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- 2021-05-25 发布
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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。
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