基于霍尔效应的惯性测振实验的研究与应用设计-论文.pdf

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1、第35卷第7期物理实验Vo1．35NO．72015年7月PHYSICSEXPERIMENTATIoNJu1．，2015学生基于霍尔效应的惯性测振实验的园研究与应用设计地徐雅惠，周林，李欣蔚，邓加军b(华北电力大学a．电气与电子工程学院；b．数理学院，北京102206)摘要：利用霍尔元件在线性磁场中的霍尔电压与磁感应强度的线性关系，推导得出振动物体振幅与霍尔电压之间的函数关系．设计满足该线性关系的磁场并通过实验得出其线性表达式，进而设计出基于霍尔效应的惯性式振动传感器，最后通过实验验证该传感器的实用性．关键词：霍尔效应；线性磁场；惯

2、性式振动传感器中图分类号：O313．3；TP212．13文献标识码：A文章编号：1005—4642(2015)07—0035—06霍尔效应在物理量的测量和工程实践中应用数据对比证明了其可行性．广泛，可以直接或间接地测量磁场．在大学物理1理论基础实验中，利用霍尔效应对螺线管内的磁场进行测量，在此基础上对该实验进行研究拓展，利用霍尔1．1霍尔效应基本原理效应实现振动测量．如何对大型机械设备工作时如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电的微振动进行测量是目前许多前沿科学亟待解决流J，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为的的问题和重要的研究方

3、向．针对目前机械设备振B匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将动测量和评价方法存在的问题，开展对微振动测产生电势差为L，的霍尔电压．这一现象被称为量方法的深入研究、制定评价标准或校准规范，具霍尔效应．霍尔电压的大小U可通过下式计算：有十分重要的现实意义和应用价值，其成果可为丁R大型机械设备的维护提供准确有效的技术依UH—RH一KHB，(1)“据口]．当前常用的传感器主要有电阻式传感器、式中，R为霍尔系数(与半导体材质有关)，为电容式传感器、压电式传感器和磁电式传感器，这霍尔元件的偏置电流，B为磁感应强度，d为半导几类传感器分别

4、在温度影响、灵敏度、工艺造价、体材料的厚度，K为霍尔元件灵敏度．结构、响应能力等方面存在缺陷]．而霍尔式传I．2线性磁场感器装置结构简单，体积小，重量轻，其中霍尔元由式(1)可知若保持霍尔元件的工作电流，件频带宽，动态特性好且价格低廉．由于以上诸不变，则霍尔电压U与磁感应强度B呈线性关多优点，其在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪系，因而如果令霍尔元件在线性均匀梯度的磁场声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元中移动，必然会产生同样线性均匀变化的霍尔电计算结果验证等方面都有很好的应用前景_4]．本压，输出的霍尔电压U值只由它在该磁

5、场中的文介绍了基于霍尔效应的惯性式振动传感器，首位移量z来决定]．若磁场中的磁感应强度在一先通过理论推导设计所需的磁场区，并通过实验定范围内沿方向的梯度变化dB／dx为常量，则验证其中磁场与位移的线性关系，在此基础上设当霍尔元件沿z方向移动时，霍尔电压U“的变计了霍尔振动传感器，并对其进行应用实验，通过化为：收稿日期：2015—04—09；修改日期：2015—04—21资助项目：国家大学生创新实验项目(华北电力大学)(No．2014．03)作者简介：徐雅惠(1995一)，女，安徽安庆人，华北电力大学电气与电子工程学院2012级本科

6、生．指导教师：邓加军(197O一)，男，湖南双峰人，华北电力大学数理学院副教授，博士，从事大学物理和物理实验教学及凝聚态物理研究．第7期徐雅惠，等：基于霍尔效应的惯性测振实验的研究与应用设计由于模型的尺寸问题，磁场线性区域的具体固定在游标卡尺的下量爪上，同时将霍尔元件放范围以及线性关系是不确定的，下面将通过实验置在磁场中，改变下量爪的位置，从游标卡尺上读的方法来探索．实验中，为了准确把握霍尔元件取位移，每次移动0．5mm，然后读出电压表显示在磁场中的位移，实验时将霍尔元件引脚和接线的霍尔电压值，实验数据记录如表1所示．表1霍尔电压

7、测量值为准确确定己，n与z之间的函数关系，运用确定了U和X的关系，实际振动测量中只Matlab将测量数据以位移作为自变量X，将12组需要记录一定时间内输出的霍尔电压最大值与最霍尔电压数据取平均后作为因变量，拟合线性多小值，得到最大差值AUn(V)，则霍尔元件在线性项式．实际值与拟合曲线对比如图4所示．根据磁场中的相对位移△z=mm．拟合结果得到函数表达式为U一一0．5553x+5．7370，拟合确定系数R为0．9973，表明拟合效3振动传感器的设计与测振应用果良好，可见U和X线性关系较强．在实验研究的基础上得到了基本磁场模型，接下

8、来完成对惯性测振传感器的设计，最后对其进行了测振应用实验，证明测振装置的可行性．3．1基于霍尔效应的惯性测振传感器的设计基于霍尔效应的惯性振动传感器示意图如图5所示．图5中2个L形铁块分别与条形磁铁两端对称固定形成组合磁铁(质量为)，组合磁铁与传感