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_220171103266.doc

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则空速度代入（1）式，则 （2）（2）式两边同乘以b便得到v=Eb=上式中称为霍尔系数。【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则线圈内的感应电势e与磁通量变化率有如下关系：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；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