霍尔位置传感器法测杨氏模量实验装置的改进

叶 庆

(武汉纺织大学，湖北 武汉 430074)



霍尔位置传感器法测杨氏模量实验装置的改进

叶 庆

(武汉纺织大学，湖北 武汉 430074)

利用力敏传感器原理解决了霍尔位置传感器测杨氏模量在增加砝码时人为造成刻线晃动的问题。同时，在望远镜下设置导轨，大大增加刻线清晰度的调节。

力敏传感器；霍尔位置传感器；望远镜

1 实验原理

1.霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流I，则与这二者平面垂直的方向上产生霍尔电势差：

UH=K·I·B

(1)

上式中K为元件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流I不变，而使其在一均匀梯度的磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为：

(2)

为实现均匀梯度的磁场，可以用如图1所示两块相同的磁铁(磁铁截面积及表面磁感应强度相同)相对放置，即N极与N极相对，两磁铁之间留一等间距间隙，霍耳元件平行于磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范围和测量灵敏度要求而定，间隙越小，磁场梯度就越大，灵敏度就越高。磁铁截面要远大于霍耳元件，以尽可能的减小边缘效应影响，提高测量精确度。

E称为杨氏模量，其数值与材料性质有关。

图1 实验装置示意图

在横梁受力弯曲的情况下，杨氏模量E的测量表达式为：

(3)

其中，d为两刀口之间的距离；M为所加砝码的质量；a为梁的厚度；b为梁的宽度；ΔZ为梁中心由于外力作用而下降的距离；g为重力加速度。

2 实验仪器简介和改进

实验仪器如图2，图3所示。图3为改进后的测量装置。主要改进有两个方面：1.在力调节上，由原来加相同质量的砝码片改成利用力敏传感器。改进后，不仅力的显示更直观，而且避免了由人为加砝码引起微小晃动而导致基线位置改变引入误差。2.改进了读数显微镜的调节。先前的调节比较粗略，很难细微的调节刻线的清晰度。改进后，利用了齿轮滑道，在调节上较精细，也更清晰了。

图2 实验仪器结构图

图3 实验仪器示意图

3 实验方法

1.调节霍尔位置传感器探测元件处于磁铁中间位置。

2.利用水平仪调节仪器达到水平位置。

3.调节磁铁上下位移，使测量霍尔电压的毫伏表数值接近0，然后细条调零电位器使其读数为0.

4.调节显微镜，使观察时的分划板刻线和数字清晰。然后上下、前后移动显微镜，使能清晰看到铜刀上的刻线。

5.逐次增加质量Mi，相应从读数显微镜上读出刻线的位置Zi及电压表相应的数值Ui。

6.测量横梁两刀口间的长度d，横梁宽度b及横梁厚度a。

4 实验测量数据及误差分析

1.用图2的实验仪器对霍尔位置传感器进行定标

用表1中的数据将U-z进行直线拟合，结果如图4所示。在砝码由10g增加至100g作用下，位移量ΔZ=(4.792-3.940)mm=0.852 mm<2 mm，同时，图4为增加砝码时，霍尔电压与横梁中心位置的关系图，满足线性关系。

表1 横梁中心位置及霍尔电压随拉力变化的数据记录表格

图4 霍尔电压与横梁中心位置的关系图

同理，用图3改装过的实验仪器测得数据如表2所示：

表2 横梁中心位置及霍尔电压随拉力变化的数据记录表格

在砝码由20 g增加至155 g作用下，位移量ΔZ=(3.533-2.716)mm=0.817 mm<2 mm，同时，图5为增加砝码时，霍尔电压与横梁中心位置的关系图，满足线性关系较好。

2 杨氏模量的测量

图5 霍尔电压与横梁中心内位置的关系图

5 结 论

由以上测量的数据可知：1.图2装置测得的在改变相同重量的情况下，ΔZi的变化忽大忽小，从图4也可看出霍尔电压的改变量与横梁中心位置的改变量所成的线性关系不如改进后的实验装置测出的数据(如图5)。2.改进后的装置测得数据得出的杨氏模量更接近理论值。

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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