大学物理综合性实验霍尔位置传感器法测杨氏模量.PDFVIP

大学物理综合性实验：霍尔位置传感器法测杨氏模量 固体材料杨氏模量的测量是综合大学和工科院校物理实验中必做的实验之一。该实验 内容涉及到传感器、工程力学、材料力学等多门课程的知识点。实验仪器是在弯曲法测量固 体材料杨氏模量的基础上，加装霍尔位置传感器而成的。利用磁铁和集成霍尔元件间位置的 变化输出信号来测量微小位移，该项技术已被用于桥梁的弯曲法测杨氏模量的实验中。有利 于联系科研和生产实际，使学生了解和掌握微小位移的非电量电测新方法。 随着科学技术的发展，微位移测量技术也越来越先进。本实验介绍一种近年来发展的先 进的霍尔位置传感器， 弯曲法测金属杨氏模量实验仪的特点是待测金属薄板只须受较小的力 ，便可产生较 F 大的形变 ，而且本仪器体积小、重量轻、测量结果准确度高，本仪器杨氏模量实际测量 Z 误差小于3%。 一、实验目的 （1）熟悉霍尔位置传感器的特性； （2）弯曲法测量黄铜的杨氏模量； （3）测黄铜杨氏模量的同时，对霍尔位置传感器定标； （4）用霍尔位置传感器测量可锻铸铁的杨氏模量。 二、实验原理 （1）霍尔位置传感器 霍尔元件置于磁感应强度为 的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流 ，则与这二者 B I 相垂直的方向上将产生霍尔电势差 ： U H U K I B （1） H （1）式中 为元件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流 不变，而使其在一个均匀梯 K I 度的磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为： dB U K I  Z （2） H dZ dB （2）式中 为位移量，此式说明若 为常数时，U 与 成正比。 Z Z H dZ 为实现均匀梯度的磁场，可以如图1所示，两块相同的磁铁（磁铁截面积及表面磁感应 强度相同）相对放置，即 极与 极相对，两磁铁之间留一等间距间隙，霍尔元件平行于 N N 磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范围和测量灵敏度要求而定，间隙越小，磁 场梯度就越大，灵敏度就越高。磁 铁截面要远大于霍尔元件，以尽可能的减小边缘效应影响，提高测量精确度。 若磁铁间隙内中心截面处的磁感应强度为零，霍尔元件处于该处时，输出的霍尔电势差 应该为零。当霍尔元件偏离中心沿 轴发生位移时，由于磁感应强度不再为零，霍尔元件 Z 也就产生相应的电势差输出，其大小可以用数字电压表测量。由此可以将霍尔电势差为零时 元件所处的位置作为位移参考零点。 霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移量较小（ 2mm ），这一对应关系 具有良好的线性。 （2）杨氏模量 杨氏模量测定仪主体装置如图2 所示,在横梁弯曲的情况下，杨氏模量 可以用下式表 Y 示：