新型數(shù)字螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀

蔣學(xué)俊 賈 鵬 李 猛 張共寧 張 莉 王文娟

(南京工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211800)

1　新型數(shù)字螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)思想

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的各種霍爾元件在科學(xué)技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，其中“霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布”是霍爾效應(yīng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)較為典型的應(yīng)用。利用

測(cè)出通電螺線管的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。其中，UH是待測(cè)霍爾電壓，KH=RH/d;RH是霍爾元件的霍爾系數(shù);d是霍爾元件的厚度;IS是霍爾電流。

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

實(shí)驗(yàn)采用保持霍爾電流IM和勵(lì)磁電流IS大小不變，并設(shè)定電流和磁場(chǎng)正反方向后，依次測(cè)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(duì)值的平均，即(+IS，+B)、(+IS，-B)、(-IS，+B)、(-IS，-B)組合。

結(jié)合式(1)、(2)，利用這種對(duì)稱測(cè)量法測(cè)量螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度[2，3]。

現(xiàn)在普遍使用的螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀，電流大小和方向分別是通過(guò)電位器和機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)控制的。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電位器和機(jī)械開(kāi)關(guān)由于反復(fù)大量的使用，極容易產(chǎn)生接觸點(diǎn)的磨損，造成接觸不良或者失靈的情況，從而導(dǎo)致儀器設(shè)備無(wú)法正常使用，影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀。本儀器最大特點(diǎn)在于結(jié)合單片機(jī)、觸控屏和繼電器的使用，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械磨損的數(shù)字控制。通過(guò)觸控屏控制數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)電流大小的調(diào)節(jié);使用繼電器取代傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流方向改變的控制;設(shè)置虛擬電路連接界面，提高學(xué)生動(dòng)手能力。此外，我們還增加了自動(dòng)待機(jī)和實(shí)時(shí)曲線顯示功能，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)分散的儀器進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)儀器的一體化，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完好率。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　電路設(shè)計(jì)

本儀器的電路原理如圖1所示，包括：STC89系列單片機(jī)[4，5]、通信電路、光耦隔離電路、繼電器電路、小信號(hào)放大電路、恒流源電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

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

(2)通信電路：基于MAX232芯片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與觸控屏之間通信時(shí)的電平轉(zhuǎn)換。

(3)光耦隔離電路：基于6 N137高速光耦設(shè)計(jì)，將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常傳輸。

圖1　整體設(shè)計(jì)框架圖

圖2　電流換向電路原理圖

圖3　單片機(jī)接線圖

(4)小信號(hào)放大電路：基于UA741運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，對(duì)毫伏級(jí)霍爾電壓進(jìn)行放大，以達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分辨精度的要求。

(5)恒流源電路：基于L M358運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的恒流源的要求。

(6)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：基于TLV5616數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和ADS7816模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電路的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換[6，7]。

2.2　功能實(shí)現(xiàn)

觸控屏和STC89系列單片機(jī)通過(guò)通信電路進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械磨損的數(shù)字化控制。實(shí)驗(yàn)所涉及的物理量主要為霍爾電流、勵(lì)磁電流和霍爾電壓。霍爾電流和勵(lì)磁電流大小通過(guò)恒流源結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣電流，實(shí)現(xiàn)電流大小的反饋調(diào)節(jié)，方向改變則由繼電器電路控制。霍爾電壓的信號(hào)強(qiáng)度為毫伏級(jí)，利用小信號(hào)放大電路對(duì)霍爾電壓進(jìn)行二級(jí)放大，達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的分辨精度要求。利用光耦隔離電路對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)進(jìn)行隔離，獲取準(zhǔn)確的霍爾電壓值。

2.3　觸控屏配置

本儀器控制系統(tǒng)是采用點(diǎn)擊觸控屏上相應(yīng)圖形按鈕發(fā)出信號(hào)，經(jīng)由單片機(jī)接收處理，通過(guò)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、繼電器電路等相應(yīng)電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換。

在參數(shù)預(yù)設(shè)界面(圖4)實(shí)驗(yàn)者需要輸入螺線管的相關(guān)信息和實(shí)驗(yàn)所需霍爾電流以及勵(lì)磁電流大小，通過(guò)點(diǎn)擊圖中“+”“-”圖形按鍵來(lái)調(diào)節(jié)電流大小。以智能觸控取代傳統(tǒng)機(jī)械按鍵，操作便捷。

圖4　參數(shù)預(yù)設(shè)界面圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要改變霍爾電流或勵(lì)磁電流方向，在實(shí)驗(yàn)界面(圖5)，實(shí)驗(yàn)者可通過(guò)觸控屏上的“正”“反”方向切換按鍵來(lái)改變電流方向。霍爾電壓的數(shù)據(jù)在觸控屏上顯示，同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示和數(shù)據(jù)表格的錄入，直觀反映當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，便于學(xué)生自主排查實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，可操作性強(qiáng)[8]。

圖5　實(shí)驗(yàn)界面圖

2.4　誤差處理

在測(cè)量霍爾電壓UH時(shí)，我們所使用的單片機(jī)是8位的CPU，配合采用的是12 M晶振，一個(gè)指令周期在1～4μs。運(yùn)行速度相對(duì)較慢，再加上單片機(jī)和觸控屏的通信延時(shí)，在執(zhí)行霍爾電流和線圈勵(lì)磁電流方向切換較快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值出現(xiàn)一定延遲而使所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差。針對(duì)該情況，我們采用多次運(yùn)行求平均值的辦法來(lái)減小誤差。每測(cè)量一次霍爾電壓，數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路運(yùn)行100次，然后對(duì)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(shí)驗(yàn)精度得以保證。

3　教學(xué)實(shí)現(xiàn)

與傳統(tǒng)螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀不同，本儀器還增加了虛擬電路連接的功能，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生要在對(duì)實(shí)驗(yàn)充分了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬接線。如圖6所示，圖中分別給出了霍爾電流、勵(lì)磁電流、霍爾電壓相對(duì)應(yīng)的接口，學(xué)生需在右側(cè)填入與接口相對(duì)應(yīng)的接線序號(hào)，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，否則儀器將會(huì)報(bào)錯(cuò)，無(wú)法進(jìn)行下一步操作。這樣的設(shè)計(jì)既可以提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，又可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)還可以提高儀器的安全性。

圖6　實(shí)驗(yàn)電路虛擬接線界面圖

在正確接線的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)行參數(shù)的預(yù)設(shè)，與傳統(tǒng)儀器不同的是，本儀器增加了實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)曲線顯示功能，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以要求學(xué)生測(cè)量不同霍爾電流和勵(lì)磁電流情況下螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度并進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，從而達(dá)到加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理解的目的。

此外，本儀器增添了自動(dòng)待機(jī)功能，這樣可以降低儀器的損耗，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全性。本儀器增加了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)幫助功能，可以為學(xué)生提供在線幫助，這樣學(xué)生可以鍛煉獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的能力，同時(shí)也減輕了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師勞動(dòng)強(qiáng)度。

4　結(jié)語(yǔ)

我們自主設(shè)計(jì)的新型數(shù)字螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀是對(duì)當(dāng)前我校物理實(shí)驗(yàn)中心原儀器的提檔升級(jí)。新型儀器結(jié)合單片機(jī)、觸控屏、繼電器等一系列電路的使用，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械磨損的數(shù)字控制，延長(zhǎng)了儀器使用壽命，提高了設(shè)備的完好率，確保了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行。此外，本儀器的設(shè)計(jì)思路還可以推廣到其他物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備中。