專利名稱：霍爾位置傳感器楊氏模量測(cè)定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬物理實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微小位移量、薄片厚度的電測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器。該實(shí)驗(yàn)儀器也可用于工業(yè)中材料楊氏模量、熱膨張系數(shù)等非電量的測(cè)定。
背景技術(shù)：
固體材料的楊氏模量是固體材料基本物理性質(zhì)之一，在工業(yè)中有著重要的應(yīng)用。正因?yàn)槿绱?，絕大多數(shù)理工農(nóng)醫(yī)類高校均在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)此實(shí)驗(yàn)，并被列入全國(guó)各類學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中。以往大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中楊氏模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)主要用讀數(shù)顯微鏡或光杠桿測(cè)量金屬材料伸長(zhǎng)量或材料彎曲的應(yīng)變量。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在著儀器體積龐大、實(shí)驗(yàn)操作煩瑣及精度(精密度)差的問(wèn)題，發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)小巧、操作方便，而且靈敏度高、可靠性好的材料楊氏模量測(cè)定儀。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的材料楊氏模量測(cè)定儀，由霍爾位置傳感器、杠桿系統(tǒng)、讀數(shù)顯微鏡和底盤(pán)平臺(tái)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，霍爾位置傳感器由兩塊外形、磁感應(yīng)強(qiáng)度和極性相同的磁鐵平行放置構(gòu)成，設(shè)于調(diào)節(jié)架6上，其N極與N極、S極與S極相對(duì)放置，其敏感元件采用線性型集成霍爾元件；杠桿系統(tǒng)由空心銅桿4、刀口支架11和帶尖端觸點(diǎn)的接觸柱12構(gòu)成，刀口支架11作為空心銅桿4(杠桿)的支點(diǎn)，銅桿的長(zhǎng)臂端面放置線性型集成霍爾元件，并伸入平行放置的兩塊磁鐵5中間，接觸柱12放置于空心銅桿4的另一端，其尖端向下，與待測(cè)量位移的位置坐標(biāo)點(diǎn)接觸；讀數(shù)顯微鏡1架在旋轉(zhuǎn)式升降支架9上，并對(duì)準(zhǔn)待測(cè)量的位置點(diǎn)；集成霍爾元件的三根引線從銅桿中心適當(dāng)部位穿過(guò)并引出，分別接數(shù)字電表和電源，構(gòu)成測(cè)定電路；磁鐵的調(diào)節(jié)支架6、杠桿系統(tǒng)的刀口支架11、讀數(shù)顯微鏡的旋轉(zhuǎn)式支架9設(shè)置于可調(diào)節(jié)水平的底盤(pán)平臺(tái)10上。
由于本實(shí)用新型采用了霍爾位置傳感器技術(shù)，故也稱本裝置為霍爾位置傳感器楊氏模量測(cè)定儀。
本實(shí)用新型主要用于彎曲法測(cè)量材料楊氏模量。先將待測(cè)材料制成薄形橫梁3，將橫梁3的兩端放于刀口支架2上，中間部位掛有帶刀口的法碼掛鉤13，法碼8可加于掛鉤13上，掛鉤上方的刀口基線(掛鉤上標(biāo)出標(biāo)準(zhǔn)線)7對(duì)著讀數(shù)顯微鏡1，空心銅桿4外端部的接觸柱12的尖端與待測(cè)位置點(diǎn)接觸。當(dāng)薄形橫梁3加碼受力彎曲時(shí)產(chǎn)生位移，通過(guò)本儀器即可測(cè)量出材料的楊氏模量。
本實(shí)用新型的電原理圖見(jiàn)圖2所示，其中，線性霍爾元件依次與調(diào)零放大電路、數(shù)字電壓表連接，電源分別向線性霍爾元件、調(diào)零和放大電路、數(shù)字電壓表提供電源。
為了提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性，上述電路中還可增加可調(diào)直流電源補(bǔ)償電路，具體見(jiàn)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(fù)極連接，可調(diào)直流補(bǔ)償電源負(fù)極與V-連接，集成霍爾元件的Vout端及補(bǔ)償電源的正極端分別與數(shù)字電壓表正、負(fù)輸入端相接。
本楊氏模量測(cè)定儀的工作原理如下當(dāng)兩塊相同尺寸及相同磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)安放在其中間部位，將產(chǎn)生零磁場(chǎng)。若霍爾元元件在該磁場(chǎng)中，其感應(yīng)面與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，那么有霍爾定律U＝KBI(1)(1)式中，I為通過(guò)霍爾元件的電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，K為霍爾元件靈敏度，U為霍爾電勢(shì)差。
(1)式中，如果電勢(shì)差U對(duì)位移Z取微分，則可得ΔU=KIΔBΔZ·ΔZ---(2)]]>(2)式中，ΔU為電勢(shì)差改變量，ΔZ為沿磁場(chǎng)方向位移量， 為沿磁場(chǎng)方向的磁場(chǎng)梯度，若 為常量，且保持K和I為常量，那么ΔU與ΔZ成正比。
本測(cè)定儀采用線性型高靈敏度集成霍爾元件，該元件內(nèi)有放大電路(見(jiàn)圖3所示)，放大后靈敏度很高，可達(dá)5.0×102mv/mm，且又有電源補(bǔ)償電路(如圖5所示)。因而穩(wěn)定性和可靠性很好。
本實(shí)驗(yàn)裝置利用讀數(shù)顯微鏡對(duì)霍爾位置傳感器(其霍爾電勢(shì)差用數(shù)字電壓表測(cè)量)進(jìn)行對(duì)比讀數(shù)定標(biāo)，經(jīng)測(cè)量出靈敏度的霍爾位置傳感器可用于測(cè)量其它固體材料的楊氏模量。
本實(shí)新用新型將霍爾位置傳感器技術(shù)應(yīng)用于彎曲法測(cè)量固體材料楊氏模量裝置，以實(shí)現(xiàn)固體材料楊氏模量的非電量電測(cè)。使用本裝置測(cè)量微小位移量的靈敏度高、可靠性好、讀數(shù)方便，因而非常適合推廣于高?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及其它領(lǐng)域物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量部門(mén)。本儀器的特點(diǎn)是當(dāng)處于均勻梯度磁場(chǎng)中的高靈敏度集成線性霍爾傳感器，具有微小位置變化時(shí)，將引起較大的霍爾電勢(shì)差的變化，而較強(qiáng)的均勻梯度磁場(chǎng)和高靈敏度集成線性霍爾傳感器在當(dāng)今技術(shù)中是可實(shí)現(xiàn)的。從教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要出發(fā)，本霍爾位置傳感器楊氏模量測(cè)定儀對(duì)原有的彎曲法測(cè)楊氏模量裝置進(jìn)行了改進(jìn)，保留原實(shí)驗(yàn)中基本實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容，又增加霍爾位置傳感器的定標(biāo)及用霍爾位置傳感器測(cè)楊氏模量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器現(xiàn)代化。


圖1為本楊氏模量測(cè)定儀結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為本楊氏模量測(cè)定儀電原理圖示。
圖3為線性集成霍爾元件內(nèi)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(shù)字電壓表與可調(diào)電源補(bǔ)償電路圖。
圖中標(biāo)號(hào)1為讀數(shù)顯微鏡，2為橫梁(樣品)的刀口支架，3為橫梁(樣品)，4為空心銅杠桿，5為平行設(shè)置的2塊磁鐵，6為磁鐵調(diào)節(jié)架，7為法碼掛鉤上的基線，8為砝碼，9為讀數(shù)顯微鏡支架，10為底盤(pán)平臺(tái)，11為銅桿的刀口支架，12為帶尖端觸點(diǎn)的接觸柱，13為法碼掛鉤。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型。兩塊磁鐵5的磁感應(yīng)強(qiáng)度為70毫特斯拉，平行設(shè)置距離為20mm，固定安裝于調(diào)節(jié)架6上，杠桿系統(tǒng)中的空心銅桿4的直徑為8mm，長(zhǎng)度為120mm，其短臂長(zhǎng)度為50mm，線性集成霍爾元件置于杠桿的長(zhǎng)臂端面上，并伸入平行磁鐵中間，霍爾元件的3根引線穿過(guò)銅桿中心孔并引出，接入測(cè)定電路。杠桿的短臂端點(diǎn)設(shè)置錐形金屬接觸柱12，錐形尖端與橫梁3(樣品)中間的法碼掛鉤(與梁接觸處為刀口)相接觸，杠桿4的支點(diǎn)為刀口(即刀口支架)。電路中設(shè)置可調(diào)電源補(bǔ)償電路，具體見(jiàn)圖5所示。集成霍爾元件內(nèi)部的電路見(jiàn)圖3所示，霍爾元件的引腳結(jié)構(gòu)如圖4所示。按圖1所示安裝，并對(duì)讀數(shù)進(jìn)行定標(biāo)。
本測(cè)定儀測(cè)量位移量范圍為0-2mm，此長(zhǎng)度對(duì)杠桿短臂長(zhǎng)度50mm相比極小，杠桿在此范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)角度極小。因而在2mm位移范圍內(nèi)，可以認(rèn)為霍爾元件是較嚴(yán)格沿磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向移動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果也證明在0-2mm的位移范圍內(nèi)，測(cè)量ΔU～ΔZ關(guān)系曲線，其線性度達(dá)0.9999以上。
本霍爾位置傳感器的電壓檢測(cè)儀表可采用三位半數(shù)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(chǎng)(OT)時(shí)輸出電壓為2.500V，除檢測(cè)電壓的電壓表外，儀器還配置2.000V-3.000V補(bǔ)償直流電源一個(gè)，采用可調(diào)電壓直流補(bǔ)償電源電壓后，可保證霍爾元件在B＝0T時(shí)，輸出電壓為0V。本測(cè)定儀靈敏度大于2.96×102mV/mm，能檢測(cè)出3.4×10-9mm變化。
本楊氏模量測(cè)定儀是一種彎曲法測(cè)量固體材料楊氏模量的裝置，測(cè)量時(shí)，制作樣品橫梁3，其長(zhǎng)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(chǎn)生0.12mm的位移量。而用原彎曲法測(cè)定楊氏模量時(shí)，在加0.5kg-1.0kg法碼后才能在梁中間位置產(chǎn)生相似的應(yīng)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(cè)定儀可以做三個(gè)實(shí)驗(yàn)1、霍爾位置傳感器的定標(biāo)，測(cè)量其靈敏度；2、用讀數(shù)顯微鏡測(cè)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(cè)量固體材料的楊氏模量(例如可鍛鑄鐵等)。
權(quán)利要求1.一種霍爾位置傳感器楊氏模量測(cè)定儀，由霍爾位置傳感器、杠桿系統(tǒng)、讀數(shù)顯微鏡和底盤(pán)平臺(tái)組成，其特征在于霍爾位置傳感器由兩塊外形、磁感應(yīng)強(qiáng)度和極性相同的磁鐵平行放置構(gòu)成，設(shè)于調(diào)節(jié)架(6)上，其N極與N極、S極與S極相對(duì)放置，其敏感元件采用線性型集成霍爾元件；杠桿系統(tǒng)由空心銅桿(4)、刀口支架(11)和帶尖端觸點(diǎn)的接觸柱(12)組成，刀口支架(11)作為空心銅桿(4)的支點(diǎn)，銅桿的長(zhǎng)臂端面放置有線性型集成霍爾元件，并伸入平行放置的兩塊磁鐵(5)中間，接觸柱(12)放置于空心銅桿(4)的另一端，其尖端向下，與待測(cè)量位移或位置坐標(biāo)點(diǎn)接觸；讀數(shù)顯微鏡(1)架在旋轉(zhuǎn)式升降支架(9)上，并對(duì)準(zhǔn)待測(cè)量的位置點(diǎn)；集成霍爾元件的三根引線從銅桿中心適當(dāng)部位穿過(guò)并引出，分別接數(shù)字電表和電源，構(gòu)成測(cè)定電路；磁鐵的調(diào)節(jié)支架(6)、杠桿系統(tǒng)的刀口支架(11)、讀數(shù)顯微鏡的旋轉(zhuǎn)式支架(9)設(shè)置于可調(diào)節(jié)水平的底盤(pán)平臺(tái)(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楊氏模量測(cè)定儀，其特征在于在測(cè)定電路中還增加有可調(diào)直流電源補(bǔ)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(fù)極連接，可調(diào)直流補(bǔ)償電源負(fù)極與V-連接，集成霍爾元件的Vout端及補(bǔ)償電源的正極端分別與數(shù)字電壓表正、負(fù)輸入端相接。
專利摘要本實(shí)用新型為一種霍爾位置傳感器楊氏模量測(cè)定儀，由霍爾位置傳感器、杠桿系統(tǒng)、讀數(shù)顯微鏡和底盤(pán)平臺(tái)組成，本裝置將霍爾位置傳感器技術(shù)應(yīng)用于彎曲法測(cè)量固體材料楊氏模量裝置，以實(shí)現(xiàn)固體材料楊氏模量的非電量電測(cè)。應(yīng)用本裝置測(cè)量微小位移量的靈敏度高、可靠性好、讀數(shù)方便，因而非常適合推廣至高校基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及其它領(lǐng)域物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量部門(mén)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK2627493SQ03255968
公開(kāi)日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者葉春暉, 孫寶剛, 陸申龍 申請(qǐng)人:上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司