基于霍尔位置传感器的梁弯曲法测量杨氏模量实验的改进

吴永　席留留　徐国霞　闫晶晶　张莎莎　周萌萌

摘 要：针对利用霍尔位置传感器的弯曲法测量杨氏模量实验中装置不稳定、不易操作、测量误差大的问题，分析了误差产生的仪器原因和理论原因，通过提高系统的稳定性和运用成像技术进行霍尔位置传感器定标对仪器进行改进，可有效改善实验的操作，并显著提高实验结果的精度。

关键词：杨氏模量;弯曲法;霍尔位置传感器;改进

Abstract：Aiming at the problems of instability，difficulty in operation and large measurement error in the experiment of measuring Young’s modulus by the bending method of Hall position sensor，the instrumental and theoretical reasons for the errors are analyzed.By improving the stability of the system and using imaging technology to calibrate Hall position sensor，the operation of the experiment can be effectively improved，and the experiment can be significantly improved.The accuracy of the results.

Key words：Young modulus Bending method Hall position sensor，mprovement

1 项目的创新性、实用性、研究意义等

1.1 创新性

本文是在学生和教师操作和平时实验过程中对杨氏模量这个实验操作过程的总结和提升，他立足于实际，服务于教学，对提高学生的实验操作水平，实际应用能力具有较为现实的意义。

1.2 研究内容

霍尔位置传感器的梁弯曲法测量杨氏模量实验（如图1）采用弯曲法测量黄铜和铸铁的杨氏模量，此方法的关键是测准材料在应力作用下的微小位移，在测量黄铜的杨氏模量时用读数显微镜测量微小位移，对霍尔位置传感器的特性进行定标。测量铸铁的杨氏模量时，直接利用霍尔位置传感器良好的线性关系测量位置的微小变化。

以杨氏模量实验仪器为研究对象，以实际操作为着力点，研究在操作过程中，仪器的不足之处，根据学生在操作过程中遇到的难点和困难之处，有针对性的提出解决措施和方案，讨论其改进措施，完善其操作流程，提高实验的精度，达到完善本实验的目的。研究的方向和内容包括三个方面：

第一、提高装置的稳定性;

霍尔位置传感器的梁弯曲法测量杨氏模量实验在实验样品的放置，刀口框挂法，小砝码的放置等过程中，往往都会导致实验操作的不稳定性，给实验带来困难，基于此我们希望在各个环节上采用机械固定的方法，加强仪器的稳定性，提高操作的便利性。

从三个方面改进装置的稳定性：一是待测金属板放置的稳定性;二是刀口基线的稳定性;三是砝码放置时的稳定性。

第二、对基线辨识清晰度的提升;

基线清晰度的提升依赖两个方面的改进，一是改进读数显微镜的的调焦能力;二是提高基线在显微条件下的边缘平整度。

从两个方面思考如何提高测量基线辨识的清晰度：一是在读数显微镜调焦手段和方法上改进，提升显微镜的性能，提高分辨率;二是从测量基线本身入手，提高基线边沿在显微视场中的平整性以及用更为醒目的颜色，保证基线的清晰度。

第三、提高装置调节的便利性;

实验装置在显微镜位置调整的结构设计上不便于实验操作，往往导致实验的过程存在一定的困难，调整一些机构上的设计便可以提高仪器操作的便利性。

加强装置调节的便利性从三个方面着眼：一是读数显微镜焦距调节的便利性;二是读数显微镜上下位置调节的便利性;三是设备水平位置调节的便利性。

对实验仪器一些不足之处的改进措施，既要有科学性也要立足于实验，便于操作，是本项目研究的重难点。

2 研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

2.1 研究方法与技术路线

第一、通过螺栓等机械结构的优化设计提高仪器设备的稳定性

螺栓是机械当中极为常见的结构，他构造简单，可靠性强，便于操作。设计流程如下图2所示。

第二、基于齿轮传动装置提高仪器调节的便利性

齿轮传动在机械机构中是一种简单和有效的传动结构，在本项目中将此结构运用于仪器调节当中，设计流程如下图3所示。

第三、以手动光学变焦和激光刻印为基础提高仪器的辨识度和清晰度

在显微镜的总体设计当中运用手动变焦技术，在基线辨识中采取激光刻印的技术，总体设计系统如下图4所示。

2.2 实验方案

计划采取从实际操作中找问题的办法，让学生亲自参与其中，提出仪器设备需要改进的不足之处，再由学生设计解决方案，来完善实验仪器设备，最后通过实验比对法对改进的方案进行整体的评估。确定改进措施是否科学可行。

2.3 可行性分析

第一、专业技术的可行性

设计中用到的机械结构和光学变焦，激光刻印技术都已经很成熟，可以直接引用到作品设计过程，并将其各自功能加以整合和协调。

第二、技术操作的可行性

目前我们在本项目中运用到的技术在实验中多有应用，改进起来方法简单易行比较便于操作，同时各项技术间独立性较强，这样就避免了多项技术协同运行产生冲突的可能性。

3 预期目标及主要技术指标

通过在实践中的总结和探索，优化和改进现有实验设备，提出至少4项具有可行性的改进方案。改进后的杨氏模量的测量实验效果较好，实验精度改善，为学员能力和素养的培养提供了可靠的保证。

（1）实验装置的稳定性显著提高;

（2）基线本身的辨识度和读数显微镜的调焦能力得到明显提升;

（3）装置调节过程中更便于操作;

（4）实验数据精度提高，实验结果误差减小。

基于霍尔位置传感器的梁弯曲法测量杨氏模量是大学物理实验当中的一个重要的力学实验项目，但在实验的教学过程中发现实验的设计和操作还有一些不够完善的地方，结合学习和工作实际，提出一些切实的改进措施，完善此实验，更便于实验操作，提高实验精度。

参考文献

[1]吕斯骅，段家忯.新编基础物理实验[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孙晶华，梁艺军，关春颖，等.操纵物理仪器获取实验方法—物理实验教程[M].北京：国防工业出版社，2009：49.

[3]赵国明，李大磊.霍尔传感器在杨氏模量测量中的应用[J].吉林化工学院学报，2010，27（2）：74-76.

作者簡介：

吴永（1981.6-），男，汉族，安徽新华学院通识教育部讲师，本科，研究方向：物理学。

席留留（1991.04-），女，汉族，安徽新华学院电子通信工程学院学生，专业：电子科学与技术

徐国霞（1996.04-），女，汉族，安徽新华学院电子通信工程学院学生，专业：电子科学与技术

闫晶晶（1996.03-），女，汉族，安徽新华学院电子通信工程学院学生，专业：电子科学与技术

张莎莎（1998.08-），女，汉族，安徽新华学院电子通信工程学院学生，专业：电子科学与技术

周萌萌（1997.05-），女，汉族，安徽新华学院电子通信工程学院学生，专业：电子科学与技术

基金项目：2017年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目名称：基于霍尔位置传感器的梁弯曲法测量杨氏模量实验的改进（编号：201712216033）