霍爾位置傳感器法測量楊氏模量實驗中的問題與對策

穆曉東 郝子文

摘? 要：文章簡述了霍爾位置傳感器法楊氏模量實驗儀的組成和原理。通過對學生一個學期的實驗觀察，總結了實驗過程中出現的問題，并通過對問題的分析給出相應的解決辦法。

關鍵詞：霍爾元件;傳感器;楊氏模量;讀數顯微鏡

楊氏模量是表征固體材料彈性形變能力的一個重要物理量。按照胡克定律，材料在彈性限度內脅強與脅變成正比，比例系數為楊氏模量。楊氏模量只決定于材料，其值越大，越不易形變。因此，楊氏彈性模量是選定機械零件材料的依據之一，是工程技術設計中常用的參數。楊氏模量的測定對研究各種材料的力學性質有著重要意義。

楊氏模量的測量是大學物理實驗中力學部分的經典實驗，從測量方法上一般分為拉伸法、梁彎曲法、振動法和內耗法等。本實驗儀是將霍爾位置傳感器應用到梁彎曲法實驗儀上。

一、實驗原理簡述

霍爾位置傳感器法楊氏模量測定儀如圖一：

其中：1.刀口上的基線;2.讀數顯微鏡;3.刀口;4.橫梁;5.銅杠桿;6.磁鐵盒;7.磁鐵;8.調節架;9.砝碼;10.銅杠桿刀口

被測橫梁穿過砝碼銅刀口并放在兩立柱刀口的正中位置。裝有霍爾元件的銅杠桿固定在杠桿刀口上，并將刀口放在刀座上。霍爾元件由杠桿的一端被伸進磁場當中，杠桿另一端的圓柱形托尖落在砝碼刀口內部的小圓坑內。霍爾位置傳感器的輸入輸出線和數字電壓表相連接（未畫）。

測量時，在刀口下的砝碼托上加放砝碼，由于樣品受重力作用彎曲下垂，銅杠桿的一端隨刀口下移，杠桿另一端的霍爾元件在磁場中上移，旋轉讀數顯微鏡微調手輪，使視場內十字叉絲和刀口上的基線重合時，微調手輪的讀數即為樣品在一定負重相下的弛垂度，數字電壓表顯示值即為霍爾位置傳感器在磁場中由縱向位移產生的霍爾電壓。

二、實驗中的問題

通過一個學期的實驗觀察，整理歸納出以下幾個問題：

1.實驗內容之一是給霍爾位置傳感器定標，即求霍爾位置傳感器的靈敏度。從學生的報告中看到，傳感器的靈敏度單位寫成[mv/mm·T]，說明學生把霍爾元件的靈敏度與霍爾位置傳感器的靈敏度混淆了。

2.由于實驗過程中學生們對霍爾位置傳感器在磁場中的中心位置及水平調節不夠理想，使霍爾位置傳感器輸出電壓不穩，導致測量結果誤差很大。

3.測量時，是通過轉動顯微鏡微調手輪，使視場內十字叉絲水平線與砝碼刀口上的基線重合后，從手輪讀出樣品受重力作用的弛垂度。由于砝碼刀口為黃銅制成，加上年久氧化變暗，使顯微鏡視場偏暗，十字叉絲在銅刀口的暗背景下很難辨別。

三、問題解決方案

1.霍爾元件的靈敏度與霍爾位置傳感器的靈敏度這兩個概念應從理論上詳細講解。

（1）霍爾元件是一種半導體薄片，它是根據霍爾效應制作的一種磁電變換元件。把一塊厚度為d、寬度為b的半導體薄片放在垂直于它的磁場B中（圖二B與Z軸同向），在X方向加控制電流I，若半導體內的載流子電荷為q，平均遷移速度為v，則載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用，其大小為：[fB=qvB]

2.根據實驗原理，霍爾元件不僅要在磁場中間，而且還要讓磁力線垂直穿過其平面。由于霍爾元件很小，又在兩塊磁鐵的間隙當中，從外面不容易觀察到，這也正是學生容易忽略的。再者課本上關于霍爾元件的調整不夠詳細，因此，從操作上要加強對霍爾元件的調整這一環節，并給出詳細的步驟：

（1）前后調整：首先要在磁鐵的正面和側面的中點做出標記，調整杠桿刀口的位置，使裝有霍爾元件一端的桿臂長度正好伸到側面標記處，再旋轉杠桿使霍爾元件與磁鐵平行被磁力線垂直穿過其表面，然后擰緊杠桿刀口頂部的螺絲。

（2）水平調節：調整杠桿另一頭圓柱形托尖的高度，使杠桿水平，托尖正好落在砝碼刀口頂部的小圓坑內，并固緊托尖頂部的螺絲。

（3）左右調整：把杠桿刀口放在刀座上，使杠桿在磁鐵正面的中心位置。

（4）上下調整：旋轉磁鐵和套筒螺母，使磁鐵上下移動，當數字電壓表接近零時，再調數字電壓表為零。

3.為了解決視場偏暗問題，可以用手機的電筒把砝碼刀口照亮，這樣顯微鏡視場不僅明亮，十字叉絲也很清晰。還可以使用手機或平板電腦的照相功能，將攝像頭對準顯微鏡目鏡，手機屏幕出現放大的視場，而且視場清晰明亮（圖三），測量時直接觀看屏幕即可。由于顯微鏡只能個人觀察，老師在描述視場時學生沒有感性認識，利用手機屏幕代替觀察顯微鏡，不僅減少學生視覺疲勞，更為教師在講解過程中起到了同步演示作用。

四、總結

通過對實驗過程的觀察，找出實驗中出現的問題，并針對問題特點，給出相應的解決方法。這對教師來說，更加完善教學過程，對學生來說，彌補了他們知識上的不足和操作上的疏漏，鍛煉了他們的動手能力，引導他們將現代化通訊工具運用到實驗中。教與學本身就是相輔相成的，教師只有在教學中不斷發現問題，解決問題，才能教學相長，共同進步。

參考文獻

[1]袁文峰，王家政.物理量測量[M].北京：科學出版社，2018：49-51.

[2]林抒，龔鎮雄.普通物理實驗[M].北京：人民教育出版社，1981：276-277.

作者簡介

穆曉東（1967—），女，北京房山人，高級實驗師，主要從事大學物理實驗教學與研究工作。

郝子文（1974—），男，山東淄博人，碩士，實驗師，主要從事大學物理實驗教學與研究工作。