新型數字螺線管磁場實驗儀

蔣學俊 賈 鵬 李 猛 張共寧 張 莉 王文娟

(南京工業大學數理科學學院，江蘇 南京 211800)

1　新型數字螺線管磁場實驗儀的設計思想

霍爾效應是電磁效應的一種，這一現象是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬的導電機制時發現的。依據霍爾效應制成的各種霍爾元件在科學技術中具有廣泛的應用，其中“霍爾效應法測定螺線管軸向磁感應強度分布”是霍爾效應在大學物理實驗中一個較為典型的應用。利用

測出通電螺線管的軸向磁感應強度大小。其中，UH是待測霍爾電壓，KH=RH/d;RH是霍爾元件的霍爾系數;d是霍爾元件的厚度;IS是霍爾電流。

測霍爾電壓時必須考慮到伴隨霍爾效應產生的多種副效應所產生的附加電壓：一是不等位電壓，即不加磁場時，霍爾元件電極兩端存在的電壓。二是愛廷豪森(Etinghausen)效應產生的電壓，即是由于各載流子遷移速度不等，因而在磁場中受力不同，使元件上下平面間產生溫差，霍爾元件電極兩端出現的溫差電壓。三是能斯脫(Nernst)效應產生的電壓，即由于霍爾元件工作電流引線的焊接點處的接觸電阻不等，通電后會產生熱擴散電流，此熱擴散電流在磁場的作用下使霍爾元件電極兩端產生類似于UH的電壓。四是里紀-勒杜克(Righi-Leduc)效應產生的電壓，即是由于熱擴散電流的各載流子遷移速度不同而產生的電壓[1]。

實驗采用保持霍爾電流IM和勵磁電流IS大小不變，并設定電流和磁場正反方向后，依次測量4組不同方向的IM和IS組合的霍爾電壓值U1、U2、U3、U4，然后取絕對值的平均，即(+IS，+B)、(+IS，-B)、(-IS，+B)、(-IS，-B)組合。

結合式(1)、(2)，利用這種對稱測量法測量螺線管軸向磁感應強度[2，3]。

現在普遍使用的螺線管磁場實驗儀，電流大小和方向分別是通過電位器和機械開關來控制的。而在實驗過程中，電位器和機械開關由于反復大量的使用，極容易產生接觸點的磨損，造成接觸不良或者失靈的情況，從而導致儀器設備無法正常使用，影響實驗的正常進行。

針對以上問題，我們設計了一種新型數字螺線管磁場實驗儀。本儀器最大特點在于結合單片機、觸控屏和繼電器的使用，實現無機械磨損的數字控制。通過觸控屏控制數模和模數轉換電路，實現電流大小的調節;使用繼電器取代傳統機械開關，實現電流方向改變的控制;設置虛擬電路連接界面，提高學生動手能力。此外，我們還增加了自動待機和實時曲線顯示功能，同時對傳統分散的儀器進行整合設計，實現儀器的一體化，提高實驗設備的完好率。

2　系統設計

2.1　電路設計

本儀器的電路原理如圖1所示，包括：STC89系列單片機[4，5]、通信電路、光耦隔離電路、繼電器電路、小信號放大電路、恒流源電路、數模和模數轉換電路。

(1)電流換向電路(如圖2)：基于繼電器和S9013三極管設計，單片機的引腳高低電平控制繼電器開關，從而控制電流方向的切換。

(2)通信電路：基于MAX232芯片設計，實現單片機與觸控屏之間通信時的電平轉換。

(3)光耦隔離電路：基于6 N137高速光耦設計，將模數轉換電路與單片機進行隔離，實現信號的正常傳輸。

圖1　整體設計框架圖

圖2　電流換向電路原理圖

圖3　單片機接線圖

(4)小信號放大電路：基于UA741運算放大器設計，對毫伏級霍爾電壓進行放大，以達到模數轉換電路分辨精度的要求。

(5)恒流源電路：基于L M358運算放大器設計，達到實驗所需的恒流源的要求。

(6)數模和模數轉換電路：基于TLV5616數模轉換芯片和ADS7816模數轉換芯片設計，實現電路的模數和數模轉換[6，7]。

2.2　功能實現

觸控屏和STC89系列單片機通過通信電路進行串口通信，實現無機械磨損的數字化控制。實驗所涉及的物理量主要為霍爾電流、勵磁電流和霍爾電壓。霍爾電流和勵磁電流大小通過恒流源結合數模轉換電路進行數字調節，通過模數轉換電路采樣電流，實現電流大小的反饋調節，方向改變則由繼電器電路控制。霍爾電壓的信號強度為毫伏級，利用小信號放大電路對霍爾電壓進行二級放大，達到模數轉換電路的分辨精度要求。利用光耦隔離電路對模數轉換電路與單片機進行隔離，獲取準確的霍爾電壓值。

2.3　觸控屏配置

本儀器控制系統是采用點擊觸控屏上相應圖形按鈕發出信號，經由單片機接收處理，通過數模和模數轉換電路、繼電器電路等相應電路模塊來實現功能的轉換。

在參數預設界面(圖4)實驗者需要輸入螺線管的相關信息和實驗所需霍爾電流以及勵磁電流大小，通過點擊圖中“+”“-”圖形按鍵來調節電流大小。以智能觸控取代傳統機械按鍵，操作便捷。

圖4　參數預設界面圖

實驗過程需要改變霍爾電流或勵磁電流方向，在實驗界面(圖5)，實驗者可通過觸控屏上的“正”“反”方向切換按鍵來改變電流方向。霍爾電壓的數據在觸控屏上顯示，同時也增加了數據的實時曲線顯示和數據表格的錄入，直觀反映當前實驗狀態，便于學生自主排查實驗錯誤，可操作性強[8]。

圖5　實驗界面圖

2.4　誤差處理

在測量霍爾電壓UH時，我們所使用的單片機是8位的CPU，配合采用的是12 M晶振，一個指令周期在1～4μs。運行速度相對較慢，再加上單片機和觸控屏的通信延時，在執行霍爾電流和線圈勵磁電流方向切換較快時，會導致數值出現一定延遲而使所測實驗數據存在誤差。針對該情況，我們采用多次運行求平均值的辦法來減小誤差。每測量一次霍爾電壓，數模轉換器電路運行100次，然后對所得電壓值求平均，作為最終在觸控屏顯示的霍爾電壓UH值。在這樣的處理之下，儀器的誤差得以降低，實驗精度得以保證。

3　教學實現

與傳統螺線管磁場實驗儀不同，本儀器還增加了虛擬電路連接的功能，因此在實驗過程中，學生要在對實驗充分了解的基礎上進行虛擬接線。如圖6所示，圖中分別給出了霍爾電流、勵磁電流、霍爾電壓相對應的接口，學生需在右側填入與接口相對應的接線序號，方可進入實驗界面，否則儀器將會報錯，無法進行下一步操作。這樣的設計既可以提高學生動手操作能力，又可以豐富實驗內容，同時還可以提高儀器的安全性。

圖6　實驗電路虛擬接線界面圖

在正確接線的基礎上，學生可以進行參數的預設，與傳統儀器不同的是，本儀器增加了實驗實時曲線顯示功能，因此在實驗過程中，可以要求學生測量不同霍爾電流和勵磁電流情況下螺線管軸向磁感應強度并進行實時對比，從而達到加深學生對實驗理解的目的。

此外，本儀器增添了自動待機功能，這樣可以降低儀器的損耗，提高實驗設備安全性。本儀器增加了實驗原理和實驗幫助功能，可以為學生提供在線幫助，這樣學生可以鍛煉獨立完成實驗的能力，同時也減輕了實驗指導教師勞動強度。

4　結語

我們自主設計的新型數字螺線管磁場實驗儀是對當前我校物理實驗中心原儀器的提檔升級。新型儀器結合單片機、觸控屏、繼電器等一系列電路的使用，實現無機械磨損的數字控制，延長了儀器使用壽命，提高了設備的完好率，確保了物理實驗教學的正常進行。此外，本儀器的設計思路還可以推廣到其他物理實驗設備中。