传感技术中的Z元件的温度补偿技术
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2020-12-09
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传感技术中的传感技术中的Z元件的温度补偿技术元件的温度补偿技术
摘要：本文详细地介绍了光敏Z-元件、磁敏Z-元件以及力敏Z-元件的温度补偿原理与补偿方法，供用户利用光、
磁、力敏Z-元件进行应用开发时参考。 关键词：Z-元件 敏感元件 温度补偿 光敏 磁敏 力敏 一、前言 半
导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题，Z-元件也不例外。本文
在前述文章的基础上，详细介绍Z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法，供光、磁、力敏Z-元件应用开发参考。
不同品种的Z-元件均能以简单的电路，分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率
信号[1][2][3]，其中后两种为数字信号，可构成三端数字传感器。这种三端数字传感器
摘要：本文详细地介绍了光敏Z-元件、磁敏Z-元件以及力敏Z-元件的温度补偿原理与补偿方法，供用户利用光、磁、力敏Z-元
件进行应用开发时参考。
关键词：Z-元件 敏感元件 温度补偿 光敏 磁敏 力敏
一、前言
半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题，Z-元件也不例外。本文在前述文
章的基础上，详细介绍Z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法，供光、磁、力敏Z-元件应用开发参考。
不同品种的Z-元件均能以简单的电路，分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率信号[1][2][3]，
其中后两种为数字信号，可构成三端数字传感器。这种三端数字传感器不需放大和A/D转换就可与计算机直接通讯，直接用于
多种物理参数的监控、报警、检测和计量，在数字信息时代具有广泛的应用前景，这是Z-元件的技术优势。但由于Z-元件是半
导体敏感元件，对环境温度影响必然也有一定的灵敏度，这将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。因而，在高
精度检测计量中，除在生产工艺上、电路参数设计上应尽可能降低光、磁、力敏Z-元件的温度灵敏度外，还必须研究Z-元件所
特有的温度补偿技术。
Z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿，补偿方法也很多。同一品种的Z-元件，因应用电路组态不同，其补偿原理与
补偿方法也不同，特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态分别叙述如下。
二、模拟量输出的温度补偿
对Z-元件的模拟量输出，温度补偿的目的是克服温度变化的干扰，调整静态工作点，使输出电压稳定。
1．应用电路
Z-元件的模拟量输出有正向(M1区)应用和反向应用两种方式，应用电路如图1所示，其中图1(a)为正向应用，图1(b)为反
向应用，图2为温度补偿原理解析图。
2．温度补偿原理和补偿方法 在图2中，温度补偿时应以标准温度20℃为温度补偿的工作基准，其中令： TS：
标准温度 T：工作温度 QS：标准温度时的静态工作点
Q：工作温度时的静态工作点
QS￠：温度补偿后的静态工作点
VOS：标准温度时的输出电压
VO：工作温度时的输出电压
在标准温度TS时，由电源电压E、负载电阻RL决定的负载线与TS时的M1区伏安特性（或反向特性）相交，确定静态工作
点QS，输出电压为VOS。当环境温度从TS升高到T时，静态工作点QS沿负载线移动到Q，相应使输出电压由VOS增加到
VO，且VO＝VOS＋DVO，产生输出漂移DVO。若采用补偿措施在环境温度T时使工作点由Q移动到QS￠，使输出电压恢复
为VO，则可抑制输出漂移，使DVO＝0，达到全补偿。
(1)利用NTC热敏电阻
基于温度补偿原理，在图1(a)、(b)中，利用NTC热敏电阻Rt取代负载电阻RL，如图3(a)、(b)所示，温度补偿过程解析如
图2所示。
在图3电路中，标准温度TS时负载电阻为Rt，当温度升高到工作温度T时，使其阻值为Rt￠，可使静态工作点由Q推移到
QS￠，由于Rt.<Rt￠，故应选NTC热敏电阻。当温度漂移量DVO已知时，只要确定标准温度时的Rt值及合适的温度系数(即B)
值，使得在工作温度时的阻值为Rt￠，即可达到全补偿。
(2)改变电源电压
基于温度补偿原理，补偿电路如图4(a)、(b)所示，图5为补偿过程解析图，其中负载电阻RL值不变，当温度由TS升到T
时，产生输出漂移DVO，为使DVO=0，可使ES相应增大到ES￠，若电源电压的调整量为DE，且DE= ES￠-ES，要满足
DE=-KDVO的补偿条件，可达到全补偿。其中，K为比例系数，“负号”表示电压的改变方向应与输出漂移方向相反，比例系数
K与负载线斜率有关，可通过计算或实验求取，且：
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