霍爾位置傳感器法測量楊氏模量實驗中的問題與對策

穆曉東 郝子文

摘? 要：文章簡述了霍爾位置傳感器法楊氏模量實驗儀的組成和原理。通過對學(xué)生一個學(xué)期的實驗觀察，總結(jié)了實驗過程中出現(xiàn)的問題，并通過對問題的分析給出相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：霍爾元件;傳感器;楊氏模量;讀數(shù)顯微鏡

楊氏模量是表征固體材料彈性形變能力的一個重要物理量。按照胡克定律，材料在彈性限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比，比例系數(shù)為楊氏模量。楊氏模量只決定于材料，其值越大，越不易形變。因此，楊氏彈性模量是選定機(jī)械零件材料的依據(jù)之一，是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參數(shù)。楊氏模量的測定對研究各種材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義。

楊氏模量的測量是大學(xué)物理實驗中力學(xué)部分的經(jīng)典實驗，從測量方法上一般分為拉伸法、梁彎曲法、振動法和內(nèi)耗法等。本實驗儀是將霍爾位置傳感器應(yīng)用到梁彎曲法實驗儀上。

一、實驗原理簡述

霍爾位置傳感器法楊氏模量測定儀如圖一：

其中：1.刀口上的基線;2.讀數(shù)顯微鏡;3.刀口;4.橫梁;5.銅杠桿;6.磁鐵盒;7.磁鐵;8.調(diào)節(jié)架;9.砝碼;10.銅杠桿刀口

被測橫梁穿過砝碼銅刀口并放在兩立柱刀口的正中位置。裝有霍爾元件的銅杠桿固定在杠桿刀口上，并將刀口放在刀座上?；魻栐筛軛U的一端被伸進(jìn)磁場當(dāng)中，杠桿另一端的圓柱形托尖落在砝碼刀口內(nèi)部的小圓坑內(nèi)?；魻栁恢脗鞲衅鞯妮斎胼敵鼍€和數(shù)字電壓表相連接（未畫）。

測量時，在刀口下的砝碼托上加放砝碼，由于樣品受重力作用彎曲下垂，銅杠桿的一端隨刀口下移，杠桿另一端的霍爾元件在磁場中上移，旋轉(zhuǎn)讀數(shù)顯微鏡微調(diào)手輪，使視場內(nèi)十字叉絲和刀口上的基線重合時，微調(diào)手輪的讀數(shù)即為樣品在一定負(fù)重相下的弛垂度，數(shù)字電壓表顯示值即為霍爾位置傳感器在磁場中由縱向位移產(chǎn)生的霍爾電壓。

二、實驗中的問題

通過一個學(xué)期的實驗觀察，整理歸納出以下幾個問題：

1.實驗內(nèi)容之一是給霍爾位置傳感器定標(biāo)，即求霍爾位置傳感器的靈敏度。從學(xué)生的報告中看到，傳感器的靈敏度單位寫成[mv/mm·T]，說明學(xué)生把霍爾元件的靈敏度與霍爾位置傳感器的靈敏度混淆了。

2.由于實驗過程中學(xué)生們對霍爾位置傳感器在磁場中的中心位置及水平調(diào)節(jié)不夠理想，使霍爾位置傳感器輸出電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差很大。

3.測量時，是通過轉(zhuǎn)動顯微鏡微調(diào)手輪，使視場內(nèi)十字叉絲水平線與砝碼刀口上的基線重合后，從手輪讀出樣品受重力作用的弛垂度。由于砝碼刀口為黃銅制成，加上年久氧化變暗，使顯微鏡視場偏暗，十字叉絲在銅刀口的暗背景下很難辨別。

三、問題解決方案

1.霍爾元件的靈敏度與霍爾位置傳感器的靈敏度這兩個概念應(yīng)從理論上詳細(xì)講解。

（1）霍爾元件是一種半導(dǎo)體薄片，它是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁電變換元件。把一塊厚度為d、寬度為b的半導(dǎo)體薄片放在垂直于它的磁場B中（圖二B與Z軸同向），在X方向加控制電流I，若半導(dǎo)體內(nèi)的載流子電荷為q，平均遷移速度為v，則載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用，其大小為：[fB=qvB]

2.根據(jù)實驗原理，霍爾元件不僅要在磁場中間，而且還要讓磁力線垂直穿過其平面。由于霍爾元件很小，又在兩塊磁鐵的間隙當(dāng)中，從外面不容易觀察到，這也正是學(xué)生容易忽略的。再者課本上關(guān)于霍爾元件的調(diào)整不夠詳細(xì)，因此，從操作上要加強(qiáng)對霍爾元件的調(diào)整這一環(huán)節(jié)，并給出詳細(xì)的步驟：

（1）前后調(diào)整：首先要在磁鐵的正面和側(cè)面的中點做出標(biāo)記，調(diào)整杠桿刀口的位置，使裝有霍爾元件一端的桿臂長度正好伸到側(cè)面標(biāo)記處，再旋轉(zhuǎn)杠桿使霍爾元件與磁鐵平行被磁力線垂直穿過其表面，然后擰緊杠桿刀口頂部的螺絲。

（2）水平調(diào)節(jié)：調(diào)整杠桿另一頭圓柱形托尖的高度，使杠桿水平，托尖正好落在砝碼刀口頂部的小圓坑內(nèi)，并固緊托尖頂部的螺絲。

（3）左右調(diào)整：把杠桿刀口放在刀座上，使杠桿在磁鐵正面的中心位置。

（4）上下調(diào)整：旋轉(zhuǎn)磁鐵和套筒螺母，使磁鐵上下移動，當(dāng)數(shù)字電壓表接近零時，再調(diào)數(shù)字電壓表為零。

3.為了解決視場偏暗問題，可以用手機(jī)的電筒把砝碼刀口照亮，這樣顯微鏡視場不僅明亮，十字叉絲也很清晰。還可以使用手機(jī)或平板電腦的照相功能，將攝像頭對準(zhǔn)顯微鏡目鏡，手機(jī)屏幕出現(xiàn)放大的視場，而且視場清晰明亮（圖三），測量時直接觀看屏幕即可。由于顯微鏡只能個人觀察，老師在描述視場時學(xué)生沒有感性認(rèn)識，利用手機(jī)屏幕代替觀察顯微鏡，不僅減少學(xué)生視覺疲勞，更為教師在講解過程中起到了同步演示作用。

四、總結(jié)

通過對實驗過程的觀察，找出實驗中出現(xiàn)的問題，并針對問題特點，給出相應(yīng)的解決方法。這對教師來說，更加完善教學(xué)過程，對學(xué)生來說，彌補(bǔ)了他們知識上的不足和操作上的疏漏，鍛煉了他們的動手能力，引導(dǎo)他們將現(xiàn)代化通訊工具運用到實驗中。教與學(xué)本身就是相輔相成的，教師只有在教學(xué)中不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，才能教學(xué)相長，共同進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]袁文峰，王家政.物理量測量[M].北京：科學(xué)出版社，2018：49-51.

[2]林抒，龔鎮(zhèn)雄.普通物理實驗[M].北京：人民教育出版社，1981：276-277.

作者簡介

穆曉東（1967—），女，北京房山人，高級實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)與研究工作。

郝子文（1974—），男，山東淄博人，碩士，實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)與研究工作。