秦艳芬 王洪涛 章国荣 赖莉飞 金淑华 金丹青

(宁波工程学院理学院,浙江宁波 315016)

在物理实验中引入通用数据采集器搭建自组实验平台的研究

秦艳芬 王洪涛 章国荣 赖莉飞 金淑华 金丹青

(宁波工程学院理学院,浙江宁波 315016)

文章以集成霍尔传感器特性研究实验为例,介绍在物理实验教学中引入通用数据采集器搭建自组实验平台的具体应用.实验中所用设备都为传统通用设备,实验现象直接由计算机显示,实验数据导出为 Excel文档,利于数据处理、分析.既保留了传统仪器的所有功能,又增加了现代测量手段的自动采集、显示、分析功能.培养学生把多种物理知识交叉使用来解决实际问题.

物理实验;通用数据采集器;自组实验平台

1 引言

随着科学技术的快速发展和现代物理实验技术在现代社会中的广泛应用,使用现代测量手段、先进的实验装置,是社会对物理实验教学提出的新要求.计算机技术应用于物理实验课教学,已是现代物理实验教学发展的方向之一.前些年,国内一些用计算机进行控制、采集、记录、分析的物理实验仪器也应运而生,如光栅光谱仪等,并在许多高校用于教学中.这些仪器的特点是实验的软硬件都由计算机控制,实验过程由鼠标控制完成.实验数据采集手段是先进了,但这种一体化的实验,学生既观察不到物理现象的发生,也不能操作仪器,学生只能从计算机显示器上观察到结果,作为实验教学大大地削弱了学生的动手能力和实验观察能力的训练.

将通用数据采集器引入物理实验,由计算机、通用数据采集器、传统仪器并结合现代传感器技术构成,可有效地解决现代测量手段与增强动手能力和实验观察能力这一矛盾.本文以通用数据采集器在集成霍耳传感器特性研究应用中的内容之一为例,介绍自组实验平台搭建、实验电路设计、数据采集及分析的全过程.

2 实验介绍

2.1 仪器介绍

1)通用数据采集器

在实验中我们采用的是国产Lab Corder数据采集分析控制仪,A/D采集卡设置为:双端输入;双极性;量程±5V.该仪器同时采集的两个通道分别设为X通道(CH1)和 Y通道(CH2).

2)集成霍耳传感器

SS495A型集成霍耳传感器(线性测量范围0～67mT,灵敏度31.25V/T)由霍耳元件,放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成(图1).工作电压VS=5V,在磁感应强度为零时,输出电压为Uo≈2.5V伏.它的输出电压U与磁感应强度B的关系式为式(1),关系曲线如图2所示.

图1 SS495A型集成霍耳传感器

图2 输出电压与磁感应强度的关系图

式中,U为集成霍耳传感器输出电压;K为该传感器的灵敏度.

2.2 实验内容

本实验是测量SS495A型集成霍耳传感器霍耳电压与所在磁场磁感应强度的关系.实验需要提供产生霍尔效应的磁场;提供霍耳传感器的工作电压;同时为了使得所测量霍耳传感器输出电压即为霍耳电压,则必须做到霍耳传感器在工作电压VS=5V,磁感应强度为零时,霍耳传感器输出电压为Uo=0,这样U-Uo=UH.这需做补偿电路使得原Uo≈2.5V被补偿.

分析上述实验要求,自组实验平台需要:由通电螺线管提供产生磁场,由直流恒流源提供励磁电流;由直流稳压源提供霍耳传感器的工作电压;直流分压器提供补偿电路.

实验电路设计如图3.实验中对霍耳电压的测量采集可直接进采集器,实验中直流分压盒的中点即为霍耳电压的低电位端,OU T为高电位端.对磁场磁感应强度的采集是通过对励磁电流的采集,而数据采集器只能对电压采集,所以这里对励磁电流的采集是通过电流上电阻两端的电压的采集而得到(电流-电压转换).

图3 霍耳电压UH与磁感应强度B关系测量电路

2.3 采集结果及分析

实验中数据采集器采样率为10次/s,横、纵坐标显示量分别为励磁电流和霍耳电压,采集的结果如图4所示.

图4 数据采集器采集结果

将采集的数据导出(有导出功能),导出数据即为excel文档,数据处理分析非常方便.直接由I=U/R式计算出X通道采集量所对应的励磁电流值;Y轴对应霍耳电压值;已知当 IM=0.1A时,B=1.4366mT,通过计算可得该实验励磁电流下所对应的磁场磁感应强度B值;根据计算结果绘出传感器霍耳电压与所在磁场磁感应强度的关系特性曲线(图5);通过最小二乘法线性拟合得到U=31.26B-0.00,相关系数为0.9999,由此得到霍耳传感器灵敏度为 31.26V/T,与参考值31.25V/T比较,百分误差为0.04%;所得特性曲线与参考图(图2)比较有很好的符合.

图5 霍耳电压UH与磁感应强度B关系

3 结论

用通用数据采集器搭建的自组实验平台完成“集成霍耳传感器特性研究实验”,实验中所用设备都为传统通用设备.实验现象直接由计算机显示,实验数据导出为excel文档,利于数据处理、分析.既保留了传统仪器的所有功能,又增加了现代测量手段的自动采集、显示、分析功能,较传统实验方式灵活方便,且接近现代科研生产需要,培养学生把多种物理知识交叉使用来解决实际问题的动手能力.

实验课上测试仪器由学生自搭完成,学生用自搭的实验仪器完成实验中的测量,既培养了学生的动手能力,又训练学生的科学实验思维,同时增加了知识技能的通用性和实用性,也提高了学生的学习兴趣,受到学生和教师的欢迎.

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STUDY ON BUILDING SELF-PREPARED EXPERIMENT PLATFORM IN PHYSICS EXPERIMENT BY INTRODUCING OF THE UNIVERSAL DATA ACQUISITION

Qin Yanfen Wang Hongtao Zhang Guorong Lai Lifei Jin Shuhua Jin Danqing
(College of Science,Ningbo University of Technology,Ningbo,Zhejiang 315016)

In this work,we took the study of integrated Hall sensor experiments as an example.We presented the introduction of the universal data acquisition to build self-prepared experiment platform for specific application in physics experiment teaching,whose equipments were all the traditional general-purpose equipments.By used the system,we can obtain that experimental phenomenon can be directly displayed on the computer and large amount of experiment data can be collected and exported as excel format document.The system not only can retain all the functionality of traditional equipments,but also increase the means of modern measurement such as the automatic acquisition,display and analysis functions.This system can also train students to use a variety of physical knowledge to solve practical problems.

physical experiment;universal data acquisition;self-prepared experiment platform

2011-01-27)

此项目为浙江省2010年度教育规划课题.课题编号为SCG415

秦艳芬,1959年出生,女,辽宁辽阳,高级实验师,本科,物理实验教学.