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实验一 集成霍尔传感器特性与简谐振动实验
【实验目的】
随着科学技术的进步,测量方法也不断进步。90年代初,集成霍尔传感器技术得到了迅猛发展。各种性能的集成霍尔传感器不断涌现,在工业,交通,通讯等领域的自动控制中得到大量应用。如磁感应强度测量,位移测量,周期和转速的测量,还有液位控制,流量测量,产品计数,车辆行程计量,角度测量等。 本实验将学习集成开关型霍尔传感器的特性,并用该传感器测量弹簧振子的振动周期。从而掌握简谐振动的规律,以及磁敏器件测量振动周期的新方法。
【实验原理】
弹簧在外力作用下将产生形变(即伸长或缩短)。在弹性限度内,外力和它的变形
量成正比,即:
[1]
这就是胡克定律,比例系数K称为弹簧的倔强系数,其值与弹簧的形状,材料有关。若改变施加在弹簧上的外力,并测量相应的形变量,即可通过式(1)推算该弹簧的倔强系数。
质量为的物体系于一轻弹簧的自由端,并放置在光滑的水平台面上,而弹簧的另
一端固定,这就构成一个弹簧振子。若使物体在外力作用下(如用手拉)离开平衡位置少许,然后释放,则弹簧振子将在平衡点附近来回作简谐振动,其周期为:
[2]
实际上弹簧本身具有质量,它必对周期产生影响,故式(2)可修正为
[3]
其中是待定系数,,其值可以通过实验予以确定。称为弹簧的有效质量(亦称折合质量)。
若将上述弹簧振子铅直地悬挂在一个稳固的支架上,则它仍能在重力(是一个常力)及
弹性力的作用下作简谐振动,只是平衡位置有所变动。新的平衡位置即是弹簧下端悬挂物体后所处的平衡位置,故式(3)仍成立
3、集成开关型霍尔传感器
如图1所示,集成霍尔开关是由稳压器A。霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B,差分放大器C,施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。(1),(2),(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。
图1 图2
在输入端(1)输入电压Vcc,经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两端。根据霍尔效应原理,当霍尔片处于磁场中时,在垂直于磁场的方向通以电流,则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差VH输出,该VH信号经放大器放大以后送至施密特触发器整形,使触发器整形,使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点(即Bop)时,触发器输出高电压(相对于地电位),使三极管导通,此时,OC门输出端输出低电压,通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即Brp)时,触发器输出低电压,三极管截止,使OC门输出高电压,这时称其为“关”态,这样两次高电压变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。
Bop与Brp的差值一定,此差值Bh=Bop-Brp称为磁滞,在此差值内,Vo保持不变,因而
使开关输出稳定可靠,这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。
集成霍尔开关传感器输出特性如图2。
【实验仪器和用具】
集成霍尔传感器特性与简谐振动实验仪
仪器结构
图3
1、弹簧,2、砝码盘,3、平面镜,4、游标卡尺,5、卡尺固定螺母,6、调节螺母,
7、砝码和磁钢,8、开关霍尔传感器,9、水平调节螺丝,10、锁紧螺丝,11、计时电压测量稳压组合仪
【实验内容】
一、测量弹簧的倔强系数
1、利用新型焦利秤测定弹簧倔强系数
实验装置如图3所示。在砝码盘W中放置砝码,则作用力式中
为砝码盘质量与弹簧的有效质量之和,为重力加速度。利用(1)式可得:
(4)
(1)调节实验装置底脚螺丝,使焦利秤立柱垂直(目测);
(2)将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上,旋转悬臂,使挂于弹簧下放的砝码盘的尖针
靠拢游标尺上的小镜;
(3)在砝码盘中放置一定质量的砝码后,弹簧伸长。调节立柱旁游标高度,使小镜
上刻线对准尖针的下端,记录砝码值及游标尺上相应的指示读数;
(4)往砝码盘中逐步放入一定量的砝码。记录砝码盘中的砝码以及对应的游标卡尺的读数;
(5)从盘中逐个取出一定量的砝码后,弹簧稍收缩。再次记下此 时盘中码值及游标卡尺相应读数。
(6)作图,验证满足线性关系,并求出斜率, 即为弹簧的倔强系数。
2、测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数
(1)用电子秒表测弹簧振子振动50次的时间,然后求得弹簧振子的周期,利用公式(3)求得弹簧倔强系数,公式(3)中,为弹簧的等效质量。
(2)用集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期,求弹簧倔强系数。
将集成霍尔开关的三个引脚分别与电源和
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