CN103353274B - 基于巨磁电阻效应的位移测量装置及杨氏模量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于巨磁电阻效应的位移测量装置及杨氏模量的测量方法，包括传感器测量电路，传感器测量电路设置在平台上，平台通过滑动台与螺旋测微计的丝杆连接，螺旋测微计与读数支架连接，读数支架设置在底座上；传感器测量电路与平台活动连接；传感器测量电路包括巨磁电阻传感器及与巨磁电阻传感器相配合的偏置磁场，巨磁电阻传感器的输出端与电位差计相连。本发明利用巨磁电阻传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，达到使用范围广泛、测量精确较高的目的。

Description

基于巨磁电阻效应的位移测量装置及杨氏模量的测量方法

技术领域

本发明涉及基于巨磁电阻效应的位移测量装置及杨氏模量的测量方法。

背景技术

巨磁电阻传感器主要应用于探测磁场、电流、位移、角速度等领域，曾有过许多优秀的技术方案，如2010年05月04日苏州普利聚芯磁电子科技有限公司申报的授权公告号为CN2282715，中国专利号（ZL）为：201010161711实用新型，专利名称是一种巨磁电阻测速传感器的实用新型专利，所采用的技术方案利用了巨磁电阻传感器测量速度。

现有的技术中，对微小位移的测量精度不够高，且测量过程比较繁琐，给实验研究带来不便；在物理实验中，利用光杠杆方法测量杨氏模量，存在着操作步骤繁琐、测量精度不高等缺陷。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于巨磁电阻效应的位移测量装置及杨氏模量的测量方法，本发明技术方案中利用电位差计精确测量巨磁电阻传感器测量电路的输出电压，配合螺旋测微计精确标定巨磁电阻传感器的移动等进行测量，使实验精度得到提高。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于巨磁电阻效应的位移测量装置，包括传感器测量电路，传感器测量电路设置在平台上，平台与滑动台相连，滑动台通过螺旋测微计的丝杆与螺旋测微计连接，螺旋测微计与读数支架连接，读数支架设置在底座上。

所述传感器测量电路与平台活动连接。

所述传感器测量电路包括巨磁电阻传感器及与巨磁电阻传感器相配合的偏置磁场，巨磁电阻传感器的输出端与电位差计相连。

本发明由读数支架、传感器测量电路和平台等三个主要部件组成传感器测量部件。将传感器测量电路安装在平台上，然后将平台通过滑动台与螺旋测微计的丝杆连接，螺旋测微计与读数支架连接。利用螺旋测微计给巨磁电阻传感器定标，以及标定巨磁电阻传感器的移动。如置于平台上面的传感器测量电路可相对平台旋转，再如可将传感器测量电路置于平台的上面或侧面，从而实现水平、竖直两个方向上对微小长度的测量，使得被测磁钢的方向可以不受限制。还可将该测量装置应用于钢片杨氏模量、金属线膨胀系数等微小位移测量类的物理实验，而且还易于实现动态测量。

本发明提供的对微小长度精确测量的方法，是将巨磁电阻传感器的输出端与配套设备电位差计相连，借助磁钢片，根据电位差计精确测出的电压数值计算微小伸长量，从而达到精确测量金属丝微小伸长量的目的。

本发明的核心部件为基于巨磁电阻效应的巨磁电阻传感器。巨磁电阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场作用时存在巨大变化的现象。本发明应用巨磁电阻传感器可以精确测量磁场变化这一特点，构成传感器测量电路，用于测量固定于金属丝上磁钢的磁场变化，进而测量金属丝微小伸长量，达到测量金属丝杨氏模量的目的。

基于巨磁电阻效应的位移测量装置的杨氏模量的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：利用螺旋测微计及读数支架给巨磁电阻传感器在垂直方向定标；

步骤二：将巨磁电阻传感器退回初始位置，保证其位置与定标时的初始位置相同，通过增加砝码得到电位差计的测量值，利用计算金属丝的杨氏模量；

式中，Y为金属丝的杨氏模量，L为金属丝原长，d为金属丝直径，F为金属丝下面悬挂砝码的重量，Δl为金属丝在砝码拉伸作用下的微小长度变化量，π为圆周率。

所述步骤一中定标的具体过程为：将两片磁钢通过吸引力固定在被测金属丝上，两片磁钢距巨磁电阻传感器7cm且在其上方，首先调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计指零，使巨磁电阻传感器向上运动每次100um的距离，得到对应的输出电压，调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计再次指零，重复上述实验，做出巨磁电阻传感器位移为横坐标x、输出电压为纵坐标y的定标图，用matlab将数据拟合并绘出曲线图。

所述步骤一中巨磁电阻传感器位移与输出电压的关系式：U＝kX+161.286（1）

利用关系式（1），根据绘出曲线图得出k值，

式中，U为电位差计精确测出的巨磁电阻传感器的输出电压，X为巨磁电阻传感器的位移，k为数据拟合曲线的斜率。

所述步骤二中测量过程为：每增加被测金属丝下一个砝码，电位差计显示一个读数，用逐差法处理电位差计测量数据并取平均值得ΔU，将ΔU及步骤一中的k值带入关系式：Δl＝ΔU/(k*4)，得到Δl值，最后由

$Y=\frac{4\mathrm{FL}}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{\Δl}}---\left(2\right)$

得到金属丝的杨氏模量，式中，ΔU为电压的平均值，Y为金属丝的杨氏模量，L为金属丝原长，d为金属丝直径，F为金属丝下面悬挂砝码的重量，Δl为金属丝在砝码拉伸作用下的微小长度变化量，π为圆周率，k为数据拟合曲线斜率。

本发明的有益效果：

本发明所涉及的位移测量装置适用于微小位移的测量，将巨磁电阻传感器应用于物理实验中的杨氏模量测量上，本发明适宜在物理实验测量、物理实验教学及其他测量实验等较大范围内运用。

第一．本发明技术方案中利用电位差计精确测量巨磁电阻传感器测量电路的输出电压，配合螺旋测微计精确标定巨磁电阻传感器的移动等进行测量，使实验精度得到提高。

第二．本发明提供的金属丝杨氏模量测量方法，省去了望远镜、光杠杆等配套设备。

第三．本发明提供的金属丝杨氏模量测量方法较之光杠杆方法操作简便，测量精度提高。

第四．本发明利用巨磁电阻传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，达到使用范围广泛、测量精确较高的目的。

第五．本发明的设计结构可保证测量的便利。

附图说明：

图1本发明的装置结构示意图；

图2测量电路示意图；

图3定标曲线图；

图中，1读数支架、2平台、3传感器测量电路、4螺旋测微计、5底座、6滑动台。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，基于巨磁电阻效应的位移测量装置，包括传感器测量电路3，传感器测量电路3设置在平台2上，平台2与滑动台6相连，滑动台6通过螺旋测微计4的丝杆与螺旋测微计4连接，螺旋测微计4与读数支架1连接，读数支架1设置在底座5上；传感器测量电路3与平台2活动连接；

如图2所示，传感器测量电路3包括巨磁电阻传感器U1及与巨磁电阻传感器U1相配合的偏置磁场U2，巨磁电阻传感器U1的输出端与电位差计U3相连。

本发明的核心部件之一是应用巨磁电阻传感器U1制作的传感器测量电路，本发明的核心部件之二是螺旋测微计4，本发明的核心部件之三是读数支架1。本发明最佳实施方式是由读数支架1、传感器测量电路3和螺旋测微计4三个核心部件组成传感器测量部件，再将传感器测量部件与电位差计U3连接，电位差计U3用来测量巨磁电阻传感器的输出信号，传感器测量电路3置于在平台2上，平台2通过滑动台6与螺旋测微计4的丝杆连接，滑动台6与读数支架1结合，通过读数支架1及螺旋测微计4的操作，传感器测量电路3可上下、左右移动并可由螺旋测微计4读出其位移数值。基于巨磁电阻效应的杨氏模量的测量分为定标、测量两部分。

1.定标方法：将两片磁钢通过吸引力固定在被测金属丝上，距巨磁电阻传感器U1约7cm，且在其上方，利用读数支架1及螺旋测微计4给巨磁电阻传感器U1在垂直方向定标，首先调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计指零，使巨磁电阻传感器U1向上运动每次100um的距离，调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计再次指零，多次重复上述实验，做出巨磁电阻传感器U1位移为横坐标x、输出电压为纵坐标y的定标图，用matlab将数据拟合并绘出曲线图如图3所示，相应关系式为：

U＝kX+161.286（1）

得到在0—1.2mm变化范围内电压的变化与巨磁电阻传感器位移X呈线性关系，根据曲线图及关系式（1）得出斜率K=0.062。（1）式中，U为电位差计U3精确测出的巨磁电阻传感器U1的输出电压，X为巨磁电阻传感器的位移，K为拟合曲线的斜率。

2.测量方法：将巨磁电阻传感器U1退回初始位置，保证其位置与定标时的初始位置相同。每增加被测金属丝下一个砝码，电位差计U3显示一个读数，用逐差法处理电位差计测量数据并取平均值得ΔU，带入Δl＝ΔU/(k*4)=0.1095mm得金属丝的微小长度变化量Δl，于是由（2）式即可计算出金属丝的杨氏模量：

$Y=\frac{4\mathrm{FL}}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{\Δl}}---\left(2\right)$

（2）式中，ΔU为电压的平均值，Y为金属丝的杨氏模量，L为金属丝原长，d为金属丝直径，F为金属丝下面悬挂砝码的重量，Δl为金属丝在砝码拉伸作用下的微小长度变化量，π为圆周率。

Claims (5)

1.基于巨磁电阻效应的位移测量装置，其特征是，包括传感器测量电路，传感器测量电路设置在平台上，平台与滑动台相连，滑动台通过螺旋测微计的丝杆与螺旋测微计连接，螺旋测微计与读数支架连接，读数支架设置在底座上；

所述传感器测量电路包括巨磁电阻传感器及与巨磁电阻传感器相配合的偏置磁场，巨磁电阻传感器的输出端与电位差计相连；

所述传感器测量电路与平台活动连接。

2.基于权利要求1所述的巨磁电阻效应的位移测量装置的杨氏模量的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：利用螺旋测微计及读数支架给巨磁电阻传感器在垂直方向定标；

步骤二：将巨磁电阻传感器退回初始位置，保证其位置与定标时的初始位置相同，通过增加砝码得到电位差计的测量值，利用计算出金属丝的杨氏模量；

式中，Y为金属丝的杨氏模量，L为金属丝原长，d为金属丝直径，F为金属丝下面悬挂砝码的重量，Δl为金属丝在砝码拉伸作用下的微小长度变化量，π为圆周率。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征是，所述步骤一中定标的具体过程为：将两片磁钢通过吸引力固定在被测金属丝上，两片磁钢距巨磁电阻传感器7cm且在其上方，首先调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计指零，使巨磁电阻传感器向上运动每次100um的距离，得到对应的输出电压，调节步进读数盘和滑线读数盘使检流计再次指零，重复上述步骤一中定标的具体过程，做出巨磁电阻传感器位移为横坐标x、输出电压为纵坐标y的定标图，用matlab将数据拟合并绘出曲线图。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征是，所述步骤一中巨磁电阻传感器位移与输出电压的关系式：U＝kX+161.286(1)

利用关系式(1)，根据绘出曲线图得出k值，

式中，U为电位差计精确测出的巨磁电阻传感器的输出电压，X为巨磁电阻传感器的位移，k为数据拟合曲线的斜率。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征是，所述步骤二中测量过程为：每增加被测金属丝下一个砝码，电位差计显示一个读数，用逐差法处理电位差计测量数据并取平均值得ΔU，将ΔU及步骤一中的k值带入关系式：Δl＝ΔU/(k*4)，得到Δl值，最后由

$Y=\frac{4FL}{{\mathrm{\πd}}^2\mathrm{\Δ}l}---\left(2\right)$

得到金属丝的杨氏模量，式中，ΔU为电压的平均值，Y为金属丝的杨氏模量，L为金属丝原长，d为金属丝直径，F为金属丝下面悬挂砝码的重量，Δl为金属丝在砝码拉伸作用下的微小长度变化量，π为圆周率，k为数据拟合曲线的斜率。