高中物理 第三章 传感器 第五节 用传感器测磁感应强度预习导学案 粤教版选修3-2-粤教版高二选修3-2物理学案VIP免费

第五节用传感器测磁感应强度【思维激活】在用传感器测磁感应强度方面，在实际中有哪些应用，请举例说明提示：如用磁传感器研究地磁场，测磁感应强度。【自主整理】1.磁传感器是把磁感应强度变成电信号，从而实现磁感应强度测量的。2.霍尔元件：能够把磁感应强度这个磁学量转换成电压这个电学量。3.用传感器测磁感应强度时，通电螺线管产生磁场，其方向符合右手定则。【高手笔记】干簧管的元件（图3-5-1）的结构图3-5-1很简单，只是玻璃管内封入两个软磁性材料制成的簧片。当磁体如图3-5-3所示靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”，干簧管是一种能够感知磁场的传感器。霍尔元件中半导体内部出现的电场E是个横向电场FE=qE=Bqv（1）设载流子的浓度为P薄片宽度为b，厚度为d，通过电流I=Pqvbd则空速度PqbdIv代入（1）式，则PqbdIBBvE（2）（2）式两边同乘以b便得到v=Eb=dIBkPqdIB上式中PqK1称为霍尔系数。【名师解惑】1.磁电感应式传感器工作原理当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通量为Φ则线圈内的感应电势e与磁通量变化率dtdΦ有如下关系：||dtdΦWe图3-5-2为恒定磁通式磁电传感器典型结构图。1图3-5-2它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图3-5-2（a））和动铁式（图3-5-2（b））的工作原理是相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为：E=－B0lWv式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；υ——相对运动速度。【讲练互动】例1.简述开磁路变磁通式磁电传感器测量旋转物体的匀速度原理。图3-5-3答案：如图3-5-3所示，线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动，每转一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速旋转体。【变式训练】1.简述闭磁路变磁通式传感器测量旋转物体的角速度的原理。图3-5-4答案：图3-5-4为闭磁路变磁通式传感器。它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮，永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随2被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。【问题探究】【问题】用磁传器研究地球磁场。【导思】地球是一个巨大的磁体，外磁场的方向由南指向北，地磁场的磁感应强度很微弱，在地球表面约5×10-5T【探究】（1）将磁传感器接入数据采集器，实验环境要远离高磁干扰区。（2）将磁传感器放置在水平桌面上，为消除背景值的影响，应对传感器进行软件调零。（3）在桌面上转动传感器，让传感器的测量端指向不同方向，观察并记录示数的变化，见下表测量方向NENEESSWSWWN测量值0.030.020.00-0.01-0.04-.0.020.000.01(4)分析上表：当传感器的测量端指向北的时候，测量值最大，测量端指向南的时候，测量值最小。这说明地理北极附近为S极，地理南极附近为N极。（5）用同样的方法，让传感器的测量端在南北方向的垂直平面内转动，观察示数的变化，可能推断出地磁场的方向既不是水平的也不是垂直的，而是指向南偏斜下方。3