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) 摘要用自制蛋尔位置传感器与粱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0.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.以下我们以将霍尔电势 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 UM=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/d的磁 场中移动△x时,则输出的霍尔电势变化为 AH=KIy△ 为实现均匀梯度的磁场,可如图1所示,选 图2 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,猫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 三维调节架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 复旦大学物理系97级本科生 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net物 理 实验 第 卷 第 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 摘 要 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 测定 这 两 种 方法 的关键 是测 准材 料在 应 力作 用下 的微小位 移 , 一般采用 的光杠杆 、 移测 显 微镜或螺旋 测微计测量 , 方法基本 、 直 观和易 于掌握 , 但不能 与计算机联接进行 实时检测 本 文采用霍尔位置传感器测 量微小 位移 , 并用 于 弯曲法 测杨 氏模量 , 改变 了传统 的测量 方法 当霍 尔元件偏 离 中 心 沿 轴 发 生 位 移 改 时 , 由 于 磁 感 应 强 度 不 再 为 。 , 霍 尔元件 也 就产 生 相应 的 电势输 出 , 大小 可 由数字 电压 表 测 量 图 以 下 我们 以 将霍 尔 电势 原 理 为 的位 置作 为位移 参考零 点 当霍 尔元 件 置 于 磁 感 应 强 度 为 的磁 场 中时 , 在垂直 于磁场 的方 向通 以 电流 , 则 与这 二者相垂直 的方 向上将 产生霍尔 电势 之厂, , 式 中 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 的磁 场 中移动 △ 时 , 则输 出的霍 尔 电势变化 为 △ 。 一 , 塑、 纳 一 瓜, 一 为实现均 匀梯 度 的磁场 , 可 如图 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 极 与 极相 对 , 两 磁铁极 间留一等距 间隙 , 霍尔元件平行 于极 面 放在该间隙的中轴 上 间 隙大小 根 据测 量范 围 和测量灵敏度确定 , 间隙越小 , 磁场梯度越 大 , 灵敏度越高 磁铁截 面应远 大 于霍尔元件尺 寸 , 以 尽可 能减小边缘效应 , 提高测 量 准确度 若 磁 铁 间隙 中心 截 面 的 磁 感 应 强 度 为 , 霍尔元件处 于 时 , 输 出的霍 尔 电势 , 为 图 移测 显 微镜 横 梁 刀 口 珐码 有 机玻璃盒 内装磁铁 磁铁 两块 三 维 调 节架 铜杠杆 杠杆顶 端贴 有 型 集成 霍尔传感器 铜 刀 口 上 刻度线 霍 尔 电势 与位 移 之 间存 在 一 一 对 应 关 系 , 当位移较小 时 , 具有 良好 的 线性 用 横 梁 弯 曲法 测 杨 氏模 量 时有 复旦 大学物理 系 级 本科生