中国科技论文 计源期刊 实验技术与管理Vol.18N.22001 用集成开关型霍尔传感器测量 周期的新型焦利秤的研制 陆申龙1,张 (1.复旦大学物理系,上海20043;2.常熟高等专科学校,常熟215500 摘要:对传统的焦利秤的弹簧伸长测量装置进行了改进,并用先进的集成开关型霍尔传感 器测量弹簧振子的周期,使传统经典实验充实了现代测量技术的新内容 关键词:集成开关型霍尔传感器;焦利秤;劲度系数 中图分类号:IM38.8文献标识码B文章编号:10024956(2001)02-011904 90年代以来集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展,各种性能的集成霍尔传感器层 出不穷,在工业、交通、无线电等领域的自动控制中该传感器得到了广泛的应用。如磁感 应强度测量、微小位移测量、周期和转速的测量,以及液位控制、流量控制、车辆行程计量、 车辆气缸自动点火和自动门窗等。为使原有传统的力学实验增加新科技内容及实验装置 更牢靠,笔者对原焦利秤的拉线杆升降装置进行了改进:改变原拉线升降装置线易断及易 打滑等弊病,采用端点加反射镜的游标卡尺,可直接读出弹簧的伸长量,提高了测量的准 确度。在计时方法上采用了集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期研究简谐振动,并 专门设计一个简单装置,可对该传器的特性参数进行测量,使这新型焦利秤的实验内容更 具综合性。它一方面能使学生从多角度地了解和掌握一些经典的测量手段和操作技能 另一方面,由于加入了用集成霍尔传感器来测量周期的新方法,让学生对这种传感器的特 性及在自动测量和自动控制中的作用有进一步的认识,从而真正领略这一最新传感技术 的风采。一“秤”多用,传统实验与现代化技术相结合是本仪器的重要特点,该仪器已批量 生产,经复旦大学等多所高校大批量学生使用,教师和学生都很有兴趣,教学效果很好。 1.原理 (1)弹簧在外力作用下将产生形变(伸长或缩短)。在弹性限度内,由胡克定律知:外 力F和它的变形量y成正比,即F=A△y (1) 式中,K为弹簧的劲度系数,它取决于弹簧的形状、材料的性质。通过测量F和相应 的△y,就可由(1)式推算出弹簧的劲度系数K。 (2)将质量为M的物体挂在垂直悬挂于固定支架上的弹簧的下端,构成一个弹簧振 收稿日期:2000-10·1 作者简介陆申龙,男1940年出生,教授,教育部理科物理学与天文学指导委员会实验物理组指导组成员 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
收稿日期 :2000 - 10 - 18 作者简介 :陆申龙 ,男 1940 年出生 ,教授 ,教育部理科物理学与天文学指导委员会实验物理组指导组成员 1 用集成开关型霍尔传感器测量 周期的新型焦利秤的研制 陆申龙1 ,张 平2 (11 复旦大学物理系 ,上海 200433 ;21 常熟高等专科学校 ,常熟 215500) 摘 要 :对传统的焦利秤的弹簧伸长测量装置进行了改进 ,并用先进的集成开关型霍尔传感 器测量弹簧振子的周期 ,使传统经典实验充实了现代测量技术的新内容。 关键词 :集成开关型霍尔传感器 ;焦利秤 ;劲度系数 中图分类号 :TM93818 文献标识码 :B 文章编号 :100224956 (2001) 0220119204 90 年代以来 ,集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展 ,各种性能的集成霍尔传感器层 出不穷 ,在工业、交通、无线电等领域的自动控制中该传感器得到了广泛的应用。如磁感 应强度测量、微小位移测量、周期和转速的测量 ,以及液位控制、流量控制、车辆行程计量、 车辆气缸自动点火和自动门窗等。为使原有传统的力学实验增加新科技内容及实验装置 更牢靠 ,笔者对原焦利秤的拉线杆升降装置进行了改进 :改变原拉线升降装置线易断及易 打滑等弊病 ,采用端点加反射镜的游标卡尺 ,可直接读出弹簧的伸长量 ,提高了测量的准 确度。在计时方法上采用了集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期研究简谐振动 ,并 专门设计一个简单装置 ,可对该传器的特性参数进行测量 ,使这新型焦利秤的实验内容更 具综合性。它一方面能使学生从多角度地了解和掌握一些经典的测量手段和操作技能 ; 另一方面 ,由于加入了用集成霍尔传感器来测量周期的新方法 ,让学生对这种传感器的特 性及在自动测量和自动控制中的作用有进一步的认识 ,从而真正领略这一最新传感技术 的风采。一“秤”多用 ,传统实验与现代化技术相结合是本仪器的重要特点 ,该仪器已批量 生产 ,经复旦大学等多所高校大批量学生使用 ,教师和学生都很有兴趣 ,教学效果很好。 11 原理 (1) 弹簧在外力作用下将产生形变(伸长或缩短) 。在弹性限度内 ,由胡克定律知 :外 力 F 和它的变形量Δy 成正比 ,即 F = KΔy (1) 式中 ,K为弹簧的劲度系数 ,它取决于弹簧的形状、材料的性质。通过测量 F 和相应 的Δy ,就可由(1) 式推算出弹簧的劲度系数 K。 (2) 将质量为 M 的物体挂在垂直悬挂于固定支架上的弹簧的下端 ,构成一个弹簧振 911 中国科技论文 统计源期刊 实 验 技 术 与 管 理 Vol. 18 No. 2 2001 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
实验技术与管理 子,若物体在外力作用下(如用手向下拉,或向上托)离开平衡位置少许,然后释放,则物体 就在平衡点附近作简谐振动,其周期为 r=2x、M+pM 式中p是待定系数它的值近似为3,可由实验测得M是弹簧本身的质量而pM称为弹 簧的有效质量。通过测量弹簧振子的振动周期T就可由(2)式计算出弹簧的劲度系数K (3)集成开关型霍尔传感器测量周期 集成开关型霍尔传感器(简称霍尔开关)主要由以下5个部份组成稳压器A,霍尔电 势发生器(霍尔片)B,差分放大器C,施密特触发器D和OC门输出E,如图1所示。图中 (1)(2)(3)表示霍尔开关的三个引出端点 中心 UT 3 图1霍尔开关图 在(1)(2)端输入电压Vc,经稳压器A稳压后加在霍尔片B的两端,由霍尔效应原 理:当霍尔片处于磁场中,且磁场方向垂直于通以电流的方向时,则在与这两者相垂直的 方向上将有霍尔电势差V输出,该信号经C⑩两部份处理后,成为方波输送到OC门输 出。当作用于霍尔片的磁场逐渐变化,而到达某一值B时,触发器D将会输出高电压, 使三极管导通,此时OC门输出低电压,这种状态常称为“开”并把B称为霍尔开关的 “工作点”。而当作用于霍尔片的磁场到达另一值B时触发器D会输出低电压,三极管 截止,使OC门输出高电压,与上述对应,把这种状态称为“关”,而Bn称为霍尔开关的“释 放点”。这样两次电压变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。B和B甲有一恒定的差 值,常将此差值BH=B-B甲称为磁滞 2.实验装置 实验装置如图2所示,其中1是底部带尖针的砝码托盘;2是可装卸的游标卡尺;3为 固定在游标卡尺活动卡上的反射镜4为小磁钢;5是集成霍尔开关,它可以同底板一起安 装到焦利秤上,6是周期测量仪、数字电压表及稳压源组合仪。整个装置采用了可拆装的 分立部件,使仪器更加直观,实验原理更容易理解 3.实验方法及结果 (1)用新型焦利秤测定弹簧劲度系数K 调节实验装置底脚螺丝,使焦利秤立柱垂直,如图2,将弹簧和游标卡尺安装好,挂上 砝码盘(盘中先放l0g砝码),使砝码盘底部尖针靠近卡尺上的平面镜。在砝码盘内加入 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
子 ,若物体在外力作用下(如用手向下拉 ,或向上托) 离开平衡位置少许 ,然后释放 ,则物体 就在平衡点附近作简谐振动 ,其周期为 T = 2π M + p M0 K (2) 式中p 是待定系数 ,它的值近似为1/ 3 ,可由实验测得 ,M0 是弹簧本身的质量 ,而pM0 称为弹 簧的有效质量。通过测量弹簧振子的振动周期 T,就可由(2)式计算出弹簧的劲度系数 K。 (3) 集成开关型霍尔传感器测量周期 集成开关型霍尔传感器(简称霍尔开关) 主要由以下 5 个部份组成 :稳压器 A ,霍尔电 势发生器(霍尔片)B ,差分放大器 C ,施密特触发器 D 和 OC 门输出 E ,如图 1 所示。图中 (1) (2) (3) 表示霍尔开关的三个引出端点。 图 1 霍尔开关图 在(1) (2) 端输入电压 VCC ,经稳压器 A 稳压后加在霍尔片 B 的两端 ,由霍尔效应原 理 :当霍尔片处于磁场中 ,且磁场方向垂直于通以电流的方向时 ,则在与这两者相垂直的 方向上将有霍尔电势差 VH 输出 ,该信号经 C、D 两部份处理后 ,成为方波输送到 OC 门输 出。当作用于霍尔片的磁场逐渐变化 ,而到达某一值 Bop时 ,触发器 D 将会输出高电压 , 使三极管导通 ,此时 OC 门输出低电压 ,这种状态常称为“开”,并把 Bop称为霍尔开关的 “工作点”。而当作用于霍尔片的磁场到达另一值 Brp时 ,触发器 D 会输出低电压 ,三极管 截止 ,使 OC 门输出高电压 ,与上述对应 ,把这种状态称为“关”,而 Brp称为霍尔开关的“释 放点”。这样两次电压变换 ,使霍尔开关完成了一次开关动作。Bop和 Brp有一恒定的差 值 ,常将此差值 BH = Bop - Brp称为磁滞。 21 实验装置 实验装置如图 2 所示 ,其中 1 是底部带尖针的砝码托盘 ;2 是可装卸的游标卡尺 ;3 为 固定在游标卡尺活动卡上的反射镜 ;4 为小磁钢 ;5 是集成霍尔开关 ,它可以同底板一起安 装到焦利秤上 ;6 是周期测量仪、数字电压表及稳压源组合仪。整个装置采用了可拆装的 分立部件 ,使仪器更加直观 ,实验原理更容易理解。 31 实验方法及结果 (1) 用新型焦利秤测定弹簧劲度系数 K 调节实验装置底脚螺丝 ,使焦利秤立柱垂直 ,如图 2 ,将弹簧和游标卡尺安装好 ,挂上 砝码盘(盘中先放 10g 砝码) ,使砝码盘底部尖针靠近卡尺上的平面镜。在砝码盘内加入 021 实 验 技 术 与 管 理 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
用集成开关型霍尔传感器测量周期的新型焦利秤的研制 图2实验装置图 lg砝码,调节游标卡尺上活动卡高度,使小镜上刻线对准尖针,记录砝码值m和卡尺的读 数y。每增加1g(或减少1g)砝码,记录m-y关系数据。实验数据如表1 表1实验数据表 增加砝码ymm 减少砝码y/mm 12.00 26.96 26.80 26.88 13.00 34.28 15.00 49.12 48.96 16.00 17.00 18.00 70.88 71 70.94 77.96 78.04 78 用逐差法处理后,可得盘中每增加5g砝码,弹簧的平均伸长为Ay=36.528m,根据 (1)式可得该弹簧的劲度系数为K=1.33N/m (2)测量弹簧振子的振动周期,求弹簧劲度系数 ①集成开关型霍尔传感器特性的测定将集成霍尔开关的三个接线柱和稳压电源 连接好,如图2。把直径6m、厚3m的圆柱形小磁钢吸在固定支架上,使小磁钢的S极 与集成霍尔开关的感应面紧密相对,调节输入电压为5V,将霍尔开关慢慢向外移动(远离 小磁钢),观察稳压电源示数的变化,记录释放点距离d;同理,使霍尔开关由外逐渐靠近 小磁钢,记录工作点距离d。,实验数据如下 工作点距离d=8.7mm释放点距离dn=10.1mm c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
图 2 实验装置图 1g 砝码 ,调节游标卡尺上活动卡高度 ,使小镜上刻线对准尖针 ,记录砝码值 m 和卡尺的读 数 y。每增加 1g(或减少 1g) 砝码 ,记录 m - y 关系数据。实验数据如表 1 表 1 实验数据表 m/ g 增加砝码 y/ mm 减少砝码 y′/ mm y/ mm 11100 19180 19188 19184 12100 26196 26180 26188 13100 34136 34128 34132 14100 41156 41170 41163 15100 48180 49112 48196 16100 56134 56130 56132 17100 63122 63180 63151 18100 70188 71100 70194 19100 77196 78104 78100 20100 85150 85150 85150 用逐差法处理后 ,可得盘中每增加 5g 砝码 ,弹簧的平均伸长为Δy = 361528mm ,根据 (1) 式可得该弹簧的劲度系数为 K= 11339N/ m。 (2) 测量弹簧振子的振动周期 ,求弹簧劲度系数 ①集成开关型霍尔传感器特性的测定 将集成霍尔开关的三个接线柱和稳压电源 连接好 ,如图 2。把直径 6mm、厚 3mm 的圆柱形小磁钢吸在固定支架上 ,使小磁钢的 S 极 与集成霍尔开关的感应面紧密相对 ,调节输入电压为 5V ,将霍尔开关慢慢向外移动(远离 小磁钢) ,观察稳压电源示数的变化 ,记录释放点距离 drp ;同理 ,使霍尔开关由外逐渐靠近 小磁钢 ,记录工作点距离 dop ,实验数据如下 : 工作点距离 dop = 817mm 释放点距离 drp = 1011mm 用集成开关型霍尔传感器测量周期的新型焦利秤的研制 121 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
用95A型集线性霍尔传感器可测得在工作点距离d处和释放点距离dn处磁感应 强度分别为B甲=17.568mT和Bn=11.73lmT,而磁滞BH=5.837mT。 ②用集成霍尔开关测量弹簧振子周期从新型焦利秤上卸下游标卡尺和砝码盘,在 弹簧下端挂上20g砝码,再装上带有霍尔开关的实验板,将霍尔开关的三个接线柱与电源 和周期测试仪相接,把小磁钢吸于铁质砝码的下端(S极面向下),调节弹簧支架使霍尔开 关感应面对准小磁钢距离在dφ和d之间,如图3所示。轻轻拉动弹簧使其振动,即可 测得振动50次的时间为43.54S,于是弹簧的振动周期为r=0.8708S。当p近似取l3 且用天平称得M6=14.79g,M=20.80g(包括小磁钢等的质量)时。由(2)式计算出弹簧的 劲度系数为K=1.340Nm 两种方法的测量结果在误差范围内相当一致 1.弹簧 3.礅俐 4.开关霍 5.锁紧螺 6.调节螺 图3霍尔开关实验板 4.结束语 学生实验仅仅是一个简单的例子,但本仪器采用的霍尔开关所具有的抗干扰能力强、 体积小、价格低廉等的卓越性能以及在其它自动测量、自动控制方面究竟还有哪些应用却 给同学们留下了巨大的空间(例如一辆高级轿车从自动点火器、计程器、油箱液位自动测 量到自动窗等几乎用了近20个集成霍尔开关),集成霍尔开关实际应用的设想不断出现, 这无疑是有利于激发学生的学习兴趣和创造性思维。所以本仪器的研制和生产将有利于 学生对新型霍尔传感器特性及其应用的了解,使传统经典实验充实现代化技术的新内容 [参考文献] []贾主润等,大学物理实验[M]复旦大学出版社,1987.7.117-20. [2]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[]大学物理实验200,13(2):1-4 [3]陆申龙,焦利风·用集成霍尔传感器研究霍尔效应及测量螺线管磁分布].实验技术与管理 2000.17(2):27-0. c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
用 95A 型集线性霍尔传感器[3 ]可测得在工作点距离 dop处和释放点距离 drp处磁感应 强度分别为 Bop = 171568mT和 Brp = 111731mT ,而磁滞 B H = 51837mT。 ②用集成霍尔开关测量弹簧振子周期 从新型焦利秤上卸下游标卡尺和砝码盘 ,在 弹簧下端挂上 20g 砝码 ,再装上带有霍尔开关的实验板 ,将霍尔开关的三个接线柱与电源 和周期测试仪相接 ,把小磁钢吸于铁质砝码的下端(S 极面向下) ,调节弹簧支架使霍尔开 关感应面对准小磁钢 ,距离在 dop和 drp之间 ,如图 3 所示。轻轻拉动弹簧使其振动 ,即可 测得振动 50 次的时间为 43154S ,于是弹簧的振动周期为 T = 018708S。当 p 近似取 1/ 3 , 且用天平称得 M0 = 14179g , M = 20180g(包括小磁钢等的质量) 时。由(2) 式计算出弹簧的 劲度系数为 K = 11340N/ m。 两种方法的测量结果在误差范围内相当一致。 图 3 霍尔开关实验板 41 结束语 学生实验仅仅是一个简单的例子 ,但本仪器采用的霍尔开关所具有的抗干扰能力强、 体积小、价格低廉等的卓越性能以及在其它自动测量、自动控制方面究竟还有哪些应用却 给同学们留下了巨大的空间(例如一辆高级轿车从自动点火器、计程器、油箱液位自动测 量到自动窗等几乎用了近 20 个集成霍尔开关) ,集成霍尔开关实际应用的设想不断出现 , 这无疑是有利于激发学生的学习兴趣和创造性思维。所以本仪器的研制和生产将有利于 学生对新型霍尔传感器特性及其应用的了解 ,使传统经典实验充实现代化技术的新内容。 [参考文献] [1 ] 贾主润等 1 大学物理实验[M]1 复旦大学出版社 ,1987171117 —1201 [2] 张逸 ,章企 ,陆申龙 1 集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用[J ]1 大学物理实验 ,2000 ,13(2) :1 —41 [3 ] 陆申龙 ,焦利凤 1 用集成霍尔传感器研究霍尔效应及测量螺线管磁分布[J ]1 实验技术与管理 , 2000117 (2) :27 —301 221 实 验 技 术 与 管 理 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
