用霍尔位置传感器测杨氏模量.doc

中 原 工 学 院 理 学 院 教 案 专 用 纸 第 1 页【实验题目】用霍尔位置传感器测杨氏模量前言 在弹性线性范围内, 固体材料正应力同应变之比值称为纵向弹性模量或杨氏模量它是量度固体材料受力时变形大小的重要物理量, 它反映了固体材料的刚度, 是选定机械构件材质的依据之一 在大学物理实验中, 杨氏模量的测定是一个基本实验, 通常测量方法有用金属丝的伸长测定杨氏模量和用梁的弯曲测定杨氏模量无论用哪种方法, 若要准确测得杨氏模量, 则必须测准材料在应力作用下产生的微小位移，而微小位移的测量一般采用光杠杆、读数显微镜或螺旋测微计进行这些都是基本测量方法, 也比较直观和易于掌握, 但都不能与计算机联接进行实时检测随着科学技术的发展, 非电量的电测技术在计量检测和自动控制等方面应用越来越广泛, 地位与作用也越来越重要，为此用霍尔位置传感器测量微小位移,并将其应用于梁的弯曲法测杨氏模量的实验中。【实验目的】1. 熟习霍尔位置传感器的特性，学会新型传感器的定标，不同长度值的测量方法。2. 用读数显微镜测量黄铜的杨氏模量，同时对霍尔位置传感器定标。3. 用霍尔位置传感器测铸铁的杨氏模量。【实验仪器】霍尔位置传感器：它包括，N与N极相对产生的磁场、霍尔位置传感器输出信号测量仪一台（毫伏表）、金属横梁与传感器探头位于杠杆的两端。读数显微镜一个。【实验重点】掌握霍尔位置传感器的定标原理，及霍尔位置传感器结构、各部件的作用、调节方法以及测量方法。【实验难点】 读数显微镜测杨氏模量与霍尔位置传感器定标的关系。【实验原理】1、杨氏模量人们在研究材料的弹性性质时，提出了应力F/S（即力与力所作用的面积之比）和应变L/L（即长度或尺寸的变化与原来的长度或尺寸之比）的概念。在胡克定律成立的范围内，应力和应变之比是一个常数，即 E被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关。某种材料发生一定应变所需要的力大，该材料的杨氏模量也就大。杨氏模量的大小标志了材料的刚性。2、梁弯曲的杨氏模量 将厚为、宽为的金属棒放在相距为l的二刀刃上，在棒上二刀刃的中点处挂上质量为M的砝码，棒被压弯，设挂砝码处下降，这时棒材的杨氏模量等于 3、霍尔位置传感器原理 霍尔效应一块霍尔元件置于磁感应强度为的磁场中，当电流通过霍尔元件时，载流子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，从而在侧面形成电势差 （霍尔电压）。则以下关系成立 其中，为霍尔灵敏度。 传感器原理霍尔位置传感器是利用了霍尔效应，将一个微小位移量转换成了一个电学量，从而可以通过间接测量得到微小长度变化量。其中，霍尔电压的变化与微小位移满足关系 若为常数时，与成正比。测与的比值即定标。在均匀梯度的磁场中，霍尔电压与位移量之间存在一一对应关系, 当位移量较小（小于2mm）, 这一对应关系具有良好的线性。4、实验装置 本仪器是在梁的弯曲法测量装置基础上加装霍尔位置传感器而成。如图，横梁架在刀刃上，在梁上有个金属框上可以挂砝码，在磁铁装置与横梁之间有一个杠杆支点，杠杆的一端放在横梁上，一端是霍尔探头置于磁场中，霍尔探头和毫伏表相连。, 中 原 工 学 院 理 学 院 教 案 专 用 纸 第 2 页【实验步骤】其中：1.铜刀口上的基线 2.读数显微镜 3.刀口 4 梁 5.铜杠杆（顶端装有型集成霍尔传感器） 6.磁铁盒 7.磁铁（N极相对放置） 8.调节架 9砝码 步骤：u 调节三维调节架的上下前后位置的调节螺丝，使集 成霍尔位 置传感器探测元件处于磁铁只间的位置。u 用水准器观察是否在水平位置,若偏离时可用底座螺丝 调节到水平位置。将杠杆放正，让横梁上的金属框竖直u 调节霍尔位置传感器的毫伏表，磁铁盒上可上下调节 螺丝使磁铁上下移动，当毫伏表读数值很小时，停止 调节固定螺丝，最后调节调零电位器使毫伏表读数为 零。u 调节读数显微镜，使眼睛观察十字及分划板刻度线和 数字清晰。然后移动读数显微镜前后距离,使能清晰看 到铜刀上的基线。转动读数显微镜的鼓轮使刀口架的 基线与读数显微镜内十字刻度线吻合,记下初始读值。微小伸长量的测量：逐次增加砝码（每次增加10g砝码），相应从读数显微镜上读出梁的弯曲位移及数字电压表相应的读数值（单位mv）。以便于计算杨氏模量和霍尔位置传感器进行定标。其他物理量的测量：u 根据测量精度的要求，应选择适当的工具进行其 它物理量的测量。u 测量横梁两刀口间的长度及测量不同位置横梁宽度和横梁厚度。1 测黄铜样品的杨氏模量和霍耳位置传感器的定标。M/g010203040506070Z/mmU/mv2用霍尔位置传感器测铸铁的杨氏模量M/g010203040506070U/mm【数据处理】a）用逐差法按公式进行计算,求得黄铜材料的杨氏模量。 b) 求出霍尔位置传感器的灵敏度K。 c）用求铸铁的位移 ，与杨氏模量。 d）把测量结果与公认值进行比较。【注意事项】 1.用千分尺测量待测样品厚度必须在不同位置多点测量取平均值，因黄铜比钢软，旋转千分尺时用力适量，不宜过猛。 2.用读数显微镜测量砝码的刀口架基线位置时，刀口架不能晃动。 3.霍尔位置传感器定标前，应先将霍尔传感器调整到零输入位置。 4.加砝码时轻拿轻放，尽量减小中间的砝