实验一 集成霍尔传感器特性与简谐振动实验

实验一集成霍尔传感器特性与简谐振动实验

【实验目的】

随着科学技术的进步，测量方法也不断进步。90年代初，集成霍尔

传感器技术得到了迅猛发展。各种性能的集成霍尔传感器不断涌现，在工业，交通，通讯等领域的自动控制中得到大量应用。如磁感应强度测量，位移测量，周期和转速的测量，还有液位控制，流量测量，产品计数，车辆行程计量，角度测量等。 本实验将学习集成开关型霍尔传感器的特性，并用该传感器测量弹簧振子的振动周期。从而掌握简谐振动的规律，以及磁敏器件测量振动周期的新方法。

【实验原理】

1、 弹簧在外力作用下将产生形变(即伸长或缩短)。在弹性限度

内，外力和它的变形

量成正比，即：

[1]

这就是胡克定律，比例系数K称为弹簧的倔强系数，其值与弹簧的形

状，材料有关。若改变施加在弹簧上的外力，并测量相应的形变量，即可通过式(1)推算该弹簧的倔强系数。

2、 质量为的物体系于一轻弹簧的自由端，并放置在光滑的水平

台面上，而弹簧的另

一端固定，这就构成一个弹簧振子。若使物体在外力作用下(如用手拉)离开平衡位置少许，然后释放，则弹簧振子将在平衡点附近来回作简谐振动，其周期为:

[2] 实际上弹簧本身具有质量，它必对周期产生影响，故式(2)可修正为

[3]

其中是待定系数，，其值可以通过实验予以确定。称为弹簧的有效质量(亦称折合质量)。

若将上述弹簧振子铅直地悬挂在一个稳固的支架上，则它仍能在重力(是一个常力)及

弹性力的作用下作简谐振动，只是平衡位置有所变动。新的平衡位置即是弹簧下端悬挂物体后所处的平衡位置，故式(3)仍成立

3、集成开关型霍尔传感器

如图1所示，集成霍尔开关是由稳压器A。霍尔电势发生器(即硅霍

尔片)B，差分放大器C，施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组

成。(1)，(2)，(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。

图1图2

在输入端（1）输入电压V cc，经稳压器稳压后加在霍尔发生器的两端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差V H输出，该V H信号经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到"工作点"(即B op)时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时，OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即B rp)时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这时称其为“关”态,这样两次高电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。

B op与B rp的差值一定，此差值B h=B op-B rp称为磁滞，在此差值内，V o

保持不变，因而

使开关输出稳定可靠，这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。

集成霍尔开关传感器输出特性如图2。

【实验仪器和用具】

集成霍尔传感器特性与简谐振动实验仪

仪器结构

图3

1、弹簧，

2、砝码盘，

3、平面镜，

4、游标卡尺，

5、卡尺固定螺母，

6、调节螺母，

7、砝码和磁钢，8、开关霍尔传感器，9、水平调节螺丝，10、锁紧螺丝，11、计时电压测量稳压组合仪

【实验内容】

一、测量弹簧的倔强系数

1、利用新型焦利秤测定弹簧倔强系数

实验装置如图3所示。在砝码盘W中放置砝码，则作用力式中

为砝码盘质量与弹簧的有效质量之和，为重力加速度。利用(1)式可得：

(4)

（1）调节实验装置底脚螺丝，使焦利秤立柱垂直（目测）；

（2）将弹簧固定在焦利秤上部悬臂上，旋转悬臂，使挂于弹簧下放的砝码盘的尖针

靠拢游标尺上的小镜；

（3）在砝码盘中放置一定质量的砝码后，弹簧伸长。调节立柱旁游标高度,使小镜

上刻线对准尖针的下端，记录砝码值及游标尺上相应的指示读数；

（4）往砝码盘中逐步放入一定量的砝码。记录砝码盘中的砝码以及对应的游标卡尺的读数；

（5）从盘中逐个取出一定量的砝码后，弹簧稍收缩。再次记下此时盘中码值及游标卡尺相应读数。

（6）作图，验证满足线性关系，并求出斜率， 即为弹簧的倔强系数。

2、测量弹簧振子振动周期求弹簧倔强系数

（1）用电子秒表测弹簧振子振动50次的时间，然后求得弹簧振子的周期，利用公式(3)求得弹簧倔强系数，公式(3)中，为弹簧的等效质量。

（2）用集成开关型霍尔传感器测量弹簧振动周期，求弹簧倔强系数。

将集成霍尔开关的三个引脚分别与电源和周期测试仪相接。OUT接周期测试仪正级，V-接电源负极，并和周期测试仪负级连接，V+接电源正级，见图3，将钕铁硼磁钢粘于20g砝码下端，使S极面向下。把集成霍尔开关感应面对准S极，其与磁钢间距在10cm～20cm之间。轻轻拉动弹簧使其上下振动，记录振动50次的时间，求出弹簧振子周期。要求进行多次测量（测量5～6次，每次50个周期）。由公式(3)求弹簧倔强系数。

3、 测量集成开关霍尔传感器的参数。

如图4接线，把小块钕铁硼磁钢粘在固定支架上，使小磁钢的S极与集成开关型霍尔

传感器(简称集成霍尔开关)的感应面(有文字面)紧密相对（接触），记录电路板在固定支架上的位置x0,将集成霍尔开关向外线移动。当发光二级管熄灭时记录电路板的位置x1,再,将集成霍尔开关向内线移动，当发光二级管又被点亮时再记录电路板的位置x2，计算该传感器与磁钢间距的关系（相距︱x2-x0︱时工作，相距︱x1-x0︱时释放）。然后，用95A 型集成线性霍尔传感器测量离磁钢距d处的磁感应强度B。求出集成霍尔开关的特性参数:工作点B op及工作距离D op，释放点B rp及释放距离d rp，计算磁滞值B H。集成线性霍尔传感器的接线图和集成霍尔开关的接线图，请看附录。

(5)

(6)