高中物理 第三章 传感器 第五节 用传感器测磁感应强度素材 粤教版选修3-2（通用）

高中物理 第三章 传感器 第五节 用传感器测磁感应强度素材 粤教版选修3-2（通用）

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 Pqbd Iv  代入（1）式，则 Pqbd IBBvE  （2） （2）式两边同乘以 b 便得到 v=Eb= d IBkPqd IB  上式中 PqK 1 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 dt dΦ 有如下关系： || dt dΦWe  图 3-5-2 为恒定磁通式磁电传感器典型结构图。 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 N EN E ES S WS W WN 测量值 0.03 0.02 0.00 -0.01 -0.04 -.0.02 0.00 0.01 (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。