實(shí)驗(yàn)8 霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)A4及實(shí)驗(yàn)9指導(dǎo)書：串口通信實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE6實(shí)驗(yàn)八霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解霍爾器件的工作特性。2．掌握霍爾器件測(cè)量磁場(chǎng)的工作原理。3．用霍爾器件測(cè)量長(zhǎng)直螺線管的磁場(chǎng)分布。4．考查一對(duì)共軸線圈的磁耦合度。【實(shí)驗(yàn)儀器】長(zhǎng)直螺線管、亥姆霍茲線圈、霍爾效應(yīng)測(cè)磁儀、霍爾傳感器等?！緦?shí)驗(yàn)原理】1．霍爾器件測(cè)量磁場(chǎng)的原理mAmA××××××××××××××××××××××××××××××××××××FmFHveEIEHUHdbL1234圖1霍爾效應(yīng)原理如圖1所示，有－N型半導(dǎo)體材料制成的霍爾傳感器，長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為b，厚為d，其四個(gè)側(cè)面各焊有一個(gè)電極1、2、3、4。將其放在如圖所示的垂直磁場(chǎng)中，沿3、4兩個(gè)側(cè)面通以電流I，則電子將沿負(fù)I方向以速度運(yùn)動(dòng)，此電子將受到垂直方向磁場(chǎng)B的洛侖茲力作用，造成電子在半導(dǎo)體薄片的1測(cè)積累過量的負(fù)電荷，2側(cè)積累過量的正電荷。因此在薄片中產(chǎn)生了由2側(cè)指向1側(cè)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)對(duì)電子的作用力，與反向，當(dāng)兩種力相平衡時(shí)，便出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，1、2兩側(cè)面將建立起穩(wěn)定的電壓，此種效應(yīng)為霍爾效應(yīng)，由此而產(chǎn)生的電壓叫霍爾電壓，1、2端輸出的霍爾電壓可由數(shù)顯電壓表測(cè)量并顯示出來。如果半導(dǎo)體中電流I是穩(wěn)定而均勻的，可以推導(dǎo)出滿足：，式中，為霍耳系數(shù)，通常定義，稱為靈敏度。由和的定義可知，對(duì)于一給定的霍耳傳感器，和有唯一確定的值，在電流I不變的情況下，與B有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。2．誤差分析及改進(jìn)措施UUHI123456圖2由于系統(tǒng)誤差中影響最大的是不等勢(shì)電勢(shì)差，下面介紹一種方法可直接消除不等勢(shì)電勢(shì)差的影響，不用多次改變B、I方向。如圖2所示，將圖2中電極2引線處焊上兩個(gè)電極引線5、6，并在5、6間連接一可變電阻，其滑動(dòng)端作為另一引出線2，將線路完全接通后，可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)觸頭2，使數(shù)字電壓表所測(cè)電壓為零，這樣就消除了1、2兩引線間的不等勢(shì)電勢(shì)差，而且還可以測(cè)出不等勢(shì)電勢(shì)差的大小。本霍爾效應(yīng)測(cè)磁儀的霍爾電壓測(cè)量部分就采用了這種電路，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程變得較為容易操作，不過實(shí)驗(yàn)前要首先進(jìn)行霍爾輸出電壓的調(diào)零，以消除霍爾器件的“不等位電勢(shì)”。在測(cè)量過程中，如果操作不當(dāng)，使霍爾元件與螺線管磁場(chǎng)不垂直，或霍爾元件中電流與磁場(chǎng)不垂直，也會(huì)引入系統(tǒng)誤差。3．載流長(zhǎng)直螺線管中的磁場(chǎng)從電磁學(xué)中我們知道，螺線管是繞在圓柱面上的螺旋型線圈。對(duì)于密繞的螺線管來說，可以近似地看成是一系列園線圈并排起來組成的。如果其半徑為R、總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)為n，并取螺線管的軸線為x軸，其中心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，則（1）對(duì)于無限長(zhǎng)螺線管或的有限長(zhǎng)螺線管，其軸線上的磁場(chǎng)是一個(gè)均勻磁場(chǎng)，且等于：式中——真空磁導(dǎo)率；——單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)；——線圈的勵(lì)磁電流。（2）對(duì)于半無限長(zhǎng)螺線管的一端或有限長(zhǎng)螺線管兩端口的磁場(chǎng)為：即端口處磁感應(yīng)強(qiáng)度為中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半，兩者情況如圖3所示。LL2RxOBOO圖34．亥姆霍茲線圈及其耦合度兩個(gè)匝數(shù)相等、間距等于其半徑，并通以同向、等值電流的共軸線圈，叫亥姆霍茲線圈，如圖4所示。圖圖4IIO1O2xOP下面，我們來研究亥姆霍茲線圈兩圓心間軸線上的磁場(chǎng)。設(shè)圖4中每個(gè)線圈為匝，兩線圈間距為，取線圈軸線上距兩線圈等距離的點(diǎn)為原點(diǎn)，軸線為軸，則在兩線圈圓心和之間軸上任意一點(diǎn)（其坐標(biāo)為）到兩線圈圓心的距離分別是和，兩線圈在點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分別是和：,。因、的方向相同，都在軸的正方向，所以點(diǎn)的總磁場(chǎng)為：。在點(diǎn)處，因且，所以：。在和點(diǎn)的大小相等：。和點(diǎn)之間其它各點(diǎn)的值介于和之間，可見在亥姆霍茲線圈軸線上，點(diǎn)的磁場(chǎng)最強(qiáng)，和之間的相對(duì)變化量不大于6%，磁場(chǎng)均勻性較好。在生產(chǎn)和科研中，當(dāng)所需磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，常用這種方法來產(chǎn)生較均勻的磁場(chǎng)。從以上敘述來看，當(dāng)兩共軸線圈之間的間距等于線圈的半徑時(shí)，將構(gòu)成亥姆霍茲線圈，從而可以得到場(chǎng)強(qiáng)不太強(qiáng)的均勻磁場(chǎng)，但當(dāng)這一對(duì)共軸線圈的間距不等于半徑時(shí)，其軸線上的磁場(chǎng)分布將隨著距離的改變而改變，可呈現(xiàn)出如圖5的a、b、c所示的欠耦合、耦合，過耦合狀態(tài)，兩線圈的磁場(chǎng)耦合度可以通過霍爾器件來測(cè)量。圖圖5O1O1O1O2O2O2xxxxabc5.儀器介紹霍爾效應(yīng)測(cè)磁實(shí)驗(yàn)儀是利用n型鍺（Ge）霍爾器件作為測(cè)磁傳感器的物理實(shí)驗(yàn)儀器，它由以下幾部分組成：霍爾測(cè)磁傳感器，使用四芯屏蔽式耦合電纜，霍爾效應(yīng)測(cè)磁儀以數(shù)顯形式提供0～800mA的勵(lì)磁電流、0～10mA的霍爾片工作電流及顯示被測(cè)量的霍爾電勢(shì)（后有換檔開關(guān)）。長(zhǎng)直螺線管：L=30cm，N=4×9T/cm，R=1.7cm。共軸線圈對(duì)：D=17.2cm，N=320匝（每個(gè)）?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1．測(cè)量螺線管軸線上的磁場(chǎng)（1）將霍爾測(cè)磁傳感器電流調(diào)至額定值，調(diào)整不等位電勢(shì)，將霍爾輸出電壓校正至0伏，然后將螺線管電流調(diào)至600mA。根據(jù)探桿上的刻度，將霍爾器件插入到螺線管中心位置（定為坐標(biāo)原點(diǎn)），此時(shí)mV表上讀數(shù)即為該點(diǎn)磁感應(yīng)的霍爾電壓值（若探桿插入后，霍爾電壓出現(xiàn)負(fù)值，可對(duì)調(diào)螺線管兩端的電源極性，以改變螺線管內(nèi)磁場(chǎng)的方向），將探桿在螺線管中緩慢前移，從探桿上的刻度讀出霍爾元件在螺線管中的位置，同時(shí)讀出相應(yīng)各點(diǎn)的霍爾電壓值，記入表1中。計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度，已知，。表1x（cm）01234567891011121314UH（mV）2.472.492.492.492.452.472.482.482.482.492.492.462.432.362.22B（）2.792.812.812.812.772.792.802.802.802.812.812.872.752.672.51x（cm）15161718192021222324UH（mV）1.881.280.720.460.330.260.220.180.220.24B（）2.121.450.810.520.370.290.250.200.250.27理論值：長(zhǎng)直螺線管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。（2）作出關(guān)系曲線圖，驗(yàn)證螺線管端口磁場(chǎng)為中部磁場(chǎng)的1/2。管口處指示長(zhǎng)度約為16cm，由圖線可知，當(dāng)L=16cm時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度約為中部強(qiáng)度的一半。2．考查一對(duì)共軸線圈的耦合度（1）將兩個(gè)共軸線圈串聯(lián)相接，換下步驟1中的螺線管，調(diào)節(jié)共軸線圈中的電流為600mA（接線時(shí)務(wù)必保持兩個(gè)共軸線圈的磁場(chǎng)方向一致）。（2）改變共軸線圈間距，使，將霍爾器件放置在線圈的中心間距處（定為坐標(biāo)原點(diǎn)），記錄探桿移動(dòng)位置所對(duì)應(yīng)的霍爾電壓值，填入表2中。（3）改變共軸線圈間距，記錄、兩種情況下探桿移動(dòng)位置所對(duì)應(yīng)的霍爾電壓值，填入表2中。表2左側(cè)（）中間（）右側(cè)（）1.251.311.281.040.901.101.451.581.48（4）作出以上共軸線圈在三種耦合狀態(tài)下的的關(guān)系曲線圖，并判斷構(gòu)成亥姆霍茲線圈的條件。由圖線可知，當(dāng)，線圈中點(diǎn)處與兩線圈圓心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度近似相等，滿足亥姆霍茲線圈耦合，其他條件下為非耦合狀態(tài)。3．考察霍爾電壓與霍爾器件工作電流的關(guān)系。對(duì)于給定的霍爾器件，是一個(gè)定值，如果給定磁感應(yīng)強(qiáng)度B值，則霍爾電壓是霍爾器件工作電流的函數(shù)，即。（1）將螺線管電流調(diào)至600mA，并使霍爾器件固定在螺線管中的某一位置，改變霍爾器件工作電流從1～5mA，記錄相應(yīng)的霍爾電壓值，填入自制表格內(nèi)。I（mA）01.002.003.004.005.00UB（mV）-1.78-1.67-1.54-1.41-1.29-1.16（2）作出的關(guān)系曲線圖。由圖線可知，線性擬合度較好，該亥姆霍茲線圈的耦合度較高?！舅伎碱}】1．為什么要用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件？怎樣提高霍爾元件的靈敏度？答：金屬的電子濃度n很大，由，可知，金屬不適于制作霍爾元件，應(yīng)使用電子濃度較小的材料，故半導(dǎo)體是一種較為理想的選擇。由的定義式可知，降低電子濃度（電導(dǎo)率），縮短霍爾元件的厚度d可以提高靈敏度。2．怎樣消除地磁場(chǎng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響？答：可采用在多個(gè)對(duì)立方向組進(jìn)行測(cè)量后取平均值的方式，使不同方向上地磁場(chǎng)的影響相互抵消。3．螺線管磁場(chǎng)B與霍爾元件是否垂直對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響如何？如何消除？答：不垂直時(shí)會(huì)使測(cè)量值偏小。將探頭多方向指向測(cè)定，找到讀數(shù)最大的方向，則此時(shí)即為相互垂直的方向。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書：串口通信實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^程序，理解并驗(yàn)證串口通信的編程方法和機(jī)制。本次實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)為用程序發(fā)送字符串，用linux命令在另一窗口直接從串口讀?。坏诙h(huán)節(jié)為用發(fā)送程序發(fā)送字符串，用接收程序在另一窗口讀取串口并顯示。要求必須完成第一環(huán)節(jié)，而第二環(huán)節(jié)為選作。本實(shí)驗(yàn)在虛擬機(jī)環(huán)境下完成，利用虛擬機(jī)創(chuàng)建兩個(gè)虛擬串口，基于這兩個(gè)虛擬串口完成串口通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本次實(shí)驗(yàn)需要在linux環(huán)境下，用vi工具輸入對(duì)應(yīng)的程序，并編譯通過，運(yùn)行后觀察結(jié)果是否正確。一、設(shè)置虛擬機(jī)串口1.1VMware的串口：一個(gè)虛擬機(jī)最多可以添加四個(gè)虛擬串口，有如下3個(gè)方法配置虛擬串口：連接一個(gè)虛擬串口到宿主機(jī)的物理串口。連接一個(gè)虛擬串口到宿主機(jī)上的一個(gè)文件。在兩個(gè)虛擬機(jī)之間建立一個(gè)直接的連接，或者將虛擬機(jī)的串口與宿主機(jī)的應(yīng)用程序連接。1.2為虛擬機(jī)添加串口首先要保證虛擬機(jī)下的linux處于關(guān)機(jī)（poweroff)狀態(tài)，選擇菜單中的虛擬機(jī)設(shè)置（英文版為：VM->Settings），在硬件（Hardware）標(biāo)簽頁中，如果已有串行端口（serialport），則選中該串口，并點(diǎn)選移除。點(diǎn)擊Add按鈕，在AddHardwareWizard對(duì)話框中選擇SerialPort，點(diǎn)擊next，分兩次添加兩個(gè)串口，具體的選項(xiàng)如下圖：串口2的設(shè)置：注意兩個(gè)串口都使用了命名管道方式，但一個(gè)是服務(wù)器端，一個(gè)是客戶端。啟動(dòng)linux操作系統(tǒng)，測(cè)試兩個(gè)串口是否設(shè)置成功在linux桌面空白處點(diǎn)擊右鍵，打開兩個(gè)終端窗口。在其中一個(gè)窗口（稱為窗口A）中，建立工作目錄，并進(jìn)入該目錄。即，執(zhí)行下述命令：cd/homemkdirsrccdsrccat/dev/ttyS1 //注意是大寫的S在另一個(gè)窗口（稱為窗口B）執(zhí)行下述命令：cd/home/srcechohello>/dev/ttyS0 //注意是大寫的S此時(shí)，應(yīng)在窗口A中顯示出“hello”這個(gè)字符串，這表明窗口B通過串口/deb/ttyS0發(fā)送的字符串，通過串口連接，在窗口A的串口/dev/ttyS1上接收到了該字符串。在窗口A輸入Ctrl+c，可推出cat命令。環(huán)境設(shè)置完畢?？蛇M(jìn)入下面的代碼編輯、編譯、執(zhí)行環(huán)節(jié)。二、僅創(chuàng)建串口發(fā)送程序，用在linux下用cat命令直接讀取串口該環(huán)節(jié)為用ttySend程序發(fā)送字符串，用linux的cat命令在另一窗口直接從串口讀取vittySend.c //創(chuàng)建ttySend.c文件，并輸入下述代碼ttySend.c：/********************************************************FileName：send.c*Description：senddatatoserial_Port*Date：*******************************************************//******************頭文件定義******************/#include<stdio.h>#include<string.h>#include<malloc.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<termios.h>#definemax_buffer_size100/*定義緩沖區(qū)最大寬度*//*******************************************/intfd;/*定義設(shè)備文件描述符*/intflag_close;intopen_serial(intk){if(k==0)/*串口選擇*/{fd=open("/dev/ttyS0",O_RDWR|O_NOCTTY);/*讀寫方式打開串口*/perror("open/dev/ttyS0");}else{fd=open("/dev/ttyS1",O_RDWR|O_NOCTTY);perror("open/dev/ttyS1");}if(fd==-1)/*打開失敗*/return-1;elsereturn0;}/********************************************************************/intmain(intargc,char*argv[]){charsbuf[]={"Hello,thisisaSerial_Porttest!\n"};/*待發(fā)送的內(nèi)容，以\n為結(jié)束標(biāo)志*/intsfd,retv,i;structtermiosoption;intlength=sizeof(sbuf);/*發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寬度*//*******************************************************************/open_serial(0);/*打開串口1*//*******************************************************************/printf("readyforsendingdata...\n");/*準(zhǔn)備開始發(fā)送數(shù)據(jù)*/tcgetattr(fd,&option);cfmakeraw(&option);/*****************************************************************/cfsetispeed(&option,B9600);/*波特率設(shè)置為9600bps*/cfsetospeed(&option,B9600);/*******************************************************************/tcsetattr(fd,TCSANOW,&option);retv=write(fd,sbuf,length);/*接收數(shù)據(jù)*/if(retv==-1)perror("write");printf("thenumberofcharsentis%d\n",retv);flag_close=close(fd);if(flag_close==-1)/*判斷是否成功關(guān)閉文件*/printf("ClosetheDevicefailur！\n");}輸入完畢后保存退出。執(zhí)行命令：gcc-ottySendttySend.c//編譯，并指定生成文件為ttySend編譯成功后，再linux桌面空白處點(diǎn)擊右鍵，新建一個(gè)終端，執(zhí)行下述命令：cat/dev/ttyS1 //注意，是大寫的S，用于接收發(fā)送端發(fā)送的字符串然后切換回剛才的編譯窗口，執(zhí)行下述命令：./ttySend //發(fā)送字符串顯示如下：此時(shí)，在接收的終端窗口，應(yīng)顯示如下：按ctrl+C可退出接收程序的等待循環(huán)三、ttySend程序發(fā)送，ttyReceive程序接收步驟一是用ttySend程序發(fā)送，用cat命令直接在另一個(gè)終端接收了串口的輸出。本步驟在步驟一的基礎(chǔ)上，用ttySend程序發(fā)送，用ttyReceive程序接收。在步驟一的接收窗口，按ctrl+C退出cat接收命令，并執(zhí)行下述命令：cd/home/src //進(jìn)入工作目錄vittyReceive.c //創(chuàng)建ttyReceive.c文件，并輸入下述代碼ttyReceive.c/********************************************************Filename：receive.c*Description：ReceivedatafromSerial_Port*Date：*******************************************************//*********************頭文件定義***********************/#include<stdio.h>#include<string.h>#include<malloc.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<termios.h>#include"math.h"#definemax_buffer_size100/*定義緩沖區(qū)最大寬度*//*********************************************************/intfd,s;intopen_serial(intk){if(k==0)/*串口選擇*/{fd=open("/dev/ttyS0",O_RDWR|O_NOCTTY);/*讀寫方式打開串口*/perror("open/dev/ttyS0");}else{fd=open("/dev/ttyS1",O_RDWR|O_NOCTTY);perror("open/dev/ttyS1");}if(fd==-1)/*打開失敗*/return-1;elsereturn0;}/********************************************************************/intmain(){charhd[max_buffer_size],*rbuf;/*定義接收緩沖區(qū)*/intflag_close,retv,i,ncount=0;structtermiosopt;intrealdata=0;/*******************************************************************/open_serial(1);/*打開串口1*//*******************************************************************/tcgetattr(fd,&opt);cfmakeraw(&opt);/*****************************************************************/cfsetispeed(&opt,B9600);/*波特率設(shè)置為9600bps*/cfsetospeed(&opt,B9600);/*******************************************************************/tcsetattr(fd,TCSANOW,&opt