基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測(cè)量楊氏模量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

吳永　席留留　徐國(guó)霞　閆晶晶　張莎莎　周萌萌

摘 要：針對(duì)利用霍爾位置傳感器的彎曲法測(cè)量楊氏模量實(shí)驗(yàn)中裝置不穩(wěn)定、不易操作、測(cè)量誤差大的問(wèn)題，分析了誤差產(chǎn)生的儀器原因和理論原因，通過(guò)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)用成像技術(shù)進(jìn)行霍爾位置傳感器定標(biāo)對(duì)儀器進(jìn)行改進(jìn)，可有效改善實(shí)驗(yàn)的操作，并顯著提高實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目的創(chuàng)新性、實(shí)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(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)楊氏模量這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的總結(jié)和提升，他立足于實(shí)際，服務(wù)于教學(xué)，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作水平，實(shí)際應(yīng)用能力具有較為現(xiàn)實(shí)的意義。

1.2 研究?jī)?nèi)容

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

以楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀器為研究對(duì)象，以實(shí)際操作為著力點(diǎn)，研究在操作過(guò)程中，儀器的不足之處，根據(jù)學(xué)生在操作過(guò)程中遇到的難點(diǎn)和困難之處，有針對(duì)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(shí)驗(yàn)的精度，達(dá)到完善本實(shí)驗(yàn)的目的。研究的方向和內(nèi)容包括三個(gè)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(cè)量楊氏模量實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)樣品的放置，刀口框掛法，小砝碼的放置等過(guò)程中，往往都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作的不穩(wěn)定性，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)困難，基于此我們希望在各個(gè)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(gè)方面改進(jìn)裝置的穩(wěn)定性：一是待測(cè)金屬板放置的穩(wěn)定性;二是刀口基線(xiàn)的穩(wěn)定性;三是砝碼放置時(shí)的穩(wěn)定性。

第二、對(duì)基線(xiàn)辨識(shí)清晰度的提升;

基線(xiàn)清晰度的提升依賴(lài)兩個(gè)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(xiàn)在顯微條件下的邊緣平整度。

從兩個(gè)方面思考如何提高測(cè)量基線(xiàn)辨識(shí)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(cè)量基線(xiàn)本身入手，提高基線(xiàn)邊沿在顯微視場(chǎng)中的平整性以及用更為醒目的顏色，保證基線(xiàn)的清晰度。

第三、提高裝置調(diào)節(jié)的便利性;

實(shí)驗(yàn)裝置在顯微鏡位置調(diào)整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不便于實(shí)驗(yàn)操作，往往導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的過(guò)程存在一定的困難，調(diào)整一些機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，便于操作，是本項(xiàng)目研究的重難點(diǎn)。

2 研究方法、技術(shù)路線(xiàn)、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析

2.1 研究方法與技術(shù)路線(xiàn)

第一、通過(guò)螺栓等機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jiàn)的結(jié)構(gòu)，他構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，便于操作。設(shè)計(jì)流程如下圖2所示。

第二、基于齒輪傳動(dòng)裝置提高儀器調(diào)節(jié)的便利性

齒輪傳動(dòng)在機(jī)械機(jī)構(gòu)中是一種簡(jiǎn)單和有效的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在本項(xiàng)目中將此結(jié)構(gòu)運(yùn)用于儀器調(diào)節(jié)當(dāng)中，設(shè)計(jì)流程如下圖3所示。

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

在顯微鏡的總體設(shè)計(jì)當(dāng)中運(yùn)用手動(dòng)變焦技術(shù)，在基線(xiàn)辨識(shí)中采取激光刻印的技術(shù)，總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)如下圖4所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

計(jì)劃采取從實(shí)際操作中找問(wèn)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(jì)解決方案，來(lái)完善實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)法對(duì)改進(jìn)的方案進(jìn)行整體的評(píng)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(zhuān)業(yè)技術(shù)的可行性

設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)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?cè)诒卷?xiàng)目中運(yùn)用到的技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中多有應(yīng)用，改進(jìn)起來(lái)方法簡(jiǎn)單易行比較便于操作，同時(shí)各項(xiàng)技術(shù)間獨(dú)立性較強(qiáng)，這樣就避免了多項(xiàng)技術(shù)協(xié)同運(yùn)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(guò)在實(shí)踐中的總結(jié)和探索，優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提出至少4項(xiàng)具有可行性的改進(jìn)方案。改進(jìn)后的楊氏模量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)效果較好，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性顯著提高;

（2）基線(xiàn)本身的辨識(shí)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(guò)程中更便于操作;

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差減小。

基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測(cè)量楊氏模量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的一個(gè)重要的力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但在實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(shí)際，提出一些切實(shí)的改進(jìn)措施，完善此實(shí)驗(yàn)，更便于實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)精度。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

吳永（1981.6-），男，漢族，安徽新華學(xué)院通識(shí)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(zhuān)業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

徐國(guó)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(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

基金項(xiàng)目：2017年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目名稱(chēng)：基于霍爾位置傳感器的梁彎曲法測(cè)量楊氏模量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)（編號(hào)：201712216033）