霍尔位置传感器法测量杨氏模量实验中的问题与对策

穆晓东 郝子文

摘  要：文章简述了霍尔位置传感器法杨氏模量实验仪的组成和原理。通过对学生一个学期的实验观察，总结了实验过程中出现的问题，并通过对问题的分析给出相应的解决办法。

关键词：霍尔元件;传感器;杨氏模量;读数显微镜

杨氏模量是表征固体材料弹性形变能力的一个重要物理量。按照胡克定律，材料在弹性限度内胁强与胁变成正比，比例系数为杨氏模量。杨氏模量只决定于材料，其值越大，越不易形变。因此，杨氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的测定对研究各种材料的力学性质有着重要意义。

杨氏模量的测量是大学物理实验中力学部分的经典实验，从测量方法上一般分为拉伸法、梁弯曲法、振动法和内耗法等。本实验仪是将霍尔位置传感器应用到梁弯曲法实验仪上。

一、实验原理简述

霍尔位置传感器法杨氏模量测定仪如图一：

其中：1.刀口上的基线;2.读数显微镜;3.刀口;4.横梁;5.铜杠杆;6.磁铁盒;7.磁铁;8.调节架;9.砝码;10.铜杠杆刀口

被测横梁穿过砝码铜刀口并放在两立柱刀口的正中位置。装有霍尔元件的铜杠杆固定在杠杆刀口上，并将刀口放在刀座上。霍尔元件由杠杆的一端被伸进磁场当中，杠杆另一端的圆柱形托尖落在砝码刀口内部的小圆坑内。霍尔位置传感器的输入输出线和数字电压表相连接（未画）。

测量时，在刀口下的砝码托上加放砝码，由于样品受重力作用弯曲下垂，铜杠杆的一端随刀口下移，杠杆另一端的霍尔元件在磁场中上移，旋转读数显微镜微调手轮，使视场内十字叉丝和刀口上的基线重合时，微调手轮的读数即为样品在一定负重相下的弛垂度，数字电压表显示值即为霍尔位置传感器在磁场中由纵向位移产生的霍尔电压。

二、实验中的问题

通过一个学期的实验观察，整理归纳出以下几个问题：

1.实验内容之一是给霍尔位置传感器定标，即求霍尔位置传感器的灵敏度。从学生的报告中看到，传感器的灵敏度单位写成[mv/mm·T]，说明学生把霍尔元件的灵敏度与霍尔位置传感器的灵敏度混淆了。

2.由于实验过程中学生们对霍尔位置传感器在磁场中的中心位置及水平调节不够理想，使霍尔位置传感器输出电压不稳，导致测量结果误差很大。

3.测量时，是通过转动显微镜微调手轮，使视场内十字叉丝水平线与砝码刀口上的基线重合后，从手轮读出样品受重力作用的弛垂度。由于砝碼刀口为黄铜制成，加上年久氧化变暗，使显微镜视场偏暗，十字叉丝在铜刀口的暗背景下很难辨别。

三、问题解决方案

1.霍尔元件的灵敏度与霍尔位置传感器的灵敏度这两个概念应从理论上详细讲解。

（1）霍尔元件是一种半导体薄片，它是根据霍尔效应制作的一种磁电变换元件。把一块厚度为d、宽度为b的半导体薄片放在垂直于它的磁场B中（图二B与Z轴同向），在X方向加控制电流I，若半导体内的载流子电荷为q，平均迁移速度为v，则载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用，其大小为：[fB=qvB]

2.根据实验原理，霍尔元件不仅要在磁场中间，而且还要让磁力线垂直穿过其平面。由于霍尔元件很小，又在两块磁铁的间隙当中，从外面不容易观察到，这也正是学生容易忽略的。再者课本上关于霍尔元件的调整不够详细，因此，从操作上要加强对霍尔元件的调整这一环节，并给出详细的步骤：

（1）前后调整：首先要在磁铁的正面和侧面的中点做出标记，调整杠杆刀口的位置，使装有霍尔元件一端的杆臂长度正好伸到侧面标记处，再旋转杠杆使霍尔元件与磁铁平行被磁力线垂直穿过其表面，然后拧紧杠杆刀口顶部的螺丝。

（2）水平调节：调整杠杆另一头圆柱形托尖的高度，使杠杆水平，托尖正好落在砝码刀口顶部的小圆坑内，并固紧托尖顶部的螺丝。

（3）左右调整：把杠杆刀口放在刀座上，使杠杆在磁铁正面的中心位置。

（4）上下调整：旋转磁铁和套筒螺母，使磁铁上下移动，当数字电压表接近零时，再调数字电压表为零。

3.为了解决视场偏暗问题，可以用手机的电筒把砝码刀口照亮，这样显微镜视场不仅明亮，十字叉丝也很清晰。还可以使用手机或平板电脑的照相功能，将摄像头对准显微镜目镜，手机屏幕出现放大的视场，而且视场清晰明亮（图三），测量时直接观看屏幕即可。由于显微镜只能个人观察，老师在描述视场时学生没有感性认识，利用手机屏幕代替观察显微镜，不仅减少学生视觉疲劳，更为教师在讲解过程中起到了同步演示作用。

四、总结

通过对实验过程的观察，找出实验中出现的问题，并针对问题特点，给出相应的解决方法。这对教师来说，更加完善教学过程，对学生来说，弥补了他们知识上的不足和操作上的疏漏，锻炼了他们的动手能力，引导他们将现代化通讯工具运用到实验中。教与学本身就是相辅相成的，教师只有在教学中不断发现问题，解决问题，才能教学相长，共同进步。

参考文献

[1]袁文峰，王家政.物理量测量[M].北京：科学出版社，2018：49-51.

[2]林抒，龚镇雄.普通物理实验[M].北京：人民教育出版社，1981：276-277.

作者简介

穆晓东（1967—），女，北京房山人，高级实验师，主要从事大学物理实验教学与研究工作。

郝子文（1974—），男，山东淄博人，硕士，实验师，主要从事大学物理实验教学与研究工作。