王魯康 魏嫣然 萬(wàn)諾 程大海 詹衛(wèi)伸
摘 要:將霍爾元件應(yīng)用于微小質(zhì)量測(cè)量,設(shè)計(jì)并制作出高精度的霍爾式電子彈簧秤。利用霍爾元件在均勻梯度磁場(chǎng)中霍爾電壓與微小位移有良好線性關(guān)系的原理,通過(guò)測(cè)得的霍爾元件的靈敏度和輕質(zhì)彈簧的勁度系數(shù),可通過(guò)電壓表示數(shù)換算出待測(cè)物的質(zhì)量,操作簡(jiǎn)單,精度較高。
關(guān)鍵詞:爾元件;微小位移;微小質(zhì)量
實(shí)驗(yàn)室中常需要測(cè)量微小物體的質(zhì)量。當(dāng)待測(cè)物體質(zhì)量微小,數(shù)量級(jí)在10-4g以下時(shí),普通的電子天平(精度10-2g)難以滿足需要。本文基于霍爾效應(yīng)測(cè)量微小位移的原理,利用物理實(shí)驗(yàn)室常見的實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)并制作出一套霍爾式電子彈簧秤?;魻栐恢玫淖兓瘜⒁鸹魻栐啥嘶魻栯妷旱母淖儯译妷号c位置是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,在特定范圍內(nèi),具有良好的線性關(guān)系[ 1 ]。本套裝置操作簡(jiǎn)單,結(jié)果精度較高,實(shí)現(xiàn)了微小質(zhì)量的創(chuàng)新測(cè)量。
1 設(shè)計(jì)原理
1)霍爾元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,在垂直于磁場(chǎng)方向通以電流I,則與這二者平面垂直的方向上產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)差為:
KH為元件的霍爾靈敏度,表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用和單位工作電流控制下,霍爾電極開路時(shí),產(chǎn)生霍爾電勢(shì)的大小。對(duì)于一個(gè)確定的霍爾元件,KH是一個(gè)常數(shù)[ 1 ]。
若保持霍爾元件電流I不變,而使其在一均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)ΔZ的位移量,則輸出的霍爾電勢(shì)差變化量為:
此式說(shuō)明若磁場(chǎng)梯度為常數(shù)時(shí),令K=KH·I·,則K為霍爾位移傳感器靈敏度,于是ΔUH=K·Δz。式中ΔUH與位移Δz成正比,ΔUH可由電壓表測(cè)量。元件輸出的霍爾電勢(shì)只與它在磁場(chǎng)中的位移成正比。據(jù)此,可對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量,并能測(cè)量許多與微位移有關(guān)的物理量[ 2 ]。
若磁鐵間隙中心截面處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,霍爾元件處于該處時(shí),輸出霍爾電勢(shì)差應(yīng)為零。當(dāng)霍爾元件偏離中心沿Z軸發(fā)生位移時(shí),由于磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為零,霍爾元件也就產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差輸出。由此可將霍爾電勢(shì)差為零時(shí)元件所處位置作為位移的參考零點(diǎn)。
2)如圖2,霍爾元件位于杠桿一端,杠桿另一端懸掛有托盤,在其軸心上方豎直懸掛彈簧的牽拉下保持平衡。
若測(cè)出霍爾傳感器靈敏度K與彈簧勁度系數(shù)a,則可求出待測(cè)物質(zhì)量:
2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)
2.1 霍爾元件位移傳感定標(biāo)
1)在杠桿遠(yuǎn)離霍爾元件的一端懸掛砝碼,懸掛砝碼的細(xì)線應(yīng)套在杠桿上的凹槽內(nèi),彈簧下端與杠桿相連。
2)安裝讀數(shù)顯微鏡,調(diào)節(jié)螺旋使目鏡中的標(biāo)準(zhǔn)線與砝碼懸線上的標(biāo)度線對(duì)齊。
3)打開數(shù)字電壓表并調(diào)零,微調(diào)支架高度,記錄讀數(shù)顯微鏡中砝碼懸線上標(biāo)度線的位移z及電壓表示數(shù)U。
擬合霍爾電壓隨位移變化的圖像,發(fā)現(xiàn)霍爾電壓與位移變化具有良好的線性關(guān)系,U=293.28z-878.43,則該霍爾元件靈敏度為:
2.2 實(shí)驗(yàn)操作
1)拆除讀數(shù)顯微鏡,在杠桿一端懸掛托盤。
2)調(diào)節(jié)杠桿水平,調(diào)節(jié)支架使彈簧豎直。打開電壓表并調(diào)零。
3)用鑷子將待測(cè)物體輕輕放在托盤上。
4)將彈簧與杠桿靜止后,記錄數(shù)字電壓表示數(shù)。
5)根據(jù)公式(3)計(jì)算出待測(cè)物質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)所用輕質(zhì)彈簧勁度系數(shù)為:
據(jù)此方法對(duì)小質(zhì)量泡沫碎屑進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量。數(shù)據(jù)見表2。
可見,霍爾彈簧秤能達(dá)到比普通電子天平更高的精度。為進(jìn)一步探究其準(zhǔn)確程度,利用萬(wàn)分之一電子天平對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)量,對(duì)比數(shù)據(jù)如下表。
可見,霍爾彈簧秤的測(cè)量精度與準(zhǔn)確度較高,可用于微小質(zhì)量的測(cè)量。
3 結(jié)論
該裝置利用霍爾位移傳感器,組合實(shí)驗(yàn)室常見的簡(jiǎn)單儀器,可用于微小質(zhì)量測(cè)量。由于霍爾電勢(shì)差與位移量存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,當(dāng)位移量較?。ㄒ话?2mm)時(shí),這種對(duì)應(yīng)關(guān)系具有良好線性,極大提高了小質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)的精度。
參考文獻(xiàn):
[1] 江銘波.霍爾效應(yīng)及霍爾元件在物理量測(cè)量中的應(yīng)用[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011年4月第26卷第2期.
[2] 蔡明,章英,白雪蓮,等.線性霍爾傳感器技術(shù)及其在氣動(dòng)定位控制中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(1):13-15.