霍尔位置传感器测杨氏模量
用霍尔位置传感器测杨氏模量
大学物理实验 物理实验中心 第6实验室
指导教师 曾灏宪 中原工学院 理学院 物理实验中心
前言
? 在弹性线性范围内, 固体材料正应力同应变之比值称为纵 向弹性模量或杨氏模量它是量度固体材料受力时变形大小 的重要物理量, 它反映了固体材料的刚度, 是选定机械构件 材质的依据之一
?
dB
? UH
?Hale Waihona Puke K?I? dZ
?? Z
dB
? 若 dZ为常数时， 与成? U H正比。测 ? Z与?UH的比值即定标。在
均匀梯度的磁场中，霍尔电压与位移量之间存在一一对应关系 , 当位
移量较小（小于2mm）, 这一对应关系具有良好的线性。
4、实验装置
? 本仪器是在梁的弯曲法测量装置基础上加装霍尔位置传感 器而成。如图，横梁架在刀刃上，在梁上有个金属框上可 以挂砝码，在磁铁装置与横梁之间有一个杠杆支点，杠杆 的一端放在横梁上，一端是霍尔探头置于磁场中，霍尔探 头和毫伏表相连。
测黄铜样品的杨氏模量和霍耳位置传感器的定标
M/g
0
10
20
30
40
50
60
70
Z/mm U/mv
2用霍尔位置传感器测铸铁的杨氏模量
M/g
0
10
20
30
40
50
60
70
U/mm
【数据处理】
? a）用逐差法按公式进行计算,求得黄铜材料的杨氏模量。 ? b) 求出霍尔位置传感器的灵敏度K。 ? c）用求铸铁的位移 ，与杨氏模量。 ? d）把测量结果与公认值进行比较。
【注意事项】
? 1.用千分尺测量待测样品厚度必须在不同位置多点测量取 平均值，因黄铜比钢软，旋转千分尺时用力适量，不宜过 猛。
FD-HY-I型霍尔位置传感器法杨氏模量测定仪
霍耳位置传感器法测杨氏模量一、实验目的1．了解和掌握微小位移量的非电量电测方法。
2．弯曲法测黄铜的杨氏模量。
3．对霍耳传感器进行定标,测量可锻铸铁的杨氏模量。
二、实验仪器FD-HY-I 型霍耳位置传感器测杨氏模量装置，霍耳位置传感器输出信号测量仪。
三、实验原理1．霍耳元件置于磁感应强度为B 的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流I ，则与这二者垂直的方向上将产生霍耳电势差H U ：IB K U H 0= （1）上式中0K 为霍耳元件的灵敏度。
如果保持霍耳元件的电流I 不变，而使其在一个均匀梯度的磁场中移动时，则输出的霍耳电势差变化量为：Z dZ dBIK U H ∆=∆0 （2） 上式中Z ∆为位移量，此式说明若dZdB为常数时，U ∆与Z ∆成正比。
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N 极与N 极相对，两磁铁之间留一等间距间隙，霍耳元件平行于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耳元件，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，霍耳元件处于该处时，输出的霍耳电势差应该为零。
当霍耳元件偏离中心沿Z 轴发生位移时，由于磁感应强度不再为零，霍耳元件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。
由此可以将霍耳电势差为零的元件所处的位置作为位移参考零点0Z 。
霍耳电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移较小（< 2mm ），这一一对应关系具有良好的线性(即Z K U ∆⋅=,)0Z Z Z i -=∆)。
2．在横梁弯曲的情况下，杨氏模量E 可以用下式表示：Zb a Mgd E ∆334= （3）其中：d 为两刀口之间的距离；M 为所加砝码的质量；a 为梁的厚度；b 为梁的宽度；Z ∆为梁中心由于外力作用而下降的距离；g 为重力加速度。
用霍尔位置传感器测杨氏模量
用霍尔位置传感器测杨氏模量用霍尔位置传感器测量材料的杨氏模量利用霍尔位置传感器和弯曲法测量杨氏模量实验数据杨氏模量测量实验报告随着科技进步的蓬勃发展，微位移测量这一核心技术也日趋先进。
本次测试揭示了业界近年开发的先进霍尔位置传感器。
它通过电磁铁和集成霍尔元件之间不断变化的负载信号来测量微小的偏转。
这种控制技术主要用于杨氏弯曲法。
杨氏模量测试。
在此实验室报告中，模具的杨氏模量是使用霍尔位置传感器测量的。
合金铸铁的杨氏模量采用弯曲法测定。
除了测量铜的杨氏模量外，还要校准霍尔位置传感器以解决其精度问题。
利用霍尔位置传感器测量铁的杨氏模量等。
利用实验可以使学生增强对霍尔传感器基本原理的广泛应用、科学院新型传感器的标定、以及不同长度值的测量方法。
传感器法测量位移有什么优点霍尔位置传感器和弯曲法测量杨氏模量实验数据弯曲法测量杨氏模量实验中的主要测量值有哪些。
请计算每个环境因素的不确定性。
传感器测量位移的方法有什么特点？建议】使用千分尺时，2.使用高度计光学测量重物刀口架基线位置时，刀口架不能晃动。
4.使用霍尔位置霍尔传感器及弯曲法杨氏模量测量实验报告方法本实验在弯曲法良好基础上安装霍尔位置测量杨氏模量液态金属材料的模量。
传感器。
通过对霍尔位置传感器的输入阻抗与位移的微分关系的标定和微小位移的测量，使学生了解和掌握微小位移的非电测量新方法。
微位移测量技术也得到快速发展霍尔位置传感器标定及弯曲法测量杨氏模量误差分析SUES大学物理选修实验讲座笔记磁弯曲法测量杨氏模量及霍尔位置传感器校准随着科技进步的蓬勃发展，微挠度测量的电子技术也给经济带来了飞速的发展。
本科学实验介绍了近年来出现的新型先进霍尔位置传感器，利用负载的回波来测量电磁铁与霍尔传感器之间位置变化的微小偏移量。
该科学实验结合了电子技术测量金属梁的微小位移、霍尔位置传感器的校准和弯曲法测量铝的杨氏模量。
通过实验报告，小学生可以加深对霍尔传感器广泛应用的认识，学习新型传感器的标定、不同取值宽度的测量和不同宽度测量设备的采用。
实验6霍尔传感器的测杨氏模量
实验6 霍尔传感器测杨氏模量杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，在工程上作为选择材料的依据之一，是工程技术中常用的参数。
利用霍尔位置传感器测量微小位移，可以改进传统粱弯曲法实验中的测量方法，使古老的实验又增添新的技术内容。
而霍尔元件及集成霍尔传感器具有尺寸小、外围电路简单、频响宽、使用寿命长，特别是抗干扰能力强等特点，近年来被广泛应用于物理量的测量、自动控制及信息处理等领域。
【实验目的】1．了解霍尔位置传感器的结构原理、特性及使用方法。
2．学习掌握粱弯曲法测量金属板的杨氏弹性模量。
3．学会确定灵敏度的方法，并确定仪器的灵敏度。
4．掌握逐差法处理数据。
【实验仪器】霍尔位置传感器、霍尔位置传感器输出信号测量仪、游标卡尺、螺旋测微器。
【实验原理】霍尔传感器置于磁感应强度为B 的磁场中，在垂直于磁场的方向通入电流I ，则会产生霍尔效应，即在与这二者相互垂直的方向上将产生霍尔电势：IB K U H H = (5.2.1)其中H K 为霍尔传感器的灵敏度，单位为T mA mV ⋅。
如果保持通入霍尔元件的电流I 不变，而使其在一均匀梯度的磁场中移动，则输出的霍尔电势的变化量为：z dzdBIK U H H ∆=∆ (5.2.2) 其中：z ∆为位移量；dzdB为磁感应强度B 沿位移方向的梯度，为常数。
为了实现上述均匀梯度磁场，选用两块相同的磁铁。
磁铁平行相对而放，即N 极相对放置。
两磁铁之间的空隙内放入霍尔元件，并使此元件平行于磁铁，且与两磁铁的间距相等，即霍尔元件放置两磁铁空隙的中心，如图6.1所示。
若间隙中心截面的中心点A 的磁感应强度为零，霍尔元件处于该处时输出的霍尔电势应为零。
当霍尔元件偏离中心沿Z 轴发生位移，由于磁感应强度不再为零，霍尔元件也就有相应电势输出，其大小可由数字电压表读出。
一般地，将霍尔电势为零时元件所处的位置作为位移参考点。
霍尔电势与位移量之间存在一一对应的关系，当位移量较小时（小于2mm ），对应关系具有良好的线性，如图6.2所示。
霍尔位置传感器测杨氏模量
U H K I dB Z dZ
（2）
（2）式中 Z 为位移量，此式说明若
dB 为常数时, U H 与 Z 成正比 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N极与N极相对，两磁铁之 间留一等间距间隙，霍尔元件平行于磁铁放在 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。
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 Y 可以用下式表示： d 3 Mg Y 3 (3) 4a b Z 其中：d为两刀口之间的距离，M为所加砝码的质量，a为梁的厚度，b为梁的 Z 为梁中心由于外力作用而下降的距离，g为重力加速度。 宽度， 1.铜刀口上的基线 2.读数显微镜 3.刀口 4.横梁 5.铜杠杆（顶端装有型集 成霍尔传感器） 6.磁铁盒 7.磁铁（极相对放置） 8.调节架 9砝码盘
【数据处理】
用作图法和最小二乘法求k， 计算铜和铸铁的杨氏模量。
【思考题】
1. 弯曲法测量杨氏模量实验，主要测量误差有哪些？ 2. 用霍尔位置传感器法测量位移有什么优点？
注意事项
1．梁的厚度必须测准确。在用千分尺测量黄铜厚度a时，将千分 尺旋转时，当将要与金属接触时，必须用微调轮。当听到答答答 三声时，停止旋转。有个别学生实验误差较大，其原因是千分尺 使用不当，将黄铜梁厚度测得偏小； 2．读数显微镜的准丝对准铜挂件（有刀口）的标志刻度线时，注 意要区别是黄铜梁的边沿，还是标志线； 3．霍尔位置传感器定标前，应先将霍尔传感器调整到零输出位置， 这时可调节电磁铁盒下的升降杆上的旋钮，达到零输出的目的， 另外，应使霍尔位置传感器的探头处于两块磁铁的正中间稍偏下 的位置，这样测量数据更可靠一些； 4．加砝码时，应该轻拿轻放，尽量减小砝码架的晃动，这样可以 使电压值在较短的时间内达到稳定值，节省了实验时间； 5．实验开始前，必须检查横梁是否有弯曲，如有，应矫正。
实验十七用霍尔位置传感器测量横梁杨氏模量
实验十七 用霍尔位置传感器测量杨氏模量一．实验目的1．学习用霍尔位置传感器测微小位移的方法.2．掌握用横梁弯曲法测定材料的杨氏模量。
二．实验仪器霍尔位置传感器测定杨氏模量实验仪(如下图)1．读数显微镜；2．横梁；3．刀口；4．砝码；5．有机玻璃盒(内装磁铁)；6．磁铁(两块)；7．三维调节架；8．铜杠杆(杠杆顶端贴有霍尔传感器)；9．铜刀口上刻度线三．实验原理1．横梁弯曲法测杨氏模量．一根长为L 、横截面为矩形的均匀梁水平对称地放置在相距为d 的两刀口上，一质量为M 的负载挂在梁的中心，梁发生弯曲，即自由端上升，梁的中心下垂，如下图所示。
梁的中心下垂距离ΔX 可由公式ΔX=Mgd 3/4a 3bE决定。
其中，a 为梁的厚度，b 为梁的宽度，E 为杨氏模量： 且当支点接近梁的端点时，d 可换为横梁长度。
A A x对上式变形得：E=Mgd3/4a3bΔX只要确定等式右方各相关量的量值，就可计算出E的值。
2．霍尔式微量位移传感器原理简介由霍尔效应可知，当激励电流恒定时，霍尔电压V H与磁感应强度B成正比，若磁感应强度B是位置X的函数，则霍尔电压的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。
当霍尔元件在磁场中移动时，其输出的霍尔电压V H的变化就反映了霍尔元件的位移量ΔX。
霍尔式微量位移传感器的灵敏度高，但它能检测的位移量较小，适合于微小位移量及机械振动的测量：还可进行压力或压差、加速度的测量。
四．实验内容及步骤1．按图调节仪器，并连线。
2．对霍尔传感器输出电压U定标。
仪器调节好后，逐一加上砝码(20g/次)使梁弯曲产生位移ΔX，精确测量传感器信号端输出电压U与位置X的关系(X为读数显微镜的读数)，至少记录6个点。
可以看到，U—X有着良好的线性关系。
仔细取放砝码，注意不要使中间刀口移位，这通常是主要的误差来源．2．测量黄铜或可锻铸铁的杨氏模量，并与标准值比较求相对误差。
ΔX要求用逐差法处理：d用米尺测量，b用游标卡尺测量，a用千分尺测量。
霍尔位置传感器法杨氏模量的测定
霍尔位置传感器法杨氏模量的测定1．拉伸法测量杨氏模量
◆原理：本实验采用光杠杆放大法进行测量。
弹性杨氏模量是反映材料形变与内应力关系的物理量，实验表明，在弹性范围内，正应力（单位横截面积上垂直作用力与横截面积之比，）与线应变（物体的相对伸长）成正比，即
这个规律称为虎克定律。
式中的比例系数称为杨氏模量，单位N/m2。
◆提问：一个不规则形状的刚性材料，应该如何测量其杨氏模量？
◆提问：拉伸法测量杨氏模量，除了用光杠杆法测量钢丝的微小伸长量之外，还需要什么测量工具？
◆公式：，式中叫做光杠杆的放大倍数。
2．测量圆环的转动惯量
◆结构：三线摆是上、下两个匀质圆盘，通过三条等长的摆线（摆线为不易拉伸的细线）连接而成。
◆原理：三线摆的摆动周期与摆盘的转动惯量有一定关系，所以把待测样品放在摆盘上后，三线摆系统的摆动周期就要相应地随之改变。
这样，根据摆动周期、摆盘质量以及有关的参量，就能求出摆动系统的转动惯量。
◆公式：
◆学生在实验过程中容易出现的问题：
1．三线摆、扭摆没有调水平；
2．测量转动惯量时摆角大于5度；
3．光电门的摆放位置不是在三线摆、扭摆的摆动时平衡位置附近；
4．在拉伸法测量杨氏模量实验中，学生误将望远镜的读数看成是钢丝的伸长量。
用霍尔位置传感器测杨氏模量
【实验难点】
读数显微镜测杨氏模量与霍尔位置传感器定标的关系。 读数显微镜测杨氏模量与霍尔位置传感器定标的关系。
【实验原理】
1、杨氏模量 人们在研究材料的弹性性质时，提出了应力F/S（ 人们在研究材料的弹性性质时，提出了应力 （即力与力所作用的 面积之比）和应变△ （ 面积之比）和应变△L/L（即长度或尺寸的变化与原来的长度或尺寸 之比）的概念。在胡克定律成立的范围内， 之比）的概念。在胡克定律成立的范围内，应力和应变之比是一个常 数，即 E被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理 被称为材料的杨氏模量， 被称为材料的杨氏模量 仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关。 量，仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关。某种材料发 生一定应变所需要的力大，该材料的杨氏模量也就大。 生一定应变所需要的力大，该材料的杨氏模量也就大。杨氏模量的大 小标志了材料的刚性。 小标志了材料的刚性。
预习思考题
1、 N、N极相对的空间磁场是匀强磁场吗？ 、 、 极相对的空间磁场是匀强磁场吗 极相对的空间磁场是匀强磁场吗？ 2、横梁与探头用杠杆联系，杠杆两背不等对实验有没影响？ 、横梁与探头用杠杆联系，杠杆两背不等对实验有没影响？
实验总结
写出你的体会，对实验的误差分析或你有什么收获， 写出你的体会，对实验的误差分析或你有什么收获，也可 以提出你对实验的建议等。 以提出你对实验的建议等。
dB 为常数时， 正比。 的比值即定标。 若 dZ 为常数时， 与成 ∆U H正比。测 ∆ Z与 ∆UH的比值即定标。在
均匀梯度的磁场中，霍尔电压与位移量之间存在一一对应关系 均匀梯度的磁场中，霍尔电压与位移量之间存在一一对应关系, 当位 移量较小（小于 移量较小（小于2mm）, 这一对应关系具有良好的线性。 ） 这一对应关系具有良好的线性。
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流 则与这二者相垂直的方向上将产生霍尔电U势H 差
UH K I B
（1）
（1）式中K 为元件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流I, 不变，
而使其在一个均匀梯度的磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为：
dB
U H
KI dZ
Z
（2）
（2）式中Z为位移量，此式说明若
dB dZ
为常数时,
U H与 Z
计算铜和铸铁的杨氏模量。
【思考题】
1. 弯曲法测量杨氏模量实验，主要测量误差有哪些？ 2. 用霍尔位置传感器法测量位移有什么优点？
注意事项
1．梁的厚度必须测准确。在用千分尺测量黄铜厚度a时，将千分 尺旋转时，当将要与金属接触时，必须用微调轮。当听到答答答 三声时，停止旋转。有个别学生实验误差较大，其原因是千分尺 使用不当，将黄铜梁厚度测得偏小；
成正比
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N极与N极相对，两磁铁之
间留一等间距间隙，霍尔元件平行于磁铁放在
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
【实验内容】
1.传感器定标(测量k ) 用铜板做实验样品，逐次增加砝码M，（每次增加20g砝码），从读数显微
镜计上算读杨出氏相模应量的和梁对的霍位耳置位置Zi及传数感字器电进压行表定相标应。的将读测数量值数U据i（记单录位在m如v下)，表以格便中于
砝码（g）
0
20
40
60
80
100
Vi（mm）
量精确度。
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 Y
可以用下式表示：
d 3 Mg
Y 4a3 b Z
(3)
其中：d为两刀口之间的距离，M为所加砝码的质量，a为梁的厚度，b为梁的 宽度，Z为梁中心由于外力作用而下降的距离，g为重力加速度。
1.铜刀口上的基线 2.读数显微镜 3.刀口 4.横梁 5.铜杠杆（顶端装有型集
Z
（mv）
i
2.测量铜和铸铁的杨氏模量，逐次增加砝码M，（每次增加20g砝码），读出 相的应表的格数中字电压表相应的读数值Ui（单位mv)，将铸铁的测量数据记录在如下
砝码（g）
0
20
40
60
80
100
Vi（mv）
3.测量横梁两刀口间的长度d及测量不同位置横梁宽度b和横梁厚度a 。
【数据处理】
用作图法和最小二乘法求k，
成霍尔传感器） 6.磁铁盒 7.磁铁（极相对放置） 8.调节架 9砝码盘
【实验步骤】
1．调节底座箱上的水平螺丝旋，将实验装置调节水平。 2．将横梁穿在砝码铜刀口内，安放在两立柱刀口的正中央位置。
接着装上铜杠杆，将有传感器一端插入两立柱刀口中间，该杠杆 中间的铜刀口放在刀座上。圆柱型拖尖应在砝码刀口的小圆洞内， 传感器若不在磁铁中间，可以松弛固定螺丝使磁铁上下移动，或 者用调节架上的套筒螺母旋动使磁铁上下微动，再固定之。注意 杠杆上霍尔传感器的水平位置（圆柱体有固定螺丝）。 3．将铜杠杆上的三眼插座插在立柱的三眼插针上，用仪器电缆一 端连接测量仪器，另一端插在立柱另外三眼插针上；接通电源， 调节磁铁或仪器上调零电位器使在初始负载的条件下仪器指示处 于零值。大约预热十分钟左右，指示值即可稳定。 4．调节读数显微镜目镜，直到眼睛观察镜内的十字线和数字清晰， 然后移动读数显微镜使通过其能够清楚看到铜刀口上的基线，再 转动读数旋纽使刀口点的基线与读数显微镜内十字刻线吻合。
4．加砝码时，应该轻拿轻放，尽量减小砝码架的晃动，这样可以 使电压值在较短的时间内达到稳定值，节省了实验时间；
5．实验开始前，必须检查横梁是否有弯曲，如有，应矫正。
霍尔位置传感器测 杨氏模量
【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。
【实验装置】
1．霍尔位置传感器测杨氏模量装置一台
（1）读数显微镜
型号
JC 10 型
放大倍数
20
分度值
2．读数显微镜的准丝对准铜挂件（有刀口）的标志刻度线时，注 意要区别是黄铜梁的边沿，还是标志线；
3．霍尔位置传感器定标前，应先将霍尔传感器调整到零输出位置， 这时可调节电磁铁盒下的升降杆上的旋钮，达到零输出的目的， 另外，应使霍尔位置传感器的探头处于两块磁铁的正中间稍偏下 的位置，这样测量数据更可靠一些；
0.01mm
8块、 20.0g 2块
（3）95型集成霍尔位置传感器
（4）样品（铜板和冷扎板）
2．霍尔位置传感器输出信号测量仪（放大倍数3---5倍）一台 （包括直流数字电压表）。
【实验原理】
I
1.霍尔位置传感器
霍尔元件置于磁感应强度为B 的磁场中，在垂直于磁场方向通以电 I