新型数字螺线管磁场实验仪

蒋学俊 贾 鹏 李 猛 张共宁 张 莉 王文娟

(南京工业大学数理科学学院，江苏 南京 211800)

1　新型数字螺线管磁场实验仪的设计思想

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。依据霍尔效应制成的各种霍尔元件在科学技术中具有广泛的应用，其中“霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布”是霍尔效应在大学物理实验中一个较为典型的应用。利用

测出通电螺线管的轴向磁感应强度大小。其中，UH是待测霍尔电压，KH=RH/d;RH是霍尔元件的霍尔系数;d是霍尔元件的厚度;IS是霍尔电流。

测霍尔电压时必须考虑到伴随霍尔效应产生的多种副效应所产生的附加电压：一是不等位电压，即不加磁场时，霍尔元件电极两端存在的电压。二是爱廷豪森(Etinghausen)效应产生的电压，即是由于各载流子迁移速度不等，因而在磁场中受力不同，使元件上下平面间产生温差，霍尔元件电极两端出现的温差电压。三是能斯脱(Nernst)效应产生的电压，即由于霍尔元件工作电流引线的焊接点处的接触电阻不等，通电后会产生热扩散电流，此热扩散电流在磁场的作用下使霍尔元件电极两端产生类似于UH的电压。四是里纪-勒杜克(Righi-Leduc)效应产生的电压，即是由于热扩散电流的各载流子迁移速度不同而产生的电压[1]。

实验采用保持霍尔电流IM和励磁电流IS大小不变，并设定电流和磁场正反方向后，依次测量4组不同方向的IM和IS组合的霍尔电压值U1、U2、U3、U4，然后取绝对值的平均，即(+IS，+B)、(+IS，-B)、(-IS，+B)、(-IS，-B)组合。

结合式(1)、(2)，利用这种对称测量法测量螺线管轴向磁感应强度[2，3]。

现在普遍使用的螺线管磁场实验仪，电流大小和方向分别是通过电位器和机械开关来控制的。而在实验过程中，电位器和机械开关由于反复大量的使用，极容易产生接触点的磨损，造成接触不良或者失灵的情况，从而导致仪器设备无法正常使用，影响实验的正常进行。

针对以上问题，我们设计了一种新型数字螺线管磁场实验仪。本仪器最大特点在于结合单片机、触控屏和继电器的使用，实现无机械磨损的数字控制。通过触控屏控制数模和模数转换电路，实现电流大小的调节;使用继电器取代传统机械开关，实现电流方向改变的控制;设置虚拟电路连接界面，提高学生动手能力。此外，我们还增加了自动待机和实时曲线显示功能，同时对传统分散的仪器进行整合设计，实现仪器的一体化，提高实验设备的完好率。

2　系统设计

2.1　电路设计

本仪器的电路原理如图1所示，包括：STC89系列单片机[4，5]、通信电路、光耦隔离电路、继电器电路、小信号放大电路、恒流源电路、数模和模数转换电路。

(1)电流换向电路(如图2)：基于继电器和S9013三极管设计，单片机的引脚高低电平控制继电器开关，从而控制电流方向的切换。

(2)通信电路：基于MAX232芯片设计，实现单片机与触控屏之间通信时的电平转换。

(3)光耦隔离电路：基于6 N137高速光耦设计，将模数转换电路与单片机进行隔离，实现信号的正常传输。

图1　整体设计框架图

图2　电流换向电路原理图

图3　单片机接线图

(4)小信号放大电路：基于UA741运算放大器设计，对毫伏级霍尔电压进行放大，以达到模数转换电路分辨精度的要求。

(5)恒流源电路：基于L M358运算放大器设计，达到实验所需的恒流源的要求。

(6)数模和模数转换电路：基于TLV5616数模转换芯片和ADS7816模数转换芯片设计，实现电路的模数和数模转换[6，7]。

2.2　功能实现

触控屏和STC89系列单片机通过通信电路进行串口通信，实现无机械磨损的数字化控制。实验所涉及的物理量主要为霍尔电流、励磁电流和霍尔电压。霍尔电流和励磁电流大小通过恒流源结合数模转换电路进行数字调节，通过模数转换电路采样电流，实现电流大小的反馈调节，方向改变则由继电器电路控制。霍尔电压的信号强度为毫伏级，利用小信号放大电路对霍尔电压进行二级放大，达到模数转换电路的分辨精度要求。利用光耦隔离电路对模数转换电路与单片机进行隔离，获取准确的霍尔电压值。

2.3　触控屏配置

本仪器控制系统是采用点击触控屏上相应图形按钮发出信号，经由单片机接收处理，通过数模和模数转换电路、继电器电路等相应电路模块来实现功能的转换。

在参数预设界面(图4)实验者需要输入螺线管的相关信息和实验所需霍尔电流以及励磁电流大小，通过点击图中“+”“-”图形按键来调节电流大小。以智能触控取代传统机械按键，操作便捷。

图4　参数预设界面图

实验过程需要改变霍尔电流或励磁电流方向，在实验界面(图5)，实验者可通过触控屏上的“正”“反”方向切换按键来改变电流方向。霍尔电压的数据在触控屏上显示，同时也增加了数据的实时曲线显示和数据表格的录入，直观反映当前实验状态，便于学生自主排查实验错误，可操作性强[8]。

图5　实验界面图

2.4　误差处理

在测量霍尔电压UH时，我们所使用的单片机是8位的CPU，配合采用的是12 M晶振，一个指令周期在1～4μs。运行速度相对较慢，再加上单片机和触控屏的通信延时，在执行霍尔电流和线圈励磁电流方向切换较快时，会导致数值出现一定延迟而使所测实验数据存在误差。针对该情况，我们采用多次运行求平均值的办法来减小误差。每测量一次霍尔电压，数模转换器电路运行100次，然后对所得电压值求平均，作为最终在触控屏显示的霍尔电压UH值。在这样的处理之下，仪器的误差得以降低，实验精度得以保证。

3　教学实现

与传统螺线管磁场实验仪不同，本仪器还增加了虚拟电路连接的功能，因此在实验过程中，学生要在对实验充分了解的基础上进行虚拟接线。如图6所示，图中分别给出了霍尔电流、励磁电流、霍尔电压相对应的接口，学生需在右侧填入与接口相对应的接线序号，方可进入实验界面，否则仪器将会报错，无法进行下一步操作。这样的设计既可以提高学生动手操作能力，又可以丰富实验内容，同时还可以提高仪器的安全性。

图6　实验电路虚拟接线界面图

在正确接线的基础上，学生可以进行参数的预设，与传统仪器不同的是，本仪器增加了实验实时曲线显示功能，因此在实验过程中，可以要求学生测量不同霍尔电流和励磁电流情况下螺线管轴向磁感应强度并进行实时对比，从而达到加深学生对实验理解的目的。

此外，本仪器增添了自动待机功能，这样可以降低仪器的损耗，提高实验设备安全性。本仪器增加了实验原理和实验帮助功能，可以为学生提供在线帮助，这样学生可以锻炼独立完成实验的能力，同时也减轻了实验指导教师劳动强度。

4　结语

我们自主设计的新型数字螺线管磁场实验仪是对当前我校物理实验中心原仪器的提档升级。新型仪器结合单片机、触控屏、继电器等一系列电路的使用，实现无机械磨损的数字控制，延长了仪器使用寿命，提高了设备的完好率，确保了物理实验教学的正常进行。此外，本仪器的设计思路还可以推广到其他物理实验设备中。