葉 慶

(武漢紡織大學(xué)，湖北 武漢 430074)

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霍爾位置傳感器法測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

葉 慶

(武漢紡織大學(xué)，湖北 武漢 430074)

利用力敏傳感器原理解決了霍爾位置傳感器測(cè)楊氏模量在增加砝碼時(shí)人為造成刻線晃動(dòng)的問題。同時(shí)，在望遠(yuǎn)鏡下設(shè)置導(dǎo)軌，大大增加刻線清晰度的調(diào)節(jié)。

力敏傳感器；霍爾位置傳感器；望遠(yuǎn)鏡

1 實(shí)驗(yàn)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)生霍爾電勢(shì)差：

UH=K·I·B

(1)

上式中K為元件的霍爾靈敏度。如果保持霍爾元件的電流I不變，而使其在一均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，則輸出的霍爾電勢(shì)差變化量為：

(2)

為實(shí)現(xiàn)均勻梯度的磁場(chǎng)，可以用如圖1所示兩塊相同的磁鐵(磁鐵截面積及表面磁感應(yīng)強(qiáng)度相同)相對(duì)放置，即N極與N極相對(duì)，兩磁鐵之間留一等間距間隙，霍耳元件平行于磁鐵放在該間隙的中軸上。間隙大小要根據(jù)測(cè)量范圍和測(cè)量靈敏度要求而定，間隙越小，磁場(chǎng)梯度就越大，靈敏度就越高。磁鐵截面要遠(yuǎn)大于霍耳元件，以盡可能的減小邊緣效應(yīng)影響，提高測(cè)量精確度。

E稱為楊氏模量，其數(shù)值與材料性質(zhì)有關(guān)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在橫梁受力彎曲的情況下，楊氏模量E的測(cè)量表達(dá)式為：

(3)

其中，d為兩刀口之間的距離；M為所加砝碼的質(zhì)量；a為梁的厚度；b為梁的寬度；ΔZ為梁中心由于外力作用而下降的距離；g為重力加速度。

2 實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介和改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)儀器如圖2，圖3所示。圖3為改進(jìn)后的測(cè)量裝置。主要改進(jìn)有兩個(gè)方面：1.在力調(diào)節(jié)上，由原來加相同質(zhì)量的砝碼片改成利用力敏傳感器。改進(jìn)后，不僅力的顯示更直觀，而且避免了由人為加砝碼引起微小晃動(dòng)而導(dǎo)致基線位置改變引入誤差。2.改進(jìn)了讀數(shù)顯微鏡的調(diào)節(jié)。先前的調(diào)節(jié)比較粗略，很難細(xì)微的調(diào)節(jié)刻線的清晰度。改進(jìn)后，利用了齒輪滑道，在調(diào)節(jié)上較精細(xì)，也更清晰了。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)圖

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器示意圖

3 實(shí)驗(yàn)方法

1.調(diào)節(jié)霍爾位置傳感器探測(cè)元件處于磁鐵中間位置。

2.利用水平儀調(diào)節(jié)儀器達(dá)到水平位置。

3.調(diào)節(jié)磁鐵上下位移，使測(cè)量霍爾電壓的毫伏表數(shù)值接近0，然后細(xì)條調(diào)零電位器使其讀數(shù)為0.

4.調(diào)節(jié)顯微鏡，使觀察時(shí)的分劃板刻線和數(shù)字清晰。然后上下、前后移動(dòng)顯微鏡，使能清晰看到銅刀上的刻線。

5.逐次增加質(zhì)量Mi，相應(yīng)從讀數(shù)顯微鏡上讀出刻線的位置Zi及電壓表相應(yīng)的數(shù)值Ui。

6.測(cè)量橫梁兩刀口間的長(zhǎng)度d，橫梁寬度b及橫梁厚度a。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差分析

1.用圖2的實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)霍爾位置傳感器進(jìn)行定標(biāo)

用表1中的數(shù)據(jù)將U-z進(jìn)行直線擬合，結(jié)果如圖4所示。在砝碼由10g增加至100g作用下，位移量ΔZ=(4.792-3.940)mm=0.852 mm<2 mm，同時(shí)，圖4為增加砝碼時(shí)，霍爾電壓與橫梁中心位置的關(guān)系圖，滿足線性關(guān)系。

表1 橫梁中心位置及霍爾電壓隨拉力變化的數(shù)據(jù)記錄表格

圖4 霍爾電壓與橫梁中心位置的關(guān)系圖

同理，用圖3改裝過的實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 橫梁中心位置及霍爾電壓隨拉力變化的數(shù)據(jù)記錄表格

在砝碼由20 g增加至155 g作用下，位移量ΔZ=(3.533-2.716)mm=0.817 mm<2 mm，同時(shí)，圖5為增加砝碼時(shí)，霍爾電壓與橫梁中心位置的關(guān)系圖，滿足線性關(guān)系較好。

2 楊氏模量的測(cè)量

圖5 霍爾電壓與橫梁中心內(nèi)位置的關(guān)系圖

5 結(jié) 論

由以上測(cè)量的數(shù)據(jù)可知：1.圖2裝置測(cè)得的在改變相同重量的情況下，ΔZi的變化忽大忽小，從圖4也可看出霍爾電壓的改變量與橫梁中心位置的改變量所成的線性關(guān)系不如改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)出的數(shù)據(jù)(如圖5)。2.改進(jìn)后的裝置測(cè)得數(shù)據(jù)得出的楊氏模量更接近理論值。

[1] 張勇，徐杰，郭霞，等.利用霍耳位置傳感器測(cè)楊氏模量[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2010，23(3):39-41.

[2] 游海洋，趙在忠，陸申龍.霍爾位置傳感器測(cè)量固體材料的楊氏模量[J].物理實(shí)驗(yàn)，2000，20(8):47-48.

[3] 黃軍，代偉，羅微，等.用傳感器探究影響向心力大小因素的實(shí)驗(yàn)裝置研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(2)：31-34.

[4] 戰(zhàn)麗波.拉伸法測(cè)金屬楊氏模量實(shí)驗(yàn)智能化設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29(1)：5-6.

The Improvement of the Experiment of Young’s Modulus by Hall Position Sensor

YE Qing

(Wuhan Textile University,Hubei Wuhan 430074)

Using pressure sensor principle in the experiment of Young’s modulus by Hall position sensor,we solve the problems of movement by human adding weight.And also greatly improve adjustment of marker definition by setting the motion guide under telescope.

pressure sensor；hall position sensor；telescope

2016-03-23

1007-2934(2016)05-0074-03

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.019