CN2627493Y - 霍尔位置传感器杨氏模量测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种霍尔位置传感器杨氏模量测定仪，由霍尔位置传感器、杠杆系统、读数显微镜和底盘平台组成，本装置将霍尔位置传感器技术应用于弯曲法测量固体材料杨氏模量装置，以实现固体材料杨氏模量的非电量电测。应用本装置测量微小位移量的灵敏度高、可靠性好、读数方便，因而非常适合推广至高校基础物理实验及其它领域物理实验测量部门。

Description

霍尔位置传感器杨氏模量测定仪

技术领域

本实用新型属物理实验仪器技术领域，具体涉及一种微小位移量、薄片厚度的电测量实验仪器。该实验仪器也可用于工业中材料杨氏模量、热膨张系数等非电量的测定。

背景技术

固体材料的杨氏模量是固体材料基本物理性质之一，在工业中有着重要的应用。正因为如此，绝大多数理工农医类高校均在基础物理实验中开设此实验，并被列入全国各类学校物理实验教学大纲中。以往大学物理实验中杨氏模量测量实验主要用读数显微镜或光杠杆测量金属材料伸长量或材料弯曲的应变量。该实验技术存在着仪器体积庞大、实验操作烦琐及精度(精密度)差的问题，

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种结构小巧、操作方便，而且灵敏度高、可靠性好的材料杨氏模量测定仪。

本实用新型设计的材料杨氏模量测定仪，由霍尔位置传感器、杠杆系统、读数显微镜和底盘平台组成，其结构如图1所示。其中，霍尔位置传感器由两块外形、磁感应强度和极性相同的磁铁平行放置构成，设于调节架6上，其N极与N极、S极与S极相对放置，其敏感元件采用线性型集成霍尔元件；杠杆系统由空心铜杆4、刀口支架11和带尖端触点的接触柱12构成，刀口支架11作为空心铜杆4(杠杆)的支点，铜杆的长臂端面放置线性型集成霍尔元件，并伸入平行放置的两块磁铁5中间，接触柱12放置于空心铜杆4的另一端，其尖端向下，与待测量位移的位置坐标点接触；读数显微镜1架在旋转式升降支架9上，并对准待测量的位置点；集成霍尔元件的三根引线从铜杆中心适当部位穿过并引出，分别接数字电表和电源，构成测定电路；磁铁的调节支架6、杠杆系统的刀口支架11、读数显微镜的旋转式支架9设置于可调节水平的底盘平台10上。

由于本实用新型采用了霍尔位置传感器技术，故也称本装置为霍尔位置传感器杨氏模量测定仪。

本实用新型主要用于弯曲法测量材料杨氏模量。先将待测材料制成薄形横梁3，将横梁3的两端放于刀口支架2上，中间部位挂有带刀口的法码挂钩13，法码8可加于挂钩13上，挂钩上方的刀口基线(挂钩上标出标准线)7对着读数显微镜1，空心铜杆4外端部的接触柱12的尖端与待测位置点接触。当薄形横梁3加码受力弯曲时产生位移，通过本仪器即可测量出材料的杨氏模量。

本实用新型的电原理图见图2所示，其中，线性霍尔元件依次与调零放大电路、数字电压表连接，电源分别向线性霍尔元件、调零和放大电路、数字电压表提供电源。

为了提高仪器的稳定性和可靠性，上述电路中还可增加可调直流电源补偿电路，具体见图5所示。其中，集成霍尔元件的V₊和V_-端分别与直流电源的正、负极连接，可调直流补偿电源负极与V_-连接，集成霍尔元件的V_out端及补偿电源的正极端分别与数字电压表正、负输入端相接。

本杨氏模量测定仪的工作原理如下：当两块相同尺寸及相同磁感应强度的磁铁按一定间距平行放置，且其同极性N极与N极或S极与S极相对安放在其中间部位，将产生零磁场。若霍尔元元件在该磁场中，其感应面与磁感应强度方向垂直，那么有霍尔定律：

                        U＝KBI                        (1)

(1)式中，I为通过霍尔元件的电流，B为磁感应强度，K为霍尔元件灵敏度，U为霍尔电势差。

(1)式中，如果电势差U对位移Z取微分，则可得

$\mathrm{\ΔU}=\mathrm{KI}\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{\ΔZ}}\·\mathrm{\ΔZ}---\left(2\right)$

(2)式中，ΔU为电势差改变量，ΔZ为沿磁场方向位移量， 为沿磁场方向的磁场梯度，若 为常量，且保持K和I为常量，那么ΔU与ΔZ成正比。

本测定仪采用线性型高灵敏度集成霍尔元件，该元件内有放大电路(见图3所示)，放大后灵敏度很高，可达5.0×10²mv/mm，且又有电源补偿电路(如图5所示)。因而稳定性和可靠性很好。

本实验装置利用读数显微镜对霍尔位置传感器(其霍尔电势差用数字电压表测量)进行对比读数定标，经测量出灵敏度的霍尔位置传感器可用于测量其它固体材料的杨氏模量。

本实新用新型将霍尔位置传感器技术应用于弯曲法测量固体材料杨氏模量装置，以实现固体材料杨氏模量的非电量电测。使用本装置测量微小位移量的灵敏度高、可靠性好、读数方便，因而非常适合推广于高校基础物理实验及其它领域物理实验测量部门。本仪器的特点是当处于均匀梯度磁场中的高灵敏度集成线性霍尔传感器，具有微小位置变化时，将引起较大的霍尔电势差的变化，而较强的均匀梯度磁场和高灵敏度集成线性霍尔传感器在当今技术中是可实现的。从教学实验的需要出发，本霍尔位置传感器杨氏模量测定仪对原有的弯曲法测杨氏模量装置进行了改进，保留原实验中基本实验方法和内容，又增加霍尔位置传感器的定标及用霍尔位置传感器测杨氏模量实验内容，使教学物理实验仪器现代化。

附图说明

图1为本杨氏模量测定仪结构图示。

图2为本杨氏模量测定仪电原理图示。

图3为线性集成霍尔元件内部的线路图。

图4为线性集成霍尔元件外型及引线脚图示。

图5为数字电压表与可调电源补偿电路图。

图中标号：1为读数显微镜，2为横梁(样品)的刀口支架，3为横梁(样品)，4为空心铜杠杆，5为平行设置的2块磁铁，6为磁铁调节架，7为法码挂钩上的基线，8为砝码，9为读数显微镜支架，10为底盘平台，11为铜杆的刀口支架，12为带尖端触点的接触柱，13为法码挂钩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本实用新型。两块磁铁5的磁感应强度为70毫特斯拉，平行设置距离为20mm，固定安装于调节架6上，杠杆系统中的空心铜杆4的直径为8mm，长度为120mm，其短臂长度为50mm，线性集成霍尔元件置于杠杆的长臂端面上，并伸入平行磁铁中间，霍尔元件的3根引线穿过铜杆中心孔并引出，接入测定电路。杠杆的短臂端点设置锥形金属接触柱12，锥形尖端与横梁3(样品)中间的法码挂钩(与梁接触处为刀口)相接触，杠杆4的支点为刀口(即刀口支架)。电路中设置可调电源补偿电路，具体见图5所示。集成霍尔元件内部的电路见图3所示，霍尔元件的引脚结构如图4所示。按图1所示安装，并对读数进行定标。

本测定仪测量位移量范围为0-2mm，此长度对杠杆短臂长度50mm相比极小，杠杆在此范围内转动角度极小。因而在2mm位移范围内，可以认为霍尔元件是较严格沿磁感应强度B的方向移动。试验结果也证明在0-2mm的位移范围内，测量ΔU～ΔZ关系曲线，其线性度达0.9999以上。

本霍尔位置传感器的电压检测仪表可采用三位半数字电压表，量程0-2V，分辨为1mV。另外，线性型集成霍尔元件在零磁场(OT)时输出电压为2.500V，除检测电压的电压表外，仪器还配置2.000V-3.000V补偿直流电源一个，采用可调电压直流补偿电源电压后，可保证霍尔元件在B＝0T时，输出电压为0V。本测定仪灵敏度大于2.96×10²mV/mm，能检测出3.4×10^-9mm变化。

本杨氏模量测定仪是一种弯曲法测量固体材料杨氏模量的装置，测量时，制作样品横梁3，其长26cm，厚2.3cm，支撑梁的两刀口支架间距为23.0cm，在梁中间加10g砝码就能产生0.12mm的位移量。而用原弯曲法测定杨氏模量时，在加0.5kg-1.0kg法码后才能在梁中间位置产生相似的应变量，与原方法相比，本装置安全可靠，且方便得多。

本杨氏模量测定仪可以做三个实验：1、霍尔位置传感器的定标，测量其灵敏度；2、用读数显微镜测定铜样品的杨氏模量；3、用已知灵敏度的霍尔位置传感器测量固体材料的杨氏模量(例如可锻铸铁等)。

Claims (2)

1、一种霍尔位置传感器杨氏模量测定仪，由霍尔位置传感器、杠杆系统、读数显微镜和底盘平台组成，其特征在于霍尔位置传感器由两块外形、磁感应强度和极性相同的磁铁平行放置构成，设于调节架(6)上，其N极与N极、S极与S极相对放置，其敏感元件采用线性型集成霍尔元件；杠杆系统由空心铜杆(4)、刀口支架(11)和带尖端触点的接触柱(12)组成，刀口支架(11)作为空心铜杆(4)的支点，铜杆的长臂端面放置有线性型集成霍尔元件，并伸入平行放置的两块磁铁(5)中间，接触柱(12)放置于空心铜杆(4)的另一端，其尖端向下，与待测量位移或位置坐标点接触；读数显微镜(1)架在旋转式升降支架(9)上，并对准待测量的位置点；集成霍尔元件的三根引线从铜杆中心适当部位穿过并引出，分别接数字电表和电源，构成测定电路；磁铁的调节支架(6)、杠杆系统的刀口支架(11)、读数显微镜的旋转式支架(9)设置于可调节水平的底盘平台(10)上。

2、根据权利要求1所述的杨氏模量测定仪，其特征在于在测定电路中还增加有可调直流电源补偿电路，其中集成霍尔元件的V₊和V_-端分别与直流电源的正、负极连接，可调直流补偿电源负极与V_-连接，集成霍尔元件的V_out端及补偿电源的正极端分别与数字电压表正、负输入端相接。

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