霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀的製作方法

2023-11-30 08:38:46

專利名稱：霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬物理實驗儀器技術領域，具體涉及一種微小位移量、薄片厚度的電測量實驗儀器。該實驗儀器也可用於工業中材料楊氏模量、熱膨張係數等非電量的測定。
背景技術：
固體材料的楊氏模量是固體材料基本物理性質之一，在工業中有著重要的應用。正因為如此，絕大多數理工農醫類高校均在基礎物理實驗中開設此實驗，並被列入全國各類學校物理實驗教學大綱中。以往大學物理實驗中楊氏模量測量實驗主要用讀數顯微鏡或光槓桿測量金屬材料伸長量或材料彎曲的應變量。該實驗技術存在著儀器體積龐大、實驗操作煩瑣及精度(精密度)差的問題，發明內容本實用新型的目的在於提出一種結構小巧、操作方便，而且靈敏度高、可靠性好的材料楊氏模量測定儀。
本實用新型設計的材料楊氏模量測定儀，由霍爾位置傳感器、槓桿系統、讀數顯微鏡和底盤平臺組成，其結構如圖1所示。其中，霍爾位置傳感器由兩塊外形、磁感應強度和極性相同的磁鐵平行放置構成，設於調節架6上，其N極與N極、S極與S極相對放置，其敏感元件採用線性型集成霍爾元件；槓桿系統由空心銅杆4、刀口支架11和帶尖端觸點的接觸柱12構成，刀口支架11作為空心銅杆4(槓桿)的支點，銅杆的長臂端面放置線性型集成霍爾元件，並伸入平行放置的兩塊磁鐵5中間，接觸柱12放置於空心銅杆4的另一端，其尖端向下，與待測量位移的位置坐標點接觸；讀數顯微鏡1架在旋轉式升降支架9上，並對準待測量的位置點；集成霍爾元件的三根引線從銅杆中心適當部位穿過並引出，分別接數字電錶和電源，構成測定電路；磁鐵的調節支架6、槓桿系統的刀口支架11、讀數顯微鏡的旋轉式支架9設置於可調節水平的底盤平臺10上。
由於本實用新型採用了霍爾位置傳感器技術，故也稱本裝置為霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀。
本實用新型主要用於彎曲法測量材料楊氏模量。先將待測材料製成薄形橫梁3，將橫梁3的兩端放於刀口支架2上，中間部位掛有帶刀口的法碼掛鈎13，法碼8可加於掛鈎13上，掛鈎上方的刀口基線(掛鈎上標出標準線)7對著讀數顯微鏡1，空心銅杆4外端部的接觸柱12的尖端與待測位置點接觸。當薄形橫梁3加碼受力彎曲時產生位移，通過本儀器即可測量出材料的楊氏模量。
本實用新型的電原理圖見圖2所示，其中，線性霍爾元件依次與調零放大電路、數字電壓表連接，電源分別向線性霍爾元件、調零和放大電路、數字電壓表提供電源。
為了提高儀器的穩定性和可靠性，上述電路中還可增加可調直流電源補償電路，具體見圖5所示。其中，集成霍爾元件的V+和V-端分別與直流電源的正、負極連接，可調直流補償電源負極與V-連接，集成霍爾元件的Vout端及補償電源的正極端分別與數字電壓表正、負輸入端相接。
本楊氏模量測定儀的工作原理如下當兩塊相同尺寸及相同磁感應強度的磁鐵按一定間距平行放置，且其同極性N極與N極或S極與S極相對安放在其中間部位，將產生零磁場。若霍爾元元件在該磁場中，其感應面與磁感應強度方向垂直，那麼有霍爾定律U＝KBI(1)(1)式中，I為通過霍爾元件的電流，B為磁感應強度，K為霍爾元件靈敏度，U為霍爾電勢差。
(1)式中，如果電勢差U對位移Z取微分，則可得U=KIBZZ---(2)]]>(2)式中，ΔU為電勢差改變量，ΔZ為沿磁場方向位移量， 為沿磁場方向的磁場梯度，若 為常量，且保持K和I為常量，那麼ΔU與ΔZ成正比。
本測定儀採用線性型高靈敏度集成霍爾元件，該元件內有放大電路(見圖3所示)，放大後靈敏度很高，可達5.0×102mv/mm，且又有電源補償電路(如圖5所示)。因而穩定性和可靠性很好。
本實驗裝置利用讀數顯微鏡對霍爾位置傳感器(其霍爾電勢差用數字電壓表測量)進行對比讀數定標，經測量出靈敏度的霍爾位置傳感器可用於測量其它固體材料的楊氏模量。
本實新用新型將霍爾位置傳感器技術應用於彎曲法測量固體材料楊氏模量裝置，以實現固體材料楊氏模量的非電量電測。使用本裝置測量微小位移量的靈敏度高、可靠性好、讀數方便，因而非常適合推廣於高校基礎物理實驗及其它領域物理實驗測量部門。本儀器的特點是當處於均勻梯度磁場中的高靈敏度集成線性霍爾傳感器，具有微小位置變化時，將引起較大的霍爾電勢差的變化，而較強的均勻梯度磁場和高靈敏度集成線性霍爾傳感器在當今技術中是可實現的。從教學實驗的需要出發，本霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀對原有的彎曲法測楊氏模量裝置進行了改進，保留原實驗中基本實驗方法和內容，又增加霍爾位置傳感器的定標及用霍爾位置傳感器測楊氏模量實驗內容，使教學物理實驗儀器現代化。


圖1為本楊氏模量測定儀結構圖示。
圖2為本楊氏模量測定儀電原理圖示。
圖3為線性集成霍爾元件內部的線路圖。
圖4為線性集成霍爾元件外型及引線腳圖示。
圖5為數字電壓表與可調電源補償電路圖。
圖中標號1為讀數顯微鏡，2為橫梁(樣品)的刀口支架，3為橫梁(樣品)，4為空心銅槓桿，5為平行設置的2塊磁鐵，6為磁鐵調節架，7為法碼掛鈎上的基線，8為砝碼，9為讀數顯微鏡支架，10為底盤平臺，11為銅杆的刀口支架，12為帶尖端觸點的接觸柱，13為法碼掛鈎。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例進一步描述本實用新型。兩塊磁鐵5的磁感應強度為70毫特斯拉，平行設置距離為20mm，固定安裝於調節架6上，槓桿系統中的空心銅杆4的直徑為8mm，長度為120mm，其短臂長度為50mm，線性集成霍爾元件置於槓桿的長臂端面上，並伸入平行磁鐵中間，霍爾元件的3根引線穿過銅杆中心孔並引出，接入測定電路。槓桿的短臂端點設置錐形金屬接觸柱12，錐形尖端與橫梁3(樣品)中間的法碼掛鈎(與梁接觸處為刀口)相接觸，槓桿4的支點為刀口(即刀口支架)。電路中設置可調電源補償電路，具體見圖5所示。集成霍爾元件內部的電路見圖3所示，霍爾元件的引腳結構如圖4所示。按圖1所示安裝，並對讀數進行定標。
本測定儀測量位移量範圍為0-2mm，此長度對槓桿短臂長度50mm相比極小，槓桿在此範圍內轉動角度極小。因而在2mm位移範圍內，可以認為霍爾元件是較嚴格沿磁感應強度B的方向移動。試驗結果也證明在0-2mm的位移範圍內，測量ΔU～ΔZ關係曲線，其線性度達0.9999以上。
本霍爾位置傳感器的電壓檢測儀表可採用三位半數字電壓表，量程0-2V，分辨為1mV。另外，線性型集成霍爾元件在零磁場(OT)時輸出電壓為2.500V，除檢測電壓的電壓表外，儀器還配置2.000V-3.000V補償直流電源一個，採用可調電壓直流補償電源電壓後，可保證霍爾元件在B＝0T時，輸出電壓為0V。本測定儀靈敏度大於2.96×102mV/mm，能檢測出3.4×10-9mm變化。
本楊氏模量測定儀是一種彎曲法測量固體材料楊氏模量的裝置，測量時，製作樣品橫梁3，其長26cm，厚2.3cm，支撐梁的兩刀口支架間距為23.0cm，在梁中間加10g砝碼就能產生0.12mm的位移量。而用原彎曲法測定楊氏模量時，在加0.5kg-1.0kg法碼後才能在梁中間位置產生相似的應變量，與原方法相比，本裝置安全可靠，且方便得多。
本楊氏模量測定儀可以做三個實驗1、霍爾位置傳感器的定標，測量其靈敏度；2、用讀數顯微鏡測定銅樣品的楊氏模量；3、用已知靈敏度的霍爾位置傳感器測量固體材料的楊氏模量(例如可鍛鑄鐵等)。
權利要求1.一種霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀，由霍爾位置傳感器、槓桿系統、讀數顯微鏡和底盤平臺組成，其特徵在於霍爾位置傳感器由兩塊外形、磁感應強度和極性相同的磁鐵平行放置構成，設於調節架(6)上，其N極與N極、S極與S極相對放置，其敏感元件採用線性型集成霍爾元件；槓桿系統由空心銅杆(4)、刀口支架(11)和帶尖端觸點的接觸柱(12)組成，刀口支架(11)作為空心銅杆(4)的支點，銅杆的長臂端面放置有線性型集成霍爾元件，並伸入平行放置的兩塊磁鐵(5)中間，接觸柱(12)放置於空心銅杆(4)的另一端，其尖端向下，與待測量位移或位置坐標點接觸；讀數顯微鏡(1)架在旋轉式升降支架(9)上，並對準待測量的位置點；集成霍爾元件的三根引線從銅杆中心適當部位穿過並引出，分別接數字電錶和電源，構成測定電路；磁鐵的調節支架(6)、槓桿系統的刀口支架(11)、讀數顯微鏡的旋轉式支架(9)設置於可調節水平的底盤平臺(10)上。
2.根據權利要求1所述的楊氏模量測定儀，其特徵在於在測定電路中還增加有可調直流電源補償電路，其中集成霍爾元件的V+和V-端分別與直流電源的正、負極連接，可調直流補償電源負極與V-連接，集成霍爾元件的Vout端及補償電源的正極端分別與數字電壓表正、負輸入端相接。
專利摘要本實用新型為一種霍爾位置傳感器楊氏模量測定儀，由霍爾位置傳感器、槓桿系統、讀數顯微鏡和底盤平臺組成，本裝置將霍爾位置傳感器技術應用於彎曲法測量固體材料楊氏模量裝置，以實現固體材料楊氏模量的非電量電測。應用本裝置測量微小位移量的靈敏度高、可靠性好、讀數方便，因而非常適合推廣至高校基礎物理實驗及其它領域物理實驗測量部門。
文檔編號G01B11/00GK2627493SQ03255968
公開日2004年7月21日 申請日期2003年7月25日 優先權日2003年7月25日
發明者葉春暉, 孫寶剛, 陸申龍 申請人:上海復旦天欣科教儀器有限公司