用霍爾位置傳感器測楊氏模量

中原工學(xué)院理學(xué)院教案專用紙 第1頁【實(shí)驗(yàn)題目】用霍爾位置傳感器測楊氏模量 P前言 i在彈性線性范圍內(nèi)，固體材料正應(yīng)力同應(yīng)變之比值稱為縱向彈|性模量或楊氏模量它是量度固體材料受力時(shí)變形大小的重要物理|量，它反映了固體材料的剛度，是選定機(jī)械構(gòu)件材質(zhì)的依據(jù)之一|在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，楊氏模量的測定是一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，通常|測量方法有用金屬絲的伸長測定楊氏模量和用梁的彎曲測定楊氏模！I量無論用哪種方法，若要準(zhǔn)確測得楊氏模量，則必須測準(zhǔn)材料在應(yīng)！力作用下產(chǎn)生的微小位移，而微小位移的測量一般采用光杠桿、讀I數(shù)顯微鏡或螺旋測微計(jì)進(jìn)行這些都是基本測量方法，也比較直觀和1易于掌握，但都不能與計(jì)算機(jī)聯(lián)接進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)|展，非電量的電測技術(shù)在計(jì)量檢測和自動控制等方面應(yīng)用越來越廣|泛，地位與作用也越來越重要，為此用霍爾位置傳感器測量微小位|移,并將其應(yīng)用于梁的彎曲法測楊氏模量的實(shí)驗(yàn)中。 |TOC\o"1-5"\h\z【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?I熟習(xí)霍爾位置傳感器的特性，學(xué)會新型傳感器的定標(biāo)，不同長度|值的測量方法。 |用讀數(shù)顯微鏡測量黃銅的楊氏模量，同時(shí)對霍爾位置傳感器定|標(biāo)。 !用霍爾位置傳感器測鑄鐵的楊氏模量。 |【實(shí)驗(yàn)儀器】 |霍爾位置傳感器：它包括，N與N極相對產(chǎn)生的磁場、霍爾位置傳|TOC\o"1-5"\h\z感器輸出信號測量儀一臺（毫伏表）、金屬橫梁與傳感器探頭位于I杠桿的兩端。讀數(shù)顯微鏡一個(gè)。 I【實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)】 i掌握霍爾位置傳感器的定標(biāo)原理，及霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)、各I部件的作用、調(diào)節(jié)方法以及測量方法。 |【實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)】 |讀數(shù)顯微鏡測楊氏模量與霍爾位置傳感器定標(biāo)的關(guān)系。i【實(shí)驗(yàn)原理】 |1、楊氏模量 I人們在研究材料的彈性性質(zhì)時(shí)，提出了應(yīng)力F/S（即力與力所|作用的面積之比）和應(yīng)變^L/L（即長度或尺寸的變化與原來的長度|或尺寸之比）的概念。在胡克定律成立的范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之比i是一個(gè)常數(shù)，即 ！F/S=E(AL/L)e被稱為材料的楊氏模量，它是表征材料性質(zhì)的一個(gè)物理量，！!僅與材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及其加工制造方法有關(guān)。某種材料發(fā)生！一定應(yīng)變所需要的力大，該材料的楊氏模量也就大。楊氏模量的大I小標(biāo)志了材料的剛性。 I2、梁彎曲的楊氏模:TOC\o"1-5"\h\z將厚為。、寬為力的金屬棒放在相距為i的二刀刃上，在棒!上二刀刃的中點(diǎn)處掛上質(zhì)量為M的砝碼，棒被壓彎AZ，設(shè)掛砝碼1處下降，這時(shí)棒材的楊氏模量等于 |F_ 13 ?Mg |E4a3 ?b ?△Z !3、 霍爾位置傳感器原理 |霍爾效應(yīng) i一塊霍爾元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，當(dāng)電流通過霍爾|元件時(shí)，載流子在磁場中受洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn)，從而在側(cè)面形成|電勢差Uh（霍爾電壓）。則以下關(guān)系成立 |UH= K ?I?B |其中，K為霍爾靈敏度。 |傳感器原理 |霍爾位置傳感器是利用了霍爾效應(yīng)，將一個(gè)微小位移量轉(zhuǎn)換成|了一個(gè)電學(xué)量，從而可以通過間接測量得到微小長度變化量。其中」!霍爾電壓的變化△Ur與微小位移AZ滿足關(guān)系 IHTOC\o"1-5"\h\zAU^=K?I-dBAZ |dB \若dZ為常數(shù)時(shí)，AUh與△Z成正比。測aUh與△Z的比值即定|標(biāo)。在均勻梯度的磁場中，霍爾電壓與位移量之間存在——對應(yīng)關(guān)！系，當(dāng)位移量較?。ㄐ∮?mm）,這一對應(yīng)關(guān)系具有良好的線性。|\o"CurrentDocument"4、 實(shí)驗(yàn)裝置 |本儀器是在梁的彎曲法測量裝置基礎(chǔ)上加裝霍爾位置傳感器|

而成。如圖，橫梁架在刀刃上，在梁上有個(gè)金屬框上可以掛砝碼，I在磁鐵裝置與橫梁之間有一個(gè)杠桿支點(diǎn)，杠桿的一端放在橫梁上，I一端是霍爾探頭置于磁場中，霍爾探頭和毫伏表相連。i中原工學(xué)院理學(xué)院教案專用紙【實(shí)驗(yàn)步驟】TOC\o"1-5"\h\z匚:： :其中：1.銅刀口上的基線 2.讀數(shù)顯微鏡 3.刀口4梁|5.銅杠桿（頂端裝有型集成霍爾傳感器）6.磁鐵盒7.磁鐵|（N極相對放置）8.調(diào)節(jié)架9砝碼 |步驟： |?調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)架的上下前后位置的調(diào)節(jié)螺絲，使集 |成霍爾位置傳感器探測元件處于磁鐵只間的位置。 ！!?用水準(zhǔn)器觀察是否在水平位置，若偏離時(shí)可用底座螺絲 ！調(diào)節(jié)到水平位置。 ！?將杠桿放正，讓橫梁上的金屬框豎直 1?調(diào)節(jié)霍爾位置傳感器的毫伏表，磁鐵盒上可上下調(diào)節(jié) |螺絲使磁鐵上下移動，當(dāng)毫伏表讀數(shù)值很小時(shí)，停止|調(diào)節(jié)固定螺絲，最后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使毫伏表讀數(shù)為|零。 |?調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡，使眼睛觀察十字及分劃板刻度線和 |數(shù)字清晰。然后移動讀數(shù)顯微鏡前后距離，使能清晰看I到銅刀上的基線。轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡的鼓輪使刀口架的I基線與讀數(shù)顯微鏡內(nèi)十字刻度線吻合，記下初始讀值。I微小伸長量的測量： ITOC\o"1-5"\h\z逐次增加砝碼（每次增加10g砝碼），相應(yīng)從讀數(shù)顯微鏡］上讀出梁的彎曲位移及數(shù)字電壓表相應(yīng)的讀數(shù)值（單位mv）。|以便于計(jì)算楊氏模量和霍爾位置傳感器進(jìn)行定標(biāo)。 |其他物理量的測量： i?根據(jù)測量精度的要求，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ哌M(jìn)行其|它物理量的測量。 |?測量橫梁兩刀口間的長度及測量不同位置橫梁寬度和橫|梁厚度。1測黃銅樣品的楊氏模量和霍耳位置傳感器的定標(biāo)。M/g010203040506070Z/mmU/mv2用霍爾位置傳感器測鑄鐵的楊氏模量M/g010203040506070U/mm【數(shù)據(jù)處理】a） 用逐差法按公式進(jìn)行計(jì)算,求得黃銅材料的楊氏模量。b） 求出霍爾位置傳感器的靈敏度K。TOC\o"1-5"\h\zK=AU/AZ i-- :Ic）用K=AU/AZi求鑄鐵的位移，與楊氏模量。 |id）把測量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較。 I【注意事項(xiàng)】 I1.用千分尺測量待測樣品厚度必須在不同位置多點(diǎn)測量I取平均值，因黃銅比鋼軟，旋轉(zhuǎn)千分尺時(shí)用力適量，不I宜過猛。 I2.用讀數(shù)顯微鏡測量砝碼的刀口架基線位置時(shí)，刀口架不|能晃動。 j3.霍爾位置傳感器定標(biāo)前，應(yīng)先將霍爾傳感器調(diào)整到零輸|入位置。 |4.加砝碼時(shí)輕拿輕放，盡量減小中