基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測量楊氏模量實驗的改進(jìn)

吳永　席留留　徐國霞　閆晶晶　張莎莎　周萌萌

摘 要：針對利用霍爾位置傳感器的彎曲法測量楊氏模量實驗中裝置不穩(wěn)定、不易操作、測量誤差大的問題，分析了誤差產(chǎn)生的儀器原因和理論原因，通過提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運用成像技術(shù)進(jìn)行霍爾位置傳感器定標(biāo)對儀器進(jìn)行改進(jìn)，可有效改善實驗的操作，并顯著提高實驗結(jié)果的精度。

關(guān)鍵詞：楊氏模量;彎曲法;霍爾位置傳感器;改進(jìn)

Abstract：Aiming at the problems of instability，difficulty in operation and large measurement error in the experiment of measuring Young’s modulus by the bending method of Hall position sensor，the instrumental and theoretical reasons for the errors are analyzed.By improving the stability of the system and using imaging technology to calibrate Hall position sensor，the operation of the experiment can be effectively improved，and the experiment can be significantly improved.The accuracy of the results.

Key words：Young modulus Bending method Hall position sensor，mprovement

1 項目的創(chuàng)新性、實用性、研究意義等

1.1 創(chuàng)新性

本文是在學(xué)生和教師操作和平時實驗過程中對楊氏模量這個實驗操作過程的總結(jié)和提升，他立足于實際，服務(wù)于教學(xué)，對提高學(xué)生的實驗操作水平，實際應(yīng)用能力具有較為現(xiàn)實的意義。

1.2 研究內(nèi)容

霍爾位置傳感器的梁彎曲法測量楊氏模量實驗（如圖1）采用彎曲法測量黃銅和鑄鐵的楊氏模量，此方法的關(guān)鍵是測準(zhǔn)材料在應(yīng)力作用下的微小位移，在測量黃銅的楊氏模量時用讀數(shù)顯微鏡測量微小位移，對霍爾位置傳感器的特性進(jìn)行定標(biāo)。測量鑄鐵的楊氏模量時，直接利用霍爾位置傳感器良好的線性關(guān)系測量位置的微小變化。

以楊氏模量實驗儀器為研究對象，以實際操作為著力點，研究在操作過程中，儀器的不足之處，根據(jù)學(xué)生在操作過程中遇到的難點和困難之處，有針對性的提出解決措施和方案，討論其改進(jìn)措施，完善其操作流程，提高實驗的精度，達(dá)到完善本實驗的目的。研究的方向和內(nèi)容包括三個方面：

第一、提高裝置的穩(wěn)定性;

霍爾位置傳感器的梁彎曲法測量楊氏模量實驗在實驗樣品的放置，刀口框掛法，小砝碼的放置等過程中，往往都會導(dǎo)致實驗操作的不穩(wěn)定性，給實驗帶來困難，基于此我們希望在各個環(huán)節(jié)上采用機(jī)械固定的方法，加強(qiáng)儀器的穩(wěn)定性，提高操作的便利性。

從三個方面改進(jìn)裝置的穩(wěn)定性：一是待測金屬板放置的穩(wěn)定性;二是刀口基線的穩(wěn)定性;三是砝碼放置時的穩(wěn)定性。

第二、對基線辨識清晰度的提升;

基線清晰度的提升依賴兩個方面的改進(jìn)，一是改進(jìn)讀數(shù)顯微鏡的的調(diào)焦能力;二是提高基線在顯微條件下的邊緣平整度。

從兩個方面思考如何提高測量基線辨識的清晰度：一是在讀數(shù)顯微鏡調(diào)焦手段和方法上改進(jìn)，提升顯微鏡的性能，提高分辨率;二是從測量基線本身入手，提高基線邊沿在顯微視場中的平整性以及用更為醒目的顏色，保證基線的清晰度。

第三、提高裝置調(diào)節(jié)的便利性;

實驗裝置在顯微鏡位置調(diào)整的結(jié)構(gòu)設(shè)計上不便于實驗操作，往往導(dǎo)致實驗的過程存在一定的困難，調(diào)整一些機(jī)構(gòu)上的設(shè)計便可以提高儀器操作的便利性。

加強(qiáng)裝置調(diào)節(jié)的便利性從三個方面著眼：一是讀數(shù)顯微鏡焦距調(diào)節(jié)的便利性;二是讀數(shù)顯微鏡上下位置調(diào)節(jié)的便利性;三是設(shè)備水平位置調(diào)節(jié)的便利性。

對實驗儀器一些不足之處的改進(jìn)措施，既要有科學(xué)性也要立足于實驗，便于操作，是本項目研究的重難點。

2 研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析

2.1 研究方法與技術(shù)路線

第一、通過螺栓等機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提高儀器設(shè)備的穩(wěn)定性

螺栓是機(jī)械當(dāng)中極為常見的結(jié)構(gòu)，他構(gòu)造簡單，可靠性強(qiáng)，便于操作。設(shè)計流程如下圖2所示。

第二、基于齒輪傳動裝置提高儀器調(diào)節(jié)的便利性

齒輪傳動在機(jī)械機(jī)構(gòu)中是一種簡單和有效的傳動結(jié)構(gòu)，在本項目中將此結(jié)構(gòu)運用于儀器調(diào)節(jié)當(dāng)中，設(shè)計流程如下圖3所示。

第三、以手動光學(xué)變焦和激光刻印為基礎(chǔ)提高儀器的辨識度和清晰度

在顯微鏡的總體設(shè)計當(dāng)中運用手動變焦技術(shù)，在基線辨識中采取激光刻印的技術(shù)，總體設(shè)計系統(tǒng)如下圖4所示。

2.2 實驗方案

計劃采取從實際操作中找問題的辦法，讓學(xué)生親自參與其中，提出儀器設(shè)備需要改進(jìn)的不足之處，再由學(xué)生設(shè)計解決方案，來完善實驗儀器設(shè)備，最后通過實驗比對法對改進(jìn)的方案進(jìn)行整體的評估。確定改進(jìn)措施是否科學(xué)可行。

2.3 可行性分析

第一、專業(yè)技術(shù)的可行性

設(shè)計中用到的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)變焦，激光刻印技術(shù)都已經(jīng)很成熟，可以直接引用到作品設(shè)計過程，并將其各自功能加以整合和協(xié)調(diào)。

第二、技術(shù)操作的可行性

目前我們在本項目中運用到的技術(shù)在實驗中多有應(yīng)用，改進(jìn)起來方法簡單易行比較便于操作，同時各項技術(shù)間獨立性較強(qiáng)，這樣就避免了多項技術(shù)協(xié)同運行產(chǎn)生沖突的可能性。

3 預(yù)期目標(biāo)及主要技術(shù)指標(biāo)

通過在實踐中的總結(jié)和探索，優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有實驗設(shè)備，提出至少4項具有可行性的改進(jìn)方案。改進(jìn)后的楊氏模量的測量實驗效果較好，實驗精度改善，為學(xué)員能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了可靠的保證。

（1）實驗裝置的穩(wěn)定性顯著提高;

（2）基線本身的辨識度和讀數(shù)顯微鏡的調(diào)焦能力得到明顯提升;

（3）裝置調(diào)節(jié)過程中更便于操作;

（4）實驗數(shù)據(jù)精度提高，實驗結(jié)果誤差減小。

基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測量楊氏模量是大學(xué)物理實驗當(dāng)中的一個重要的力學(xué)實驗項目，但在實驗的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)實驗的設(shè)計和操作還有一些不夠完善的地方，結(jié)合學(xué)習(xí)和工作實際，提出一些切實的改進(jìn)措施，完善此實驗，更便于實驗操作，提高實驗精度。

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作者簡介：

吳永（1981.6-），男，漢族，安徽新華學(xué)院通識教育部講師，本科，研究方向：物理學(xué)。

席留留（1991.04-），女，漢族，安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

徐國霞（1996.04-），女，漢族，安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

閆晶晶（1996.03-），女，漢族，安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

張莎莎（1998.08-），女，漢族，安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

周萌萌（1997.05-），女，漢族，安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院學(xué)生，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

基金項目：2017年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目名稱：基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測量楊氏模量實驗的改進(jìn)（編號：201712216033）