物理实验第20卷第8期 霍尔位置传感器测量固体材料的杨氏模量 游海洋赵在忠陆申龙 (复旦大学物理系上海200433) 用自制霍尔位置传感器与梁弯曲法测杨氏模量装置相结合,研制成固体材料杨氏模量测定仪,简述 该仪器结构、原理和实验方法 关键词霍尔位置传感器微小位移杨氏模量 杨氏模量测定通常采用伸长法和梁弯曲法.当霍尔元件偏离中 测定.这两种方法的关键是测准材料在应力作心A沿z轴发生位 用下的微小位移,一般采用的光杠杆、移测显移△时,由于磁感 微镜或螺旋测微计测量,方法基本、直观和易应强度不再为0,霍 于掌握但不能与计算机联接进行实时检测本尔元件也就产生相应 文采用霍尔位置传感器测量微小位移,并用于的电势输出U,大小 图1 弯曲法测杨氏模量,改变了传统的测量方法 可由数字电压表测量.以下我们以将雀尔电势 为0的位置作为位移参考零点 当霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场 中时,在垂直于磁场的方向通以电流l,则与这 二者相垂直的方向上将产生霍尔电势 u=KIB 式中K称为元件的霍尔灵敏度.如果保持电流 不变,而使霍尔元件在均匀梯度dB/dz的磁 场中移动△时,则输出的霍尔电势变化为 MH=KI+△x 为实现均匀梯度的磁场,可如图1所示,选 用两块相同的磁铁(磁铁截面积及表面磁感应 强度相同)相对而放置(N极与N极相对),两 移测显微镜2.横梁3.刀口4.砝码 磁铁极间留一等距间隙,霍尔元件平行于极面有机玻璃盒(内装磁铁)6磁铁(两块 放在该间隙的中轴上,间隙大小根据测量范围 维调节架8.铜杠杆(杠杆顶端贴有95A型集成 和测量灵敏度确定,间隙越小,磁场梯度越大, 霍尔传感器)9.铜刀口上刻度线 灵敏度越高磁铁截面应远大于霍尔元件尺寸, 霍尔电势U与位移z之间存在一一对应 以尽可能减小边缘效应,提高测量准确度 关系,当位移较小(<2mm)时,具有良好的 若磁铁间隙中心截面A的磁感应强度为线性 0,霍尔元件处于A时,输出的霍尔电势UA为 用横梁弯曲法测杨氏模量E时有 复且大学物理系9级本科生 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
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物理实验第20卷第8期 E=dMg (3)即对霍尔位置传感器进行定标,其数据如表1 所示 其中:d为两刀口间的距离,a为梁的厚度,b 1)用米尺测横梁两刀口间的长度d,用游 为梁的宽度,M为加挂砝码的质量,△为梁中标卡尺测横梁宽度b,用千分尺测横梁厚度a 心在Mg作用下而下降的距离,g为重力加速最后用逐差法进行计算,得出E.其数据如表 度.装置如图2所示(数字电压表未画出) 所示 2实验方法 3实验结果 1)霍尔位置传感器正常工作状态的调节. 1)霍尔位置传感器的定标 先调节仪器的水平和磁铁的水平,调节起始零 把表1中数据U-x关系用 Casio fx-3600 点:将探头接通电源,使其远离磁铁,即远离计算器进行直线拟合可得相关系数r= 磁场.将数字电压表的电压调至U=2.500V0.999,说明在0增加至120g砝码作用下,位 最后调节负载零点:将探头插入磁铁,使探头移量△=(4.696-2.863)mm=1.83m, 棒位于磁场中心(利用磁铁盒下的三维调节架和x之间满足良好的线性关系 进行前后左右上下的调节),直至数字电压表电 2)杨氏模量的测量 压再次出现U=2.500V为止 用米尺测量长度d,游标卡尺测宽度b,千 2)调节移测显微镜,使其聚焦在铜刀口槽分尺测厚度a,测量数据分别为:d=23.00cm, 上的“刻度线” b=2.282cm,a=0.946mm,利用已定标的电压 3)从移测显微镜上确定起始点,然后加砝值,测出黄铜样品在重物作用下的位移,测量 码M,从移测显微镜读出相应梁弯曲位移(下数据见表2. 垂量)x.同时读出数字电压表相应的读数值U 表1霍尔位置传感器特性测量 0.00 20.00 40.00 60.00 z/mn 2.863 3.186 3.498 4.073 4.398 U/V 2.523 2.547 2.570 2.590 2.610 2.630 表2样品在重物作用下位置变化的测量 0,00 20.00 10.00 60.04 8.( 100.00 2.856 3.171 3.469 3.778 4.107 4.39t 4.725 用逐差法对表2数据算出样品在M=果符合要求 60.00g,g=9.794m/s2的作用下产生的位移 Δz=0.933mm,将其值代入式(3),可得 4参考文献 E黄铜=9.92×10N/m2 1林抒,龚镇雄.普通物理实验.北京:人民教育出 对照该黄铜材料特性的标准数据E。= 版社 10.03×10N/m2,百分误差为1.0%,测量结2方佩敏,新编传感器原理、应用、电路详解.北京 果很好 电子工业出版社,199.171~172 在此基础上,作者还测了可锻铸铁的弹性 3〔日〕自动化技术编辑部.传感器应用.北京:中国 计量出版社,1992.230~240 模量E用上述相同的方法,测得E羲=15094郭俊杰等.霍尔元件测螺线管磁场分布实验的改 ×10N/m2.查得该材料的标准数据E0 进.物理实验,2000,20(3):46~48 15.18×10N/m2,百分误差为0.6%,测量结 (2000-01-10收稿,2000-05-08收修改稿) 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
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