用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置

摘要

本发明涉及一种用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法及装置，属于实验仪器。本发明二级杠杆短臂搭接在一级杠杆长臂顶端，二级杠杆长臂下端设有霍尔集成器，霍尔集成器设置在线圈轴线上，霍尔集成器和线圈分别与控制电路连接。本发明待测物体的微小位移推动一级杠杆，一级杠杆推动二级杠杆发生较大位移，二级杠杆带动霍尔集成器在线圈轴线上移动，导致霍尔集成器在磁场内发生较大位移，毫特斯拉计的读数值发生相应变化，此数值与霍尔传感器位置一一对应，通过此读数值变化，即可算出待测物的微小位移。其测量过程没有人为干扰，数据客观、唯一；结构紧凑、简单、直观，占用空间少，维护及使用成本低，易于在全国高校推广。

主权项

用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的装置，包括：一级杠杆(6)、二级杠杆(8)，二级杠杆(8)短臂(17)搭接在一级杠杆(6)长臂(16)顶端，二级杠杆(8)长臂下端设有霍尔集成器(9)，霍尔集成器(9)设置在线圈(5)轴线上，霍尔集成器(9)和线圈(5)分别与控制电路(13)连接；其特征在于，一级杠杆(6)安装在底座(1)上，底座(1)上设有支架(4)，支架(4)与底座(1)通过轴连接，支架(4)能够绕轴360度旋转，支架(4)上设有线圈(5)，线圈(5)与支架(4)通过轴连接，线圈(5)能够绕轴360度旋转；所述底座(1)还设有右侧立柱(3)，立柱(3)与二级杠杆(8)的悬架(7)连接；悬架(7)与二级杠杆(8)通过套筒连接，套筒上设有调节螺栓插孔；所述一级杠杆(6)和二级杠杆(8)通过套筒与底座(1)连接，套筒上设有调节螺栓插孔；所述一级杠杆长臂(16)上设有“凸”字形端头(20)；二级杠杆短臂(17)呈“钩”形；所述霍尔集成器(9)设置在线圈(5)轴线上的滑槽(10)内；所述控制电路(13)包括：霍尔集成器连接口(21)、毫特斯拉计及显示器(22)、毫特斯拉计调零旋钮(23)、导线插孔(24)、毫安表及显示器(25)、毫安表调节钮(26)、电源开关(27)，霍尔集成器(9)通过霍尔集成器连接口(21)与毫特斯拉计调零旋钮(23)、毫特斯拉计及显示器(22)连接；线圈(5)通过导线(12)与导线插孔(24)、毫安表及显示器(25)、毫安表调节钮(26)连接；用杠杆和霍尔集成器测量固体材料微小伸长量的方法如下，测量开始时，把一级杠杆(6)短臂(18)顶端双向足(19)的其中一个足置于待测试材料的受试部位；再把数据线(11)连接到霍尔集成器连接口(21)，打开电源开关(27)，旋动毫特斯拉计调零旋钮(23)，使得毫特斯拉计及显示器(22)的数值为0；把导线(12)连接到导线插孔(24)，旋动毫安表调节钮(26)，使得毫安表及显示器(25)的数值为100mA；实验开始，双向足(19)被长度发生变化的待测材料推动，导致一级杠杆(6)绕左侧转轴(14)转动；一级杠杆(6)长臂(16)顶端的“凸”字形端头(20)推动二级杠杆(8)的短臂(17)，使得二级杠杆(8)绕右侧转轴(15)转动；二级杠杆(8)带动霍尔集成器(9)在线圈(5)轴线上的滑槽(10)上移动；毫特斯拉计显示器(22)的数值发生变化，当待测材料长度变化Δl时，推动一级杠杆长臂端头移动距离Δh，一级杠杆发生移动并与水平线产生一个夹角θ，二级杠杆在一级杠杆的推动下移动并与竖直线产生角度β，霍尔集成器由二级杠杆长臂端带动在滑槽上移动距离Δx；设一级杠杆的长臂、短臂长度分别为b、a，令则有$\frac{\Delta h}{\Delta l}=n---\left(1\right)$如果设二级级杠杆的长臂、短臂长度分别为b′、a′，令则有$\frac{\Delta x}{\Delta h}=m---\left(2\right)$由公式(1)和(2)得到$\frac{\Delta x}{\Delta l}=nm---\left(3\right)$又，线圈在轴线(通过圆心并与线圈平面垂直的直线)上某点的磁感应强度为$B=\frac{{\mu }_0·{\bar{R}}^2}{2{({\bar{R}}^2+x^2)}^{3/2}}N·I---\left(4\right)$式中μ₀为真空磁导率，为线圈的平均半径，x为轴上某一点到圆心0的距离，N为圆线圈的匝数，I为通过线圈的电流强度；设x＝Δx时，B＝B′  (5)同时令k＝μ₀·N·I  (6)把式(3)(5)(6)带入(4)得到$\Delta l=\frac{\sqrt{{\left(\frac{k}{B^{\prime }}\right)}^{\frac{2}{3}}-{\bar{R}}^2}}{nm}---\left(7\right)$所述公式(7)$\Delta l=\frac{\sqrt{{\left(\frac{k}{B^{\prime }}\right)}^{\frac{2}{3}}-{\bar{R}}^2}}{nm}$即为测量固体材料长度微小变化量的计算公式，式中Δl为待测量，n为一级杠杆长臂与短臂之比，m为二级杠杆长臂与短臂之比，k为真空磁导率μ₀、圆线圈的匝数N、通过线圈的电流强度I三者的乘积，B′为圆线圈轴线上霍尔集成器所在位置处的磁场强度值，线圈的半径为上式中n、m、k、均已知，把数值带入公式(7)算出受试材料的微小伸长量，通过毫特斯拉计测得B′值，即可求出Δl。