上；（2）分别将可调节形式的电阻Rp以及电阻R悬挂在双桥臂上；（3）将一个可调节形式的电阻Rp悬挂在双桥臂上。

而经过多次的试验和研究发现，相比较前两种调整方案而言，将第3种方案中的电路用作霍尔传感器具体应用中的零位补偿电路，不仅可使其电路结构更加简单，操作起来更加便捷，且能够让霍尔传感器具有非常高的测量精度。因此，第3种补偿电路可用作霍尔传感器零位误差补偿中的首选电路。

4.4 温度误差补偿措施的合理应用

在霍尔传感器的具体应用中，针对其温度误差，也可通过以下的几项措施来进行补偿。

（1）可将具有较小温度系数的半导体用作传感器材料，比如InAs半导体。

（2）可将恒流源供电的方式加以合理应用，并将其输入回路与电阻并联，以此来达到良好的温度误差补偿效果。具体补偿中，其补偿电阻可按照以下公式来进行计算：

其中，R0所代表的是补偿电阻；Ri所代表的是霍尔传感器中的输入电阻；α所代表的是霍尔传感器输入电阻所具有的温度系数；β所代表的是补偿温度系数；δ所代表的是霍尔传感器灵敏度所具有的温度系数。

（3）可将更具合理性的负载电阻应用其中。

（4）可将恒压源供电方式加以合理应用，并使其输入回路与电阻串联，以此来达到良好的温度误差补偿效果。

（5）可将相应的温度补偿元件加以合理应用，比如电压源和电流源等，具体应用中，可根据实际情况将其串联或者是并联到霍尔传感器的电阻上，这样便可起到有效的温度误差补偿作用。

5 结语

综上所述，在霍尔传感器的具体应用过程中，很多的影响因素都会导致其误差产生。基于此，技术人员一定要针对各种因素加以科学分析，并通过科学合理的方式来进行误差补偿，这样才可以有效确保霍尔传感器的测量精度，满足其实际应用需求，这对于霍尔传感器的良好应用以及相关行业的进一步发展都将起到积极的促进作用。