专题七 磁电式传感器与霍尔式传感器（教案）-山东省职教高考《传感器及应用》（高教版）专题复习讲练测

专题七 磁电式传感器与霍尔式传感器（教案）-《传感器及应用》高教版-专题复习讲练测 [考纲要求] 1.能阐述霍尔效应的基本原理，了解霍尔元件的材料和结构特点，以及其基本电路的工作原理。 2.需要掌握霍尔元件的基本参数，如霍尔电压、灵敏度等，并了解温度对霍尔元件性能的影响以及温度误差的补偿方法。 3.能描述集成霍尔元件的特点和优势，了解其在现代传感器技术中的应用。 4.了解霍尔式传感器在不同领域的应用，如汽车、工业自动化等，并能举例说明其工作原理和作用。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 重点一 磁电式传感器基本工作原理 磁电式传感器是以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础的。根据电磁感应定律具有 N匝的线圈，其感应电动势 e 的大小取决于贯穿该线圈磁通的变化速率，即 图3-9a 为线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的磁电式传感器。图 3-9b 为线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的磁电式传感器，它相当于一台发电机。 重点二 基本结构 从磁电式传感器的基本原理来看，它的基本元件有两个:一个是磁路系统，由它来产生恒定的磁场，为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁;另一个是线圈，当它切割磁场中的磁力线时产生感应电动势。感应电动势 e和线圈与磁铁的相对运动速度成正比，因此必须使它们之间有一个相对运动。作为运动部分，可以是线圈，也可以是永久磁铁，只要在传感器工作时使线圈切割磁力线就可以了。 重点三 测量转换电路 根据磁电式传感器的工作原理，可知它的输出电动势大小与运动速度成正比，这是一种测速度的传感器。但在实际测量中，它常常被用来测量运动的位移(或振幅) 和加速度。因此，为了能使信号大小与位移和加速度成正比，必须将信号加以变换，一般是在测量电路中接入一积分电路和微分电路，用开关切换。图 3-12 所示即为这样的电路，当开关S 放在“1”位置时，经过一个积分电路，可测量位移的大小;当开关S 在“2”位置时，不经过运算电路直接输出，可用来测量速度;当开关 S 放在“3”位置时，信号通过微分电路，可以测量加速度。 图3-13 所示为 GZ1 型测振仪测量电路的框图，是磁电式传感器的一种典型测量电路，它由微积分电路、放大、检波指示以及电源等几部分组成。磁电式传感器灵敏度高，通常用于测量振动、加速度、转速、转角等参数。 重点四 霍尔效应 如图3-16 所示，一块长1、宽 b、厚 d 的半导体，在外加磁场 B作用下，当有电流I流过时，运动电子受洛仑兹力的作用而偏向一侧 (图中“-”侧)，使该侧形成电子的积累，与它对立的侧面由于减少了电子浓度，出现了正电荷。这样，在两侧面间就形成了一个电场。运动电子在受洛仑兹力的同时，又受电场力的作用最后当这两作用力相等时，电子的积累达到动态平衡，这时两侧之间建立电场，称霍尔电场 EH，相应的电压称霍尔电压 UH，上述这种现象称霍尔效应。经分析推导，霍尔电压UH为 重点五 集成霍尔元件 集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类，前者是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，目前得到广泛的应用，较典型的线性霍尔器件有 UCN3501 等。开关型霍尔器件是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC 门等电路做在同一块芯片上，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC 门由高电阻状态变为导通状态，输出变为低电平;当外加磁场强度低于释放点时，OC 门重新变为高阻状态，输出高电平。这类器件中较为典型的有 UGN3020 等。有一些开关型集成霍尔元件内部还包括双稳态电路，这种器件的特点是必须施加相反极性的磁场电路的输出才能翻转回到高电平，也就是说具有“锁键”功能。 图3-20、图3-21 所示分别为集成霍尔器件 UGN3501 和 UGN3020 的外形及内部电路框图，图 3-22、图 3-23 所示分别为其输出电压与磁场强度的关系曲线。 [真题练讲] 1.(2020年山东省统一考试) 霍尔式传感器在汽车领域中的应用不包括_________。 A. 车轮转速监测 B. 刹车系统监控 C. 发动机排气检测 D. 发动机转速检测 答案：C. 发动机排气检测 解析： 霍尔式传感器在汽车领域的应用包括车轮转速监测、刹车系统监控和发动机转速检测等，而不包括发动机排气检测。 2.(2018年山东省统一考试)集成霍尔元件相比传统霍尔元件的优势包括_________。 A. 更高的工作温度范围 B. 更低的价格 C. 更高的灵敏度 D. 更小的体积和功耗 答案：D. 更小的体积和功耗 解析：集成霍尔元件相比传统霍尔元件具有体积小、功耗低的优势，适合于需要小型化和低功耗的应用场合。 3.(2019年江西省统一考试)磁电式传感器与霍尔式传感器的主要区别在于_________。 A. 工作原理 B. 适用的应用场景 C. 外观设计 D. 工作温度范围 答案：A. 工作原理 解析： 磁电式传感器基于电磁感应原理，而霍尔式传感器基于霍尔效应，两者的工作原理不同。 4.(2022年山东省统一考试)霍尔式传感器在家电领域中的应用不包括_________。 A. 智能冰箱 B. 烤箱温度控制 C. 电灯开关控制 D. 空调遥控 答案：D. 空调遥控 解析： 霍尔式传感器在家电领域的应用包括智能冰箱、烤箱温度控制和电灯开关控制，但不包括空调遥控。 5.(2020年湖南省统一考试)集成霍尔元件的一个优势是_________。 A. 高能耗 B. 高体积 C. 易于集成 D. 高成本 答案：C. 易于集成 解析： 集成霍尔元件因其体积小、功耗低等优点，容易集成到复杂的电子系统中。 [限时练讲] 1. 磁电式传感器的基本工作原理是通过_________ 将磁场变化转换为电信号。 A. 霍尔效应 B. 电磁感应 C. 光电效应 D. 热电效应 答案：B. 电磁感应 解析： 磁电式传感器利用电磁感应原理将外界磁场的变化转化为电信号。 2. 在磁电式传感器中，信号放大电路的主要功能是_________。 A. 增强信号的灵敏度 B. 将信号转化为磁场 C. 过滤噪声 D. 放大输出信号 答案：D. 放大输出信号 解析： 信号放大电路的主要作用是将传感器输出的微弱信号进行放大，方便进一步处理和读取。 3. 磁电式扭矩仪常用于测量_________。 A. 温度 B. 位置 C. 扭矩 D. 速度 答案：C. 扭矩 解析： 磁电式扭矩仪用于测量机械系统中的扭矩大小，广泛应用于工程和测试领域。 4. 霍尔元件的工作原理基于_________。 A. 电容效应 B. 霍尔效应 C. 电感效应 D. 磁场感应 答案：B. 霍尔效应 解析： 霍尔元件利用霍尔效应将磁场的存在转换为电压信号。 5. 霍尔元件的基本结构包括霍尔片和_________。 A. 供电电路 B. 信号调理电路 C. 传感器外壳 D. 计算电路 答案：B. 信号调理电路 解析： 霍尔元件的基本结构中，霍尔片用于感应磁场，信号调理电路用于处理霍尔片输出的电信号。 6. 在霍尔元件中，_________ 影响了霍尔电压的大小。 A. 磁场强度 B. 温度 C. 电流 D. 以上都是 答案：D. 以上都是 解析： 霍尔电压受磁场强度、电流和温度等因素的影响。 7. 磁电式传感器中的测量转换电路主要用于_________。 A. 测量温度 B. 调整信号输出 C. 增加磁场强度 D. 变换信号类型 答案：B. 调整信号输出 解析： 测量转换电路将传感器感应的信号调整为具有线性特性的输出信号。 8. 霍尔式传感器在工业自动化中的典型应用有哪些？请举例说明。 解析： 霍尔式传感器在工业自动化中常用于检测物体的位置、速度和方向等信息。例如，在流水线上用于检测物品的传送速度和位置，或者在机械臂上用于精确定位。 9. 请简述磁电式传感器和霍尔式传感器在原理上的主要区别。 解析： 磁电式传感器利用电磁感应原理将磁场变化转换为电信号，而霍尔式传感器则利用霍尔效应将磁场的存在转换为电压信号。因此，两者的工作原理和应用场景有所不同。 10. 霍尔元件的灵敏度是指什么？它如何影响传感器的性能？ 解析： 霍尔元件的灵敏度指其对外界磁场变化的响应能力。灵敏度越高，表示传感器能够更精确地检测到磁场的变化，从而提高了其测量的精度和可靠性。 11. 霍尔元件的温度误差是如何产生的？如何进行温度误差的补偿？ 解析： 霍尔元件在不同温度下，其内部材料的电阻、导电性和霍尔电压特性会发生变化，导致输出信号的偏移或不稳定。通常通过调整霍尔元件的工作点电压或电流来补偿温度误差，使其在不同工作温度下仍能输出稳定和准确的信号。 12. 集成霍尔元件相比传统霍尔元件有何优势？ 解析： 集成霍尔元件通常具有体积小、功耗低、响应速度快的优势。它们易于集成到复杂的电子系统中，能够提高系统的整体性能和稳定性。 [学法建议] 重点复习知识点： 1.磁电式传感器基本工作原理：磁电式传感器是以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础的。根据电磁感应定律具有 N匝的线圈，其感应电动势 e 的大小取决于贯穿该线圈磁通的变化速率。 2.磁电式传感器的基本结构：基本元件有两个:一个是磁路系统，由它来产生恒定的磁场，为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁;另一个是线圈，当它切割磁场中的磁力线时产生感应电动势。 3.测量转换电路：根据磁电式传感器的工作原理，可知它的输出电动势大小与运动速度成正比，这是一种测速度的传感器。 4.集成霍尔元件：集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类，前者是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$