第20卷第6期 实验室研究与探索 Vol 20No 6 LABORA TORY RESEARCH AND EXPLORAT ON 仪器设各研制与维修 霍尔传感器法磁阻尼系数和动摩擦系数测定仪的研制 王翠云,陈瓅,陆申龙,孙玉龙2 (1复旦大学物理系,上海200433,2上海大学核力电子设备厂,上海201800) 摘要介绍一种采用新型集成开关型霍尔传感器来精确测量磁性滑块的磁阻尼系数和材料的滑动摩 擦系数的新方法,并介绍该方法制成新仪器的原理及实验结果 关键词集成开关型霍尔传感器匀速运动磁阻尼系数滑动摩擦系数 中图分类号TH117文献标识码B文章编号:1006-7167(2001)06-0078-03 Deve lopm ent of the Ins trum ent for Measurem ent ofMagne tic- dam ped coe ffic ie nt and s lid ing Fric tion Coeffic ient w ith Inte g ra te d Sw itch Ha ll Sensor ANG Cuiyun,CH EN L i, LU Shen-long, SUN Yu-long (1 Dept of Physics, Fudan U niv, Shanghai 200433; 2 Facto ry of Shanghai niv, Shanghai 201800, Ch ina) Abstract The moving velocity of a m agnet ic slide b lock on inclined p lane of unferrom agnetic conducto r is m ea sured by integrated sw itch Hall sen sor A nd a new m ethod for the m easurem ent of m agneto-dam ped coefficient Key words in tegrated sw itch Hall sen sor, moving w ith constant velocity, m agne to-dam ped coefficient; slid ing 磁阻尼是电磁学中的重要概念,在各物理领域都块与斜面接触的截面不变,其线度为。当滑块以匀速 有极其广泛的应用,但直接测定磁阻尼力大小的实验率γ下滑时,可看作斜面相对于滑块向上运动而切割 很少。本文设计了一种实验仪器:用先进的集成开关型磁感应线。由电磁感应定律,在斜面上的切割磁感应线 霍尔传感器(简称霍尔开关)测量磁性滑块在非铁磁质部份将产生动生电动势∈=B/,如果把由于磁感应产 良导体斜面上下滑的速度,经过数据处理,能同时求出生的电流流经斜面部份的等效电阻设为R,则感应电 磁阻尼系数和滑动摩擦系数。该实验仪器直观,使用了流应与速度成正比,即为/=B2,此时斜面所受 先进的集成开关型霍尔传感器来测量时间,采用巧妙 的数据处理方法将非线性方程转换成线性方程是一的安培力F正比于电流1,即Fx1。而滑块受到的磁 个综合性的物理实验。这种实验方法和数据处理技巧 阻尼力FB就是斜面所受安培力F的反作用力,方向 对培养能力是十分有用的。现此测量磁阻尼系数和动与滑块运动方向相反。由此推出:FB应正比于v,可表 摩擦系数的新型仪器已批量生产,并在学生分组实验达为FB=Kv(K为常数,将它称为磁阻尼系数)。因为 中应用,且取得较好的实验效果 滑块运动是匀速的,故它在平行于斜面方向应达到力 平衡,从而有 原理 w sin 0= Kv+ ul cos e (1) 磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上匀速下滑时,(1)式中W是滑块所受重力,θ是斜面与水平面的倾 滑块受到的阻力除滑动摩擦力Fs外,还有磁阻尼力角,H为滑块与斜面间的滑动摩擦系数。若将方程(1) 的两边同时除以 w cos a可得方程 设磁性滑块在斜面处产生的磁感应强度为B;滑 cos 0 A (2) 收稿日期2000-12-19 显然,n日和呈线性关系。作tanv/os图 基金项目:篝政学者“大学生研究基金”项目资助(李政道设立) 求得斜率和截距。从而求得磁摩擦系数κ和滑动摩擦 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
第 20 卷 第 6 期 2001 年 12 月 实 验 室 研 究 与 探 索 LABORA TOR Y R ESEA RCH AND EXPLORA T ION V o l. 20 N o. 6 D ec. 2001 ·仪器设备研制与维修· 霍尔传感器法磁阻尼系数和动摩擦系数测定仪的研制 王翠云1 , 陈 1 , 陆申龙1 , 孙玉龙2 (1. 复旦大学 物理系, 上海 200433; 2. 上海大学 核力电子设备厂, 上海 201800) 摘 要: 介绍一种采用新型集成开关型霍尔传感器来精确测量磁性滑块的磁阻尼系数和材料的滑动摩 擦系数的新方法, 并介绍该方法制成新仪器的原理及实验结果。 关键词: 集成开关型霍尔传感器; 匀速运动; 磁阻尼系数; 滑动摩擦系数 中图分类号: TH 117 文献标识码:B 文章编号: 100627167 (2001) 0620078203 D e ve lopm e nt of the Ins trum e nt fo r M e a surem e nt of M a gne tic2 dam pe d C oe ffic ie nt a nd S lid ing F ric tion C oe ffic ie nt w ith Inte g ra te d Sw itch Ha ll S e nso r W A N G Cu i2y un 1 , CH EN L i1 , L U S hen2long 1 , SUN Y u2long 2 (1. D ep t. of Physics, Fudan U n iv. , Shanghai 200433; 2. Facto ry of ShanghaiU n iv. , Shanghai 201800, Ch ina) Abstract: T he m oving velocity of a m agnetic slide b lock on inclined p lane of unferrom agnetic conducto r is m ea2 su red by in tegrated sw itch H all sen so r. A nd a new m ethod fo r the m easu rem en t of m agneto2dam ped coefficien t of m agnetic slide b lock and sliding friction coefficien t of the u sing m aterial is p resen ted sim u ltaneou sly. Key words: in tegrated sw itch H all sen so r; m oving w ith con stan t velocity; m agneto2dam ped coefficien t; sliding friction coefficien t 收稿日期: 2000212219 基金项目: 政学者“大学生研究基金”项目资助(李政道设立) 磁阻尼是电磁学中的重要概念, 在各物理领域都 有极其广泛的应用, 但直接测定磁阻尼力大小的实验 很少。本文设计了一种实验仪器: 用先进的集成开关型 霍尔传感器(简称霍尔开关) 测量磁性滑块在非铁磁质 良导体斜面上下滑的速度, 经过数据处理, 能同时求出 磁阻尼系数和滑动摩擦系数。该实验仪器直观, 使用了 先进的集成开关型霍尔传感器来测量时间, 采用巧妙 的数据处理方法, 将非线性方程转换成线性方程, 是一 个综合性的物理实验。这种实验方法和数据处理技巧, 对培养能力是十分有用的。现此测量磁阻尼系数和动 摩擦系数的新型仪器已批量生产, 并在学生分组实验 中应用, 且取得较好的实验效果。 1 原理 磁性滑块在非铁磁质良导体斜面上匀速下滑时, 滑块受到的阻力除滑动摩擦力 FS 外, 还有磁阻尼力 FB。 设磁性滑块在斜面处产生的磁感应强度为B ; 滑 块与斜面接触的截面不变, 其线度为 l。当滑块以匀速 率 v 下滑时, 可看作斜面相对于滑块向上运动而切割 磁感应线。由电磁感应定律, 在斜面上的切割磁感应线 部份将产生动生电动势 Ε= B lv , 如果把由于磁感应产 生的电流流经斜面部份的等效电阻设为 R , 则感应电 流 I 应与速度 v 成正比, 即为 I = B lv R , 此时斜面所受 的安培力 F 正比于电流 I, 即 F∝ I。而滑块受到的磁 阻尼力 FB 就是斜面所受安培力 F 的反作用力, 方向 与滑块运动方向相反。由此推出: FB 应正比于 v , 可表 达为 FB = K v (K 为常数, 将它称为磁阻尼系数)。因为 滑块运动是匀速的, 故它在平行于斜面方向应达到力 平衡, 从而有 W sin Η= K v + ΛW co s Η (1) (1) 式中W 是滑块所受重力, Η是斜面与水平面的倾 角, Λ为滑块与斜面间的滑动摩擦系数。若将方程(1) 的两边同时除以W co s Η, 可得方程 tan Η= K W õ v co s Η + Λ (2) 显然, tan Η和 v co s Η 呈线性关系。作 tan Η- vöco s Η图, 求得斜率和截距。从而求得磁摩擦系数 K 和滑动摩擦 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第6期王翠云,等:霍尔传感器法磁阻尼系数和动摩擦系数测定仪的研制 系数μ 表1 K=斜率·W 斜面的倾角 滑块从不同高度处滑下通过 μ=截距 (4) A、B两点的时间T/ 2实验装置 /m 0881006075345903340341033603430337 实验装置如图1。 0902005770326003770378037903780380 0921005450306104270430043304290420 09380051402872047604800482047604 095800479026570575057456805770568 T为计时仪读数,L为滑块在斜面上下滑的长度 H为L所对应的高度。可以看出,在给定θ的范围内 滑块在A、B间的运动在误差范围内一致,因而均可认 M霍 为是匀速的。 32磁阻尼系数与动摩擦系数的测量 计时仪 依次改变斜面倾角,记录数据如表2。 Lm Hm L/s tan e cos e ,/m/s),(cos en 上海大学电力电子设备厂 08810060750338206896082320 09020057700378406397084240 图1实验装置 09210054400427805917086060607870 图1中,1是HTM-1霍尔开关用计时仪(它由50938005140047860548008700543306195 直流电源和电子计时器组成);2是铝质槽形斜面,可0958004790057240500089440454205078 通过夹子M的上下移动来调节斜面与水平面的夹角 测量滑块质量m=57950×10kg 在斜面的反面A、B处各装1个霍尔开关,用计时仪 (图中1)可测量滑块通过A、B的时间3是调节斜面的距离平均值为0260m。用最小二乘法进行数据计 横向倾角的螺钉适当调节3可保证磁性滑块在斜面算,得斜率=0487截距=02723,相关系数r 下滑时不偏离,4为重锤,用它帮助确定L和H的值 999。从而求得磁摩擦系数K和滑动摩擦系数p 5是磁性滑块,它是在圆柱形非磁性材料的一个滑动 K=斜率·W=04487×57950×103×9794 面上粘一薄片磁钢制成的,因而在这一面附近的磁感 =2547×10N·sh 应强度较强。而另一面附近的磁场很弱,以至可以忽略 不计。为了区别将强磁场面涂成兰色,弱磁场面涂成或k=2547×11g/s=截距=02723 黄色。 结束语 将3M型透明隐形胶带分别粘于磁性滑块的两滑 动面上的铝质斜面上,对其动摩擦系数进行研究。 本实验的内容所涉及的知识十分丰富。在理论上 它涉及到力学、电学和磁学等方面的物理概念,而所运 3实验方法及结果 用数据处理方法(将非线性方程转变为线性方程),在 科学研究中很典型。在测时方面,采用了先进的集成霍 31磁阻尼现象的观察与实验条件的获得 调节M,使斜面具有某一倾角,调节螺钉3,保证开关,其重要特点是测时精度高,且抗干扰能力强、 滑块下滑时不往旁边偏离。将滑块蓝面(有磁铁的 体积小、价格低,因此是一种理想的精确计时工具,可 以大规模推广。在选择材料方面,滑块和斜面的接触部 面)朝下,此时不仅存在滑动摩擦力,而且还存在着磁 阻尼力 分,用了M型透明隐形胶带,这种材料较耐磨,且稳 在约20645的范围内能达到滑块能匀速下定性好,因而实验的重复性很好。 滑的实验条件。对于同一θ值,让滑块从不同高度滑 从设计思想来看,本实验是一个设计性、开放性实 验,它对提高学生的能力和素质有一定帮助,因此其所 下,由通过两传感器的时间相同,来说明滑块在A、B 间的运动是匀速的。实验结果如表1。 要求的实验技巧和处理问题的能力等可以引入普物实 验中。笔者的研究成果现已由上海大学核力电子设备 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
系数 Λ K = 斜率õW (3) Λ= 截距 (4) 2 实验装置 实验装置如图 1。 图 1 实验装置 图 1 中, 1 是H TM 21 霍尔开关用计时仪(它由 5V 直流电源和电子计时器组成); 2 是铝质槽形斜面, 可 通过夹子M 的上下移动来调节斜面与水平面的夹角 Η, 在斜面的反面A 、B 处各装 1 个霍尔开关, 用计时仪 (图中 1) 可测量滑块通过A 、B 的时间; 3 是调节斜面 横向倾角的螺钉, 适当调节 3, 可保证磁性滑块在斜面 下滑时不偏离; 4 为重锤, 用它帮助确定L 和 H 的值; 5 是磁性滑块, 它是在圆柱形非磁性材料的一个滑动 面上粘一薄片磁钢制成的, 因而在这一面附近的磁感 应强度较强。而另一面附近的磁场很弱, 以至可以忽略 不计。为了区别, 将强磁场面涂成兰色, 弱磁场面涂成 黄色。 将 3M 型透明隐形胶带分别粘于磁性滑块的两滑 动面上的铝质斜面上, 对其动摩擦系数进行研究。 3 实验方法及结果 3. 1 磁阻尼现象的观察与实验条件的获得 调节M , 使斜面具有某一倾角, 调节螺钉 3, 保证 滑块下滑时不往旁边偏离。将滑块蓝面(有磁铁的一 面) 朝下, 此时不仅存在滑动摩擦力, 而且还存在着磁 阻尼力。 在约 20°< Η< 45°的范围内能达到滑块能匀速下 滑的实验条件。对于同一 Η值, 让滑块从不同高度滑 下, 由通过两传感器的时间相同, 来说明滑块在A、B 间的运动是匀速的。实验结果如表 1。 表 1 斜面的倾角 L öm H öm Ηö° 滑块从不同高度处滑下通过 A、B 两点的时间 T ös C1 C2 C3 C4 C5 0. 8810 0. 6075 34. 59 0. 334 0. 341 0. 336 0. 343 0. 337 0. 9020 0. 5770 32. 60 0. 377 0. 378 0. 379 0. 378 0. 380 0. 9210 0. 5450 30. 61 0. 427 0. 430 0. 433 0. 429 0. 420 0. 9380 0. 5140 28. 72 0. 476 0. 480 0. 482 0. 476 0. 479 0. 9580 0. 4790 26. 57 0. 575 0. 574 0. 568 0. 577 0. 568 T 为计时仪读数,L 为滑块在斜面上下滑的长度, H 为L 所对应的高度。可以看出, 在给定 Η的范围内, 滑块在A 、B 间的运动在误差范围内一致, 因而均可认 为是匀速的。 3. 2 磁阻尼系数与动摩擦系数的测量 依次改变斜面倾角, 记录数据如表 2。 表 2 L öm H öm L ös tan Η co s Η vö(mös) v·(co s Η) - 1 ö(mös) 0. 8810 0. 6075 0. 3382 0. 6896 0. 8232 0. 7687 0. 9338 0. 9020 0. 5770 0. 3784 0. 6397 0. 8424 0. 6871 0. 8156 0. 9210 0. 5440 0. 4278 0. 5917 0. 8606 0. 6078 0. 7063 0. 9380 0. 5140 0. 4786 0. 5480 0. 8770 0. 5433 0. 6195 0. 9580 0. 4790 0. 5724 0. 5000 0. 8944 0. 4542 0. 5078 测量滑块质量m = 5. 7950×10- 3kg。 图 1 中AB 两点间的距离为常数, 实测得AB 间 的距离平均值为 0. 2600m。用最小二乘法进行数据计 算, 得: 斜率= 0. 4487, 截距= 0. 2723, 相关系数 r= 0. 9996。从而求得磁摩擦系数 K 和滑动摩擦系数 Λ: K = 斜率·W = 0. 4487×5. 7950×10- 3×9. 794 = 2. 547×10- 2N ·söm 或 K = 2. 547×10- 2kgös Λ= 截距= 0. 2723 4 结束语 本实验的内容所涉及的知识十分丰富。在理论上, 它涉及到力学、电学和磁学等方面的物理概念, 而所运 用数据处理方法(将非线性方程转变为线性方程) , 在 科学研究中很典型。在测时方面, 采用了先进的集成霍 尔开关, 其重要特点是测时精度高, 且抗干扰能力强、 体积小、价格低, 因此是一种理想的精确计时工具, 可 以大规模推广。在选择材料方面, 滑块和斜面的接触部 分, 用了 3M 型透明隐形胶带, 这种材料较耐磨, 且稳 定性好, 因而实验的重复性很好。 从设计思想来看, 本实验是一个设计性、开放性实 验, 它对提高学生的能力和素质有一定帮助, 因此其所 要求的实验技巧和处理问题的能力等可以引入普物实 验中。笔者的研究成果现已由上海大学核力电子设备 第 6 期 王翠云, 等: 霍尔传感器法磁阻尼系数和动摩擦系数测定仪的研制 97 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
实验室研究与探索 厂设计成产品并批量生产,最后要感谢张平老师的指2]贾玉润等大学物理实验M上海复旦大学出版社198211 导和帮助 参考文献 作者简介:王翠云(1979-),女,复旦大学98级本科生,君政学 [张逸,章企,陆申龙集成开关型霍尔传感器的特性测量和应者(李政道夫人的“大学生研究基金”获赞助者) 用U大学物理实验,200013(2):1-4 陈(1980-),女,复旦大学98级本科生。 (上接第68页) 的盐酸溶液进行蚕豆根尖的解离(见表2)。 染色时间从原来的2~4h缩短这3∽5mn,大大节约 表2两种不同浓度的盐酸溶液解离对实验结果的影响(视野了实验时间,提高了实验效果和效率 中100个细胞的观察结果) 处理间期细胞数分裂细胞数 参考文献 盐酸 0562 ]季道藩遗传学实验M↓北京农业出版社,19923-6 QIN盐酸 0667 [2]孙胜秀对细胞有丝分裂实验的改进意见[J}生物学通报,1996 31(3):12 降低盐酸使用浓度后,可以降低实验成本。 [3]林荣坤植物细胞有丝分裂实验染色改进卩↓生物学通报,19, 23用改良苯酚品红溶液对实验结果的影响 31(2):37 试验结果表明,用改良苯酚品红溶液代替醋酸洋 红溶液进行制片染色时,其染色体部分染色较深,而细第一作者简介郁建强(1967-),男,高级实验师 胞质部分基本不染色,色差很明显,有利于观察。并且 (上接第70页) 可防止电路中存在的潜在危险问题,特别是对一些旧和实验设备,通信中断、服务器停机,将会对学习和生 式房屋,由于当时不可能考虑到会有今天的网络接入活产生极大的影响。因此,我们在校园网中要对电源和 等问题,故而对没有接地措施或接地措施不完善的楼设备的保护进行全面的分析考虑,综合各种可能发生 房在布线方案中要给予彻底改造。有关的技术可参考问题的因素形成一个完善的电源保护方案,这样,才能 国标(一般小于4Ω),这既是机房设计的日常规范,更使整个校园网发挥其的作用,取得最好的效率和性能。 是上述各种电源保护措施的前提,若没有良好的电源 接地和防雷接地,电源保护就只是一句空话 参考文献 []许传朝续写辉煌一UPS电源的新发展[J↓微电脑世界,2000 3结束语 从前面的讨论可以得知,在网络飞速发展,而且日 [2]黎洪松,裘晓峰网络系统集成技术及应用M北京:科学出版 社,1999 益渗透于人们的日常学习、生活的今天,利用网络进行 的远程教育、视频点播、网上招生……,无论哪个环节第一作者简介李雯(1957-),女,副教授,主要从事计算机 都少了不对电源的需求,一旦电源出现故障损坏教学软件开发和网络系统集成的研究 ·征订通知· 202年本刊订阅已从2001年10月开始,尚有部分订户未办理续订手续,请 尽速办理,以免脱期。 欢迎新订户订阅本刊,订单备索。 联系电话:021-62932875联系人:蔡锡泉 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
厂设计成产品并批量生产, 最后要感谢张平老师的指 导和帮助。 参考文献: [ 1 ] 张 逸, 章 企, 陆申龙. 集成开关型霍尔传感器的特性测量和应 用[J ]. 大学物理实验, 2000, 13 (2): 124. [ 2 ] 贾玉润等. 大学物理实验[M ]. 上海: 复旦大学出版社, 1987. 1172 120. 作者简介: 王翠云(1979- ) , 女, 复旦大学 98 级本科生, 政学 者(李政道夫人的“大学生研究基金”获赞助者)。 陈 (1980- ) , 女, 复旦大学 98 级本科生。 (上接第 68 页) 的盐酸溶液进行蚕豆根尖的解离(见表 2)。 表 2 两种不同浓度的盐酸溶液解离对实验结果的影响(视野 中 100 个细胞的观察结果) 处理 间期细胞数 分裂细胞数 分裂指数 1N 盐酸 64 36 0. 562 0. 1N 盐酸 60 40 0. 667 降低盐酸使用浓度后, 可以降低实验成本。 2. 3 用改良苯酚品红溶液对实验结果的影响 试验结果表明, 用改良苯酚品红溶液代替醋酸洋 红溶液进行制片染色时, 其染色体部分染色较深, 而细 胞质部分基本不染色, 色差很明显, 有利于观察。并且 染色时间从原来的 2～ 4 h 缩短这 3～ 5 m in, 大大节约 了实验时间, 提高了实验效果和效率。 参考文献: [ 1 ] 季道藩. 遗传学实验[M ]. 北京: 农业出版社, 1992. 326. [ 2 ] 孙胜秀. 对细胞有丝分裂实验的改进意见[J ]. 生物学通报, 1996, 31 (3): 12. [ 3 ] 林荣坤. 植物细胞有丝分裂实验染色改进[J ]. 生物学通报, 1996, 31 (2): 37. 第一作者简介: 郁建强(1967- ) , 男, 高级实验师. (上接第 70 页) 可防止电路中存在的潜在危险问题, 特别是对一些旧 式房屋, 由于当时不可能考虑到会有今天的网络接入 等问题, 故而对没有接地措施或接地措施不完善的楼 房在布线方案中要给予彻底改造。有关的技术可参考 国标(一般小于 48 ) , 这既是机房设计的日常规范, 更 是上述各种电源保护措施的前提, 若没有良好的电源 接地和防雷接地, 电源保护就只是一句空话。 3 结束语 从前面的讨论可以得知, 在网络飞速发展, 而且日 益渗透于人们的日常学习、生活的今天, 利用网络进行 的远程教育、视频点播、网上招生……, 无论哪个环节 都少了不对电源的需求, 一旦电源出现故障, 损坏教学 和实验设备, 通信中断、服务器停机, 将会对学习和生 活产生极大的影响。因此, 我们在校园网中要对电源和 设备的保护进行全面的分析考虑, 综合各种可能发生 问题的因素形成一个完善的电源保护方案, 这样, 才能 使整个校园网发挥其的作用, 取得最好的效率和性能。 参考文献: [ 1 ] 许传朝. 续写辉煌——U PS 电源的新发展[J ]. 微电脑世界, 2000, (34): 34250. [ 2 ] 黎洪松, 裘晓峰. 网络系统集成技术及应用[M ]. 北京: 科学出版 社, 1999. 第一作者简介: 李 雯(1957- ) , 女, 副教授, 主要从事计算机 软件开发和网络系统集成的研究. ·征订通知· 2002 年本刊订阅已从 2001 年 10 月开始, 尚有部分订户未办理续订手续, 请 尽速办理, 以免脱期。 欢迎新订户订阅本刊, 订单备索。 联系电话: 021262932875 联系人: 蔡锡泉 08 实 验 室 研 究 与 探 索 第 20 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved