CN103411838A - 用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置，属于实验仪器。本发明二级杠杆短臂搭接在一级杠杆长臂顶端，二级杠杆长臂下端设有霍尔集成器，霍尔集成器设置在线圈轴线上，霍尔集成器和线圈分别与控制电路连接。本发明 待测物体的微小位移推动一级杠杆，一级杠杆推动二级杠杆发生较大位移，二级杠杆带动霍尔集成器在线圈轴线上移动，导致霍尔集成器在磁场内发生较大位移，毫特斯拉计的读数值发生相应变化，此数值与霍尔传感器位置一一对应，通过此读数值变化，即可算出待测物的微小位移。其测量过程没有人为干扰，数据客观、唯一；结构紧凑、简单、直观，占用空间少，维护及使用成本低，易于在全国高校推广。

Description

用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置，属于实验仪器。

技术背景：

光杠杆放大法目前较为普遍地运用于“金属丝杨氏模量的测量”、“固体线胀系数的测定”这两个重要的物理实验当中，用来观测金属丝和固体在一维方向上的微小伸长量，但现有光杠杆系统需要占用较大场地，所运用的知识较为单一。此外，相关数据通过肉眼读取，不够客观、唯一；实验人员在观测过程中往往会对光学观测系统造成干扰。

实验仪器综合化、数字化，培养学生综合运用知识的能力，减小场地占用，避免人为干扰测量过程，数据读取客观、唯一，一直是高校学生用仪器的发展方向。目前，把霍尔效应和杠杆放大方法结合在一起，来测量一维方向上的微小伸长量的仪器和方法还没有出现。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种减小场地占用，避免人为干扰测量过程，数据读取客观、唯一的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置。

技术解决方案：

本发明包括：一级杠杆、二级杠杆，二级杠杆短臂搭接在一级杠杆长臂顶端，二级杠杆长臂下端设有霍尔集成器，霍尔集成器设置在线圈轴线上，霍尔集成器和线圈分别与控制电路连接。

进一步：一级杠杆通过左侧立柱安装在底座上，底座上设有支架，支架与底座1通过轴连接，支架能够绕轴360度旋转，支架上设有线圈，线圈与支架轴连接，线圈能够绕轴360度旋转。

所述底座还设有右侧立柱，右侧立柱与二级杠杆的悬架连接。

所述悬架与二级杠杆通过套筒连接，套筒上设有调节螺栓插孔。

所述一级杠杆和二级杠杆通过套筒与底座连接，套筒上设有调节螺栓插孔。

所述一级杠杆长臂上设有“凸”字形端头；二级杠杆短臂呈“钩”形。

所述霍尔集成器设置在线圈轴线上的滑槽内。

所述控制电路包括：霍尔集成器连接口、毫特斯拉计及显示器、毫特斯拉计调零旋钮、导线插孔、毫安表及显示器、毫安表调节钮、电源开关，霍尔集成器通过霍尔集成器连接口与毫特斯拉计调零旋钮、毫特斯拉计及显示器连接；线圈通过导线与导线插孔、毫安表及显示器、毫安表调节钮连接，电源开关外接电源连接。

用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法，测量方法如下：把一级杠杆短臂顶端的双向足其中一个足置于待测试材料的受试部位；再把数据线连接到霍尔集成器连接口，打开电源开关，旋动毫特斯拉计调零旋钮，使得毫特斯拉计及显示器的数值为0；把导线连接到导线插孔，旋动毫安表调节钮，使得毫安表及显示器的数值为100mA；实验开始，双向足被长度发生变化的待测材料推动，导致一级杠杆绕一级杠杆左侧转轴转动；一级杠杆长臂顶端的“凸”字形端头推动二级杠杆的短臂，使得二级杠杆绕二级杠杆右侧转轴转动；二级杠杆带动霍尔集成器在线圈轴线上的滑槽上移动；毫特斯拉计显示器的数值发生变化，把数值带入公式算出受试材料的微小伸长量。

本发明特点及优点：

1）本发明把霍尔效应和杠杆原理结合在一起，对培养学生综合运用力学和电磁学知识的能力有助益。

2）本发明把霍尔集成器、杠杆、底座、支架、线圈、控制电路集合成一个测量系统；其将霍尔集成器和两级杠杆组成一个霍尔杠杆系统，联合线圈提供的磁场以及控制电路内的毫特斯拉计实现对微小伸长量的测量，并通过数字式显示器把相关数据变化显示出来。可用于拉伸法测量金属丝的杨氏模量，也可用于测量不同固体材料受热时在一维方向上的伸长。其测量过程没有人为干扰，数据客观、唯一；结构紧凑、简单、直观，占用空间少，维护及使用成本低，易于在全国高校推广。

附图说明：

图1 本发明结构示意图；

图2 本发明控制电路示意图；

图3 本发明二级杠杆、霍尔集成器及滑槽的组装示意图；

图4 本发明支架、线圈和滑槽的组装示意图；

图5为本发明工作原理图。

具体实施方式：

本发明见图1-4

底座1──有机玻璃制成，长80cm,宽15cm,厚2cm。上有定位孔，用以安装立杆、线圈；

左侧立柱2──采用轻质、刚性铝合金材料制造，长度可以伸缩，其上部安装一级杠杆；

右侧立柱3──采用轻质、刚性铝合金材料制造，长度可以伸缩，其上部安装伸缩式可调水平悬架；

支架4──C形，用来安装线圈；

线圈5──平均半径为10cm,500匝；

一级杠杆6──采用轻质、刚性铝合金制成，带有上下足的短臂长10cm，长臂为50cm；

悬架7──伸缩式可调，采用轻质、刚性铝合金制造；

二级杠杆8──其由轻质、刚性合金制造的中空管，短臂呈钩形、长10cm，长臂长50cm；

霍尔集成器9──测量精度为0.001毫特斯拉；

滑槽10──固定在线圈轴线上，可带动线圈转动；

数据线11──穿过中空二级杠杆把霍尔集成器与主机连接；

导线12──直流导线连接线圈与控制电路；

控制电路13──包括电流表和毫特斯拉计等集成电路；

左侧转轴14──该转轴就是一级杠杆的支点，其把一级杠杆和左侧立柱组合在一起；

右侧转轴15──该转轴就是二级杠杆的支点，其把二级杠杆和悬架连接在一起；

一级杠杆长臂16──长50cm；

二级杠杆短臂17──长10cm；

一级杠杆短臂18──长10cm；

双向足19──位于一级杠杆的短臂顶端，长1cm；

“凸”字形端头20──位于一级杠杆的长臂顶端，用于定位二级杠杆的短臂；

霍尔集成器连接口21──用来连接霍尔集成器和控制电路；

毫特斯拉计及显示器22──LED4位半数字显示器；

毫特斯拉计调零旋钮23──线圈断路时，用来调节毫特斯拉计读数为零，以消除环境磁场的影响；

导线插孔24──连接线圈和控制电路，用来给产生磁场的线圈提供电流；

毫安表及显示器25──LED4位半数字显示器；

毫安表调节钮26──用来调节线圈的输入电流值；

电源开关27──用来开关控制控制电路。

实施例1：

本发明包括：线圈5、一级杠杆6、二级杠杆8、霍尔集成器9、控制电路13，二级杠杆8的短臂17搭接在一级杠杆6长臂16顶端，二级杠杆8长臂下端设有霍尔集成器9，霍尔集成器9设置在线圈5轴线上，线圈5和霍尔集成器9分别与控制电路13连接。

本发明还包括：底座1、左侧立柱2、右侧立柱3、支架4、悬架7、滑槽10、数据线11、导线12。一级杠杆6通过左侧立柱2安装在底座1上，底座1上设有支架4，支架4与底座1通过轴连接，支架4能够绕轴360度旋转，支架4上设有线圈5，线圈5与支架4通过轴连接，线圈5能够绕轴360度旋转；底座1还设有右侧立柱3，右侧立柱3与二级杠杆8的悬架7连接；悬架7与二级杠杆8通过套筒连接，套筒上设有调节螺栓插孔；一级杠杆6的左侧立柱2及二级杠杆8的右侧立柱3通过套筒与底座1连接，套筒上设有调节螺栓插孔，一级杠杆长臂16上设有“凸”字形端头20；二级杠杆短臂17呈“钩”形，霍尔集成器9装在滑槽10内并通过数据线11与控制电路13连接，线圈5通过导线12与控制电路13连接。

本发明的控制电路13包括：霍尔集成器连接口21、毫特斯拉计及显示器22、毫特斯拉计调零旋钮23、导线插孔24、毫安表及显示器25、毫安表调节钮26、电源开关27，霍尔集成器9通过霍尔集成器连接口21与毫特斯拉计调零旋钮23、毫特斯拉计及显示器22连接；线圈5通过导线12与导线插孔24、毫安表及显示器25、毫安表调节钮26连接。

实施过程：测定金属丝的杨氏模量

实验开始时，一级杠杆6水平，二级杠杆8竖直，二级杠杆短臂17搭在一级杠杆长臂16的“凸”字形端头20上；一级杠杆短臂18顶端的双向足19的其中一个足

搭在待测材料的下端（杨氏模量实验仪平台的下部）。

当金属丝受力伸长Δl，“凸”字形端头20移动距离Δh，二级杠杆8带动霍尔集成器9在滑槽10上移动距离Δx，导致一级杠杆6倾斜并与水平线产生一个夹角θ，二级杠杆8长臂

移动并与竖直线产生角度β，如图5所示。

设

则有

$\frac{\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Δl}}=n---\left(1\right)$

如果

则有

$\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δh}}=m---\left(2\right)$

由公式（1）和（2）得到

$\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δl}}=\mathrm{nm}---\left(3\right)$

又，线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点的磁感应强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·{\stackrel{\‾}{R}}^2}{2{({\stackrel{\‾}{R}}^2+x^2)}^{3/2}}N\·I---\left(4\right)$

式中μ₀ 为真空磁导率，

为线圈的平均半径， x为轴上某一点到圆心0的距离，N为圆线圈的匝数，I为通过线圈的电流强度。

设

x=Δx时，B=B′                 （5）

同时令

k=μ₀·N·I                 （6）

把式（3）（5）（6）带入（4）

得到

$\mathrm{\Δl}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{k}{B^{\′}}\right)}^{\frac{2}{3}}-R^2}}{\mathrm{nm}}---\left(7\right)$

由于公式（7）中n、m、k、R均已知，因此测得B′值，即可求出Δl。

实施过程2：测定固体的线胀系数

一级杠杆短臂18顶端的双向足19的其中一个足

搭在待测材料的上端，当温度升高Δt时，待测材料受热伸长，其长度变化了Δl, “凸”字形端头20移动距离Δh，二级杠杆8带动霍尔集成器9在滑槽10

移动距离Δx，导致一级杠杆6倾斜并与水平线产生一个夹角θ，二级杠杆8长臂

移动并与竖直线产生角度β。

由实验一的推导过程可知，公式(7)仍然适用。测出B′，就可以得出温度升高Δt时，固体材料在一维方向上的伸长量为

$\mathrm{\Δl}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{k}{B^{\′}}\right)}^{\frac{2}{3}}-R^2}}{\mathrm{nm}}$

Claims (9)

1.用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，包括：一级杠杆（6）、二级杠杆（8），其特征在于，二级杠杆（8）短臂（17）搭接在一级杠杆（6）长臂（16）顶端，二级杠杆（8）长臂下端设有霍尔集成器（9），霍尔集成器（9）设置在线圈（5）轴线上，霍尔集成器（9）和线圈（5）分别与控制电路（13）连接。

2.根据权利要求1所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，一级杠杆（6）安装在底座（1）上，底座（1）上设有支架（4），支架（4）与底座（1）通过轴连接，支架（4）能够绕轴360度旋转，支架（4）上设有线圈（5），线圈（5）与支架（4）通过轴连接，线圈（5）能够绕轴360度旋转。

3.根据权利要求1所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，底座（1）还设有右侧立柱（3），立柱（3）与二级杠杆（8）的悬架（7）连接。

4.根据权利要求1或3所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，悬架（7）与二级杠杆（8）通过套筒连接，套筒上设有调节螺栓插孔。

5.根据权利要求1、2或3所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，一级杠杆（6）的左侧立柱（2）及二级杠杆（8）的右侧立柱（3）通过套筒与底座（1）连接，套筒上设有调节螺栓插孔。

6.根据权利要求5所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，一级杠杆长臂（16）上设有“凸”字形端头（20）；二级杠杆短臂（17）呈“钩”形。

7.根据权利要求1所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，霍尔集成器（9）设置在线圈（5）轴线上的滑槽（10）内。

8.根据权利要求1所述的用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，其特征在于，控制电路（13）包括：霍尔集成器连接口（21）、毫特斯拉计及显示器（22）、毫特斯拉计调零旋钮（23）、导线插孔（24）、毫安表及显示器（25）、毫安表调节钮（26）、电源开关（27），霍尔集成器（9）通过霍尔集成器连接口（21）与毫特斯拉计调零旋钮（23）、毫特斯拉计及显示器（22）连接；线圈（5）通过导线（12）与导线插孔（24）、毫安表及显示器（25）、毫安表调节钮（26）连接，电源开关（27）外接电源连接。

9.用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法，其特征在于，测量方法如下：把一级杠杆（6）短臂（18）顶端的双向足（19）其中一个足置于待测试材料的受试部位；再把数据线（11）连接到霍尔集成器连接口（21），打开电源开关（27），旋动毫特斯拉计调零旋钮（23），使得毫特斯拉计及显示器（22）的数值为0；把导线（12）连接到导线插孔（24），旋动毫安表调节钮（26），使得毫安表及显示器（25）的数值为100mA；实验开始，双向足（19）被长度发生变化的待测材料推动，导致一级杠杆（6）绕一级杠杆（6）左侧转轴（14）转动；一级杠杆（6）长臂（16）顶端的“凸”字形端头（20）推动二级杠杆（8）的短臂（17），使得二级杠杆（8）绕二级杠杆（8）右侧转轴（15）转动；二级杠杆（8）带动霍尔集成器（9）在线圈（5）轴线上的滑槽（10）上移动；毫特斯拉计显示器（22）的数值发生变化，把数值带入公式（7）算出受试材料的微小伸长量。

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