用霍尔位置传感器测杨氏模量

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 P前言 i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！I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I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1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。 |TOC\o"1-5"\h\z【实验目的】 I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。 |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。 !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|TOC\o"1-5"\h\z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I杠杆的两端。读数显微镜一个。 I【实验重点】 i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I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。i【实验原理】 |1、杨氏模量 I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i是一个常数，即 ！F/S=E(AL/L)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I小标志了材料的刚性。 I2、梁弯曲的杨氏模:TOC\o"1-5"\h\z将厚为。、宽为力的金属棒放在相距为i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AZ，设挂砝码1处下降，这时棒材的杨氏模量等于 |F_ 13 ・Mg |E4a3 ・b •△Z !3、 霍尔位置传感器原理 |霍尔效应 i一块霍尔元件置于磁感应强度为B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Uh（霍尔电压）。则以下关系成立 |UH= K •I•B |其中，K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△Ur与微小位移AZ满足关系 IHTOC\o"1-5"\h\zAU^=K•I-dBAZ |dB \若dZ为常数时，AUh与△Z成正比。测aUh与△Z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——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。|\o"CurrentDocument"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，I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，I一端是霍尔探头置于磁场中，霍尔探头和毫伏表相连。i中原工学院理学院教案专用纸【实验步骤】TOC\o"1-5"\h\z匚:： :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： |♦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。 ！!♦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 1♦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。 |♦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I到铜刀上的基线。转动读数显微镜的鼓轮使刀口架的I基线与读数显微镜内十字刻度线吻合，记下初始读值。I微小伸长量的测量： ITOC\o"1-5"\h\z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： i♦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。 |♦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。TOC\o"1-5"\h\zK=AU/AZ i-- :Ic）用K=AU/AZi求铸铁的位移，与杨氏模量。 |id）把测量结果与公认值进行比较。 I【注意事项】 I1.用千分尺测量待测样品厚度必须在不同位置多点测量I取平均值，因黄铜比钢软，旋转千分尺时用力适量，不I宜过猛。 I2.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。 j3.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