霍爾傳感器法測量簡諧振動實(shí)驗(yàn)

霍爾傳感器法測量簡諧振動實(shí)驗(yàn)［預(yù)習(xí)目的和要求］閱讀教材157頁至159頁，了解振動參量的測量方法。本實(shí)驗(yàn)是一新實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)瀏覽以下材料。了解什么是霍爾傳感器，和它的用途。了解數(shù)字式計(jì)時(shí)儀的使用方法。集成霍爾傳感器特性與簡諧振動實(shí)驗(yàn)儀一?概述用焦利秤測量彈簧倔強(qiáng)系數(shù)及研究彈簧振子運(yùn)動規(guī)律是高校理工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)的發(fā)展，教學(xué)儀器的創(chuàng)新也勢在必行。本實(shí)驗(yàn)為新型焦利秤集成霍爾傳感器特性與簡諧振動實(shí)驗(yàn)儀。它將90年代新發(fā)展的集成開關(guān)和集成線性霍爾傳感器用于彈簧振子振動周期的測量，通過實(shí)驗(yàn)掌握霍爾傳感器的特性及在自動測量和自動控制中的作用。對原焦利秤的拉桿裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用端點(diǎn)加反射鏡的游標(biāo)尺直接讀出彈簧的伸長量。儀器直觀性強(qiáng)，裝置牢靠，測量準(zhǔn)確度高。集成霍爾傳感器，電源，周期測量儀，數(shù)字表等采用分立部件，由學(xué)生自已接，有利于提高學(xué)生動手能力。傳感器，電源等均有保護(hù)裝置，不易損壞。因此，本儀器也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器采用現(xiàn)代化技術(shù)的典型實(shí)例。新型焦利秤不僅保留了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和技能，又增加了現(xiàn)代測量技術(shù)和方法，新儀器可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。二?儀器外型二?儀器外型二.用途1.測量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，研究彈簧振子運(yùn)動規(guī)律。2.測量集成開關(guān)型霍爾傳感器的特性，掌握集成霍爾傳感器的使用方法。3?用本儀器提供集成開關(guān)型霍爾傳感器及電源，計(jì)時(shí)儀可用于做測量馬達(dá)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，液位控制，角度測量等有關(guān)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。霍爾傳感器法測量簡諧振動實(shí)驗(yàn)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測量方法也不斷進(jìn)步。70年代初，光電技術(shù)迅速發(fā)展，光敏傳感器計(jì)時(shí)技術(shù)在工業(yè)和家用電器中得到大量應(yīng)用。在物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了采用光電計(jì)時(shí)和測量周期的實(shí)驗(yàn)儀器，如氣墊導(dǎo)軌，單擺，扭擺等實(shí)驗(yàn)裝置，使時(shí)間或周期的測量更準(zhǔn)確，學(xué)生也學(xué)到了一種新的測量方法。90年代初，集成霍爾傳感器技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。各種性能的集成霍爾傳感器不斷涌現(xiàn)，在工業(yè)，交通，通訊等領(lǐng)域的自動控制中得到大量應(yīng)用。如磁感應(yīng)強(qiáng)度測量，位移測量，周期和轉(zhuǎn)速的測量，還有液位控制，流量測量，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，車輛行程計(jì)量，角度測量等。本實(shí)驗(yàn)將學(xué)習(xí)集成開關(guān)型霍爾傳感器的特性，并用該傳感器測量彈簧振子的振動周期。實(shí)驗(yàn)要求用新型焦利秤測量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，并用秒表和集成霍爾傳感器兩種方法測量彈簧作簡諧振動的周期。還要求將位移法測得的倔強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行比較，從而掌握簡諧振動的規(guī)律，以及磁敏器件測量振動周期的新方法。集成開關(guān)型霍爾傳感器測量周期的優(yōu)點(diǎn)是裝置體積小，可靠性強(qiáng)，價(jià)格低廉，特別是它隔著介質(zhì)（非磁介質(zhì)）仍能工作，這一點(diǎn)光電傳感器很難做到，因而它的應(yīng)用前景更廣泛。1?原理1.1彈簧在外力作用下將產(chǎn)生形變（即伸長或縮短）。在彈性限度內(nèi)，外力F和它的變形量AY成正比，即F=KaY （1）這就是胡克定律，比例系數(shù)K稱為彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，其值與彈簧的形狀，材料有關(guān)。若改變施加在某一彈簧上的外力，并測量相應(yīng)的形變量，即可通過式（1）推算該彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)K。1.2質(zhì)量為M的物體系于一輕彈簧的自由端，并放置在光滑的水平臺面上，而彈簧的另一端固定，這就構(gòu)成一個(gè)彈簧振子。若使物體在外力作用下（如用手拉）離開平衡位置少許，然后釋放，則彈簧振子將在平衡點(diǎn)附近來回作簡諧振動，其周期為：MI一T=2JK⑵實(shí)際上彈簧本身具有質(zhì)量M0它必對周期產(chǎn)生影響，故式（2）可修正為 T=2M+pM“nk0（3）其中P是待定系數(shù)，O<p<l，其值可以通過實(shí)驗(yàn)予以確定。PM0稱為彈簧的有效質(zhì)量（亦稱折合量）。若將上述彈簧振子鉛直地懸掛在一個(gè)穩(wěn)固的支架上，則它仍能在重力（是一個(gè)常力）及彈性力的作用下作簡諧振動，只是平衡位置有所變動。新的平衡位置即是彈簧下端懸掛物體后所處的平衡位置，故式（3）仍成立。1.3集成開關(guān)型霍爾傳感器測量周期如圖1所示，集成霍爾開關(guān)是由穩(wěn)壓器A?；魻栯妱莅l(fā)生器（即硅霍爾片）B,差分放大器C,施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個(gè)基本部分組成。（1），（2），（3）代表集成霍爾開關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。-hi.：'：■-hi.：'：■在輸入端輸入電壓V，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁CC場中時(shí)，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會有一個(gè)霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到〃工作點(diǎn)〃（即Bop）時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓（相對于地電位），使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為“開”。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“釋放點(diǎn)”（即Brp）時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這時(shí)稱其為“關(guān)”態(tài)這樣兩次高電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動作°Bop與Brp的差值一定，此差值BH=Bop-Brp稱為磁滯，在此差值內(nèi)，V。保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集成霍爾開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。集成霍爾開關(guān)傳感器輸出特性如圖2。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用新型焦利秤測定彈簧倔強(qiáng)系數(shù)K。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。在砝碼盤W中放置砝碼M］，則作用力F1=（M1+m）g，式中m為砝碼盤質(zhì)量與彈簧的有效質(zhì)量之和，g為重力加速度。利用(1)式可得：(M1+m)g=K(Y1-Y0) (4).調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置底腳螺絲，使焦利秤立柱垂直。.將彈簧固定在焦利秤上部懸臂上旋轉(zhuǎn)懸臂，使掛于彈簧下放的砝碼盤的尖針靠攏游標(biāo)尺上的小鏡。.在砝碼盤中放置一定質(zhì)量的砝碼M1后，彈簧伸長。調(diào)節(jié)立柱旁游M1標(biāo)高度使小鏡上刻線對準(zhǔn)尖M］針的下端。記錄砝碼M］值及M］游標(biāo)尺上相應(yīng)的指示讀數(shù)Y1..從盤中取出一定量的砝碼后，彈簧稍收縮。記下此時(shí)盤中砝碼M2值及游標(biāo)尺相應(yīng)讀數(shù)Y2。相M2繼使盤中砝碼減為M3，M4。.作M1――Y1圖，驗(yàn)證M1--巴滿足線性關(guān)系，并”］求出斜率k'，K'/g即為M］彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。測量彈簧振子振動周期求彈簧倔強(qiáng)系數(shù)用電子秒表測彈簧振子振動50次的時(shí)間，然后求得彈簧振子的周期T,利用公式(3)求得彈簧倔強(qiáng)系數(shù)K,公1式(3)中卩~3，PM0為彈簧的等效質(zhì)量。2．用集成開關(guān)型霍爾傳感器測量彈簧振動周期，求彈簧倔強(qiáng)系數(shù)。測量集成開關(guān)霍爾傳感器的參數(shù)。如圖4。把小塊釹鐵硼磁鋼粘在固定支架上，使小磁鋼的S極與集成開關(guān)型霍爾傳感器(簡稱集成霍爾開關(guān)的感應(yīng)面(有文字面)緊密相對將集成霍爾開關(guān)向外線移動。測量該傳感器與磁鋼間距d的關(guān)系。然后，用95A型集成線性霍爾傳感器測量離磁鋼距d處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。求出集成霍爾開關(guān)的特性參數(shù):工作點(diǎn)Bop及工作距離D°p,釋放點(diǎn)Brp及釋放距離drp,計(jì)算磁滯值BH。集成線性霍爾傳感器的接線圖和集成霍爾開關(guān)的接線圖，請看附錄。用集成霍爾開關(guān)測量彈簧振子的周期。如圖5將集成霍爾開關(guān)的三個(gè)引腳分別與電源和周期測試儀相接。將釹鐵硼磁鋼粘于20g砝碼下端，使S極面向下。把集成霍爾開關(guān)感應(yīng)面對準(zhǔn)S極，其與磁鋼間距為牛卩和打之間值。輕輕拉動彈簧使其振動，記錄振動50次的時(shí)間，求出彈簧振子周期。由公式(3)求彈簧倔強(qiáng)系數(shù)K。

1?彈簧2.砝碼盤3?反面鏡4?游標(biāo)卡尺5?卡尺固定螺母6?調(diào)節(jié)螺母 7.砝碼和磁鋼 8?開關(guān)霍爾傳感器9?水平調(diào)節(jié)10.鎖緊螺絲 11.計(jì)時(shí)電壓測量穩(wěn)壓組合儀思考題：1?實(shí)驗(yàn)中除了可由M1――Y1圖線判斷彈簧的彈性回復(fù)力與彈簧偏離平衡位置的位移成線性

關(guān)系外，還可以由什么來判斷這一關(guān)系?2?集成霍爾開關(guān)有哪些主要特性參數(shù)?怎樣測量這些特性參數(shù)？3?集成霍爾開關(guān)測量周期或轉(zhuǎn)速有何優(yōu)點(diǎn)?你是否可以舉些例子說明集成霍爾開關(guān)的應(yīng)用。附錄：1.A44E集成霍爾開關(guān)OUT

—e

⑶實(shí)驗(yàn)中用于測量的A44E集成霍爾開關(guān)，磁鋼用直徑D=6.004mm，長度為L=3.032mm的釹鐵硼磁鋼。電源用直流,霍爾開關(guān)輸出由四位半直流數(shù)字電壓表測量，磁感應(yīng)強(qiáng)度BOUT

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⑶123J-Vcc2-GMD3-0UT圖6中，(a)為集成霍爾傳感器外形圖。測量時(shí)(1)和(2)兩端加直流+12V，在輸出端⑶與電流(10之間接一個(gè)2K的負(fù)載電阻，如圖(b)所示。(1)輸出特性傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度B與輸出電壓V0之間的關(guān)系。測量所得數(shù)據(jù)見表1。工作電壓Vcc=12v參數(shù)名稱符號測量數(shù)據(jù)單位最小典型最大“工作點(diǎn)”B15.216.918.5mT“釋放點(diǎn)”opB11.713.213.5mT磁滯Bh—3.53.75.0mT從表1中數(shù)據(jù)可見，A44E集成霍爾開關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型。由測量數(shù)據(jù)作出的特性曲線如圖2所示。

(2)磁輸入特性傳感器的磁輸入基本有三種情況:單極磁場，雙極磁場和交變磁場°A44E集成霍爾開關(guān)的磁輸入為單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和集成霍爾開關(guān)之間的距離。測量時(shí)，將磁鐵固定，移動集成霍爾開關(guān)，且使移動方向在磁鐵與霍爾開關(guān)的軸心線方向上。實(shí)驗(yàn)中顯示，當(dāng)磁鐵和霍爾開關(guān)移近到一定位置，霍爾開關(guān)接通，二者移開一定距離后，霍爾開關(guān)斷開。若以兩者之間的距為r，則測得R=4mm時(shí)，霍爾開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)B=16.9mT，而r=5mm時(shí)，霍爾開關(guān)斷開，測得B=13.2mT。可見導(dǎo)通點(diǎn)與釋放點(diǎn)間距離值為1mm，這是用直徑只有D=4.0mm釹鐵硼強(qiáng)磁材料做成磁鐵測量的結(jié)果，其它形狀和大小磁鐵的測量結(jié)果略有不同。95A型集成霍爾元件95A型集成霍爾元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。左端為一霍爾傳感器，中間連接了一個(gè)放大器，右端方框表示薄膜電阻組成的剩余電壓補(bǔ)償器。95A型集成霍爾元件測量時(shí)輸出信號大，不必考慮剩余電壓的響，V+與V_間的電壓為5V左右，0和V_兩端即為輸出電壓。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，調(diào)節(jié)電流電壓，使輸出電壓為2.500V,在此標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的輸出電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系如圖8所示該關(guān)系可用公式表示： B=(U-2.500)/K (1)式中，U為集成霍爾傳感器輸出電壓，K為該集成霍爾傳感器的靈敏度。如果外接一個(gè)2.500V輔助直流電源，使磁感應(yīng)強(qiáng)度為OT時(shí)，輸出信號U1為0,那么集成霍爾傳感器輸出電壓U]與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為： B=U1/K (2)VH+iOUTPUTv-(-)VOUT4.5VouipurVOLTAGETiTIC^L2.5VVH+iOUTPUTv-(-)VOUT4.5VouipurVOLTAGETiTIC^L2.5V產(chǎn)二 0,5VI I I-闌-32 0 ￡i討mT

95A集成霍爾線性傳感器參數(shù)如下表供電電壓（VDC）4.5-10.5供電電流@25°C（mA）Typ7.0Max8.7輸出類型比率變化輸出電流（mA）Vs>4.5V1.5典型電流源Vs>4.5V1.0最小電流源最小電流沉Vs>4.5V