一引言

本文旨在设计一个基于OBE（Outcome-Based Education，成果导向教育）模式的霍尔式传感器直流激励特性实验教学方案。OBE模式强调学生的学习成果，以结果为导向，通过对标工程教育认证标准中的毕业要求，确保学生达到预期的学习效果。本实验教学设计将围绕霍尔式传感器的直流激励特性，通过理论讲解、实验操作和数据分析，使学生能够深入理解霍尔效应原理，理解霍尔式传感器的工作原理及其在不同条件下的表现。

二实验教学目标

知识方面，学生通过学习霍尔式传感器的实验，能够说出霍尔式传感器的结构和工作原理，学生能总结霍尔式传感器在直流激励下的输出特性。技能方面，学生学会使用实验设备测量霍尔电势，并分析数据求出霍尔传感器的灵敏度和线性度。素质目标方面，学生能够养成良好的实验操作规范，体验数据分析的乐趣，提升科学素养。

三实验原理

霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。霍尔效应是具有载流子的半导体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。霍尔式传感器由两个环形磁钢组成的梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。

当一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I时，在板的横向两侧面A—A’之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应，所产生的电动势UH称为霍尔电压。霍尔电压的大小与磁感应强度B、电流I以及导电板的宽度b和厚度d有关。

霍尔效应的数学表达式为：UH=RH×（IB）/d=KH×IB。其中，RH是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数；KH是灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关，I为通过导电板的电流，B为磁感应强度。

当霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件在梯度磁场中上、下移动，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。通过测量霍尔电压的大小可以推算出磁感应强度B的大小以及检测导电板在磁场中的位移量X。

四实验设备与材料

实验开始前，准备好霍尔式传感器实验装置，此装置是本次实验的核心设备之一。该装置由霍尔片、磁路系统、可调直流稳压电源、电压表、差动放大器、电桥、测微头和振动平台等组成。其中霍尔片是霍尔式传感器的核心元件；磁路系统用于产生梯度磁场；可调直流稳压电源用于提供稳定的直流激励电压；电压表用于测量霍尔电势；差动放大器用于放大微弱的霍尔电势信号；电桥用于平衡电路；测微头用于精确控制霍尔片的位移量；振动平台用于模拟霍尔片的动态位移。

除了霍尔式传感器实验装置外，还需要一些实验辅助设备来完成本次实验。实验辅助设施主要包括主、副电源、导线、连接插头等。主、副电源用于提供实验所需的电源；导线用于连接各设备；连接插头用于确保各设备之间的连接牢固可靠。当然，本次实验还需要有用于记录实验数据的实验报告纸和笔等，在实验过程中需要认真记录实验数据并整理成表格形式以便后续分析和处理。

五实验步骤

1 实验准备

（1）检查实验装置和辅助设备是否完好，确保所有设备能够正常工作。

（2）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。

（3）将差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置20V档，直流稳压电源置2V档，主、副电源关闭。

2 实验接线

（1）根据实验装置接线图，将各设备正确连接。确保霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、电压表和直流稳压电源等设备的连接正确无误。

（2）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。

3 实验操作

（1）开启主、副电源，将差动放大器调零后，增益最小，关闭主电源。

（2）开启主、副电源，调整电桥平衡网络W1使电压表指示为零。

（3）上下旋动测微头，改变霍尔片在梯度磁场中的位移量X，每0.5mm记录一次电压表读数V，并将读数填入实验数据表中。建议记录多个位移量X对应的电压值V，以便后续数据分析。

（4）重复上述步骤多次，确保实验数据的准确性和可靠性。

4 数据处理与分析

（1）根据实验数据表，绘制V-X曲线图。将位移量X作为横坐标，电压值V作为纵坐标，在坐标纸上绘制出V-X曲线图。

（2）观察V-X曲线图，分析霍尔式传感器的线性范围和灵敏度。线性范围是指V-X曲线图中线性度较好的一段区间；灵敏度是指单位位移量X对应的电压变化量ΔV/ΔX。

（3）根据V-X曲线图和数据表，计算霍尔传感器的灵敏度K。灵敏度K可以通过线性拟合或计算斜率等方法得到。线性拟合方法可以通过最小二乘法等方法实现；计算斜率方法可以通过选取线性范围内的一段数据，计算其斜率得到。

（4）分析实验误差来源和影响因素。实验误差可能来源于实验装置的不完善、实验操作的误差、数据处理的误差等方面。需要认真分析误差来源和影响因素，以便改进实验方法和提高实验精度。

六灵敏度和线性度

灵敏度和线性度是衡量霍尔式传感器性能的重要指标。灵敏度是指单位位移量X对应的电压变化量ΔV/ΔX。它反映了霍尔式传感器对位移量X变化的敏感程度。线性度是指霍尔式传感器输出特性曲线（即V-X曲线）的线性程度。它反映了霍尔式传感器在测量范围内输出值与输入值之间的线性关系程度。在实际应用中需要选择具有高灵敏度和良好线性度的霍尔式传感器以满足测量要求。

七实验注意事项

1 实验过程中要注意安全，遵守实验室规章制度和操作规程。

2 在接线和操作过程中要仔细检查设备和连接是否正确无误，确保实验顺利进行。

3 在实验过程中要注意观察实验现象和数据变化，及时记录实验数据并进行分析处理。

4 直流激励电压必须严格限定在2V允许范围内，绝对不能任意加大以免损坏霍尔元件。

5 实验结束后要及时关闭电源整理实验设备和材料保持实验室整洁。

八实验评估与反馈

1 实验评估

（1）根据学生的学习效果和实验报告质量进行评估。评估内容包括学生对霍尔式传感器直流激励特性的理解程度、实验操作技能的掌握程度以及数据分析和处理能力的表现等方面。

（2）通过课堂讨论、提问和答疑等方式了解学生的学习情况和问题所在，及时给予指导和帮助。

2 实验反馈

（1）根据实验评估结果和学生反馈意见对实验教学方案进行改进和完善。针对学生在实验过程中遇到的问题和困难进行分析和总结，提出改进措施和建议。

（2）加强实验指导和辅导力度，提高学生的学习积极性和参与度。通过实验演示、示范操作和个别指导等方式帮助学生更好地理解和掌握实验内容和方法。

（3）鼓励学生积极参与实验设计和创新活动，培养学生的创新思维和实践能力。通过实验设计和创新活动激发学生的兴趣和创造力，提高学生的综合素质和竞争力。

八结语

本文基于OBE模式设计了一个霍尔式传感器直流激励特性实验教学方案。该方案通过理论讲解、实验操作和数据分析等环节，使学生能够深入理解霍尔效应原理和工作原理，掌握霍尔式传感器在直流激励下的输出特性以及灵敏度和线性度的计算方法。同时该方案注重培养学生的实验操作能力数据分析能力以及科学思维能力为学生的未来发展打下坚实的基础。希望该方案能够为相关专业的实验教学提供参考和借鉴。

2024-2025学年广州工商学院质量工程项目（项目编号：ZSXSYXM2024028）成果