傳感技術及智能傳感器的應用

傳感技術與智能傳感器的應用正文

常用傳感器剖析第一節

電阻式傳感器一、電阻式傳感器概述

（一）定義

將被測量轉換為電阻變化的傳感器稱為電阻式傳感器。是一種能量控制型傳感器。

（二）

特點

結構簡單、易于制造、價格便宜、性能穩定、輸出功率大，應用廣泛。其組成結構圖如圖4-1所示。圖4-1電阻式傳感器的組成結構圖

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常用傳感器剖析第一節

電阻式傳感器二、電阻式傳感器工作原理

根據電工理論，導體的阻值由三個參數——電阻率（ρ）、長度（l）和截面積（A）,并按照以下公式變化。

電阻式傳感器又分為“電位器式傳感器”和“電阻應變式傳感器”。

三、電阻式傳感器的特點

（一）優點

（1）

結構簡單、成本低廉、應用范圍廣；

（2）性能穩定、輸出信號大、線性度較好。

（二）缺點

（1）大應變情況存在較大的非線性，輸出信號相對較弱；

（2）隨著時間和環境的變化，材料和器件性能發生變化，不適于長期監測，時漂、溫漂較大，長期監測可能無法取得真實有效的數據。

（3）易受到電場、磁場、振動、輻射、氣壓、聲壓、氣流等的影響。

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電阻式傳感器。

三、電阻式傳感器的特點

（三）電位器式傳感器1、工作原理

電位器式傳感器又稱變阻式傳感器。為繞線式電位器如圖4-2所示。

在結構組成上有：直線位移型、角位移型和非線性型。

根據結構形式的不同，又分為繞線式、薄膜式、光電式等。

以繞線式變阻式傳感器為例，當滑臂觸點從一圈導線移動移動至下一圈時，電阻值的變化是臺階式的，使分辨率下降，故其分辨率決定于繞線間的密度。a)直線位移型b)角位移型

c)非線性型圖4-2電位器式傳感器

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電阻式傳感器。

（三）電位器式傳感器2、電位器式傳感器的特點

優點：結構簡單、工作穩定、輸出信號大。

缺點：

①

因受到電阻絲直徑的限制，分辨率不高；

②

輸出電阻值為非連續數值，會產生一定誤差；

③

因電刷與電阻元件間接觸面的變動和摩擦磨損、塵埃及雜

物

的附著，會使電阻值發生不規則地變化，產生噪聲；

④

動態響應較差，適合于測量變換較慢的被測量。3、電位器式傳感器的測量電路

電位器式傳感器的測量

電路圖如圖4-3所示.圖4-3電位器式傳感器的測量電路圖e0——輸入信號電壓ey——輸出信號電壓Rρ——電位器總阻值Rx——電位器取值部分阻值RL——負載電阻阻值

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電阻式傳感器

（三）電位器式傳感器4、電位器式傳感器的應用

煤氣包存儲量檢測的應用

鋼絲繩即為一電阻，置于彈性繩盤中，

繩盤即為一電位器。當鋼絲繩收于繩盤時，繩盤中的計數器記錄收線

圈數，

即由置于煤氣包中的空余量，

可計算出煤氣的存儲量。

檢測原理圖如圖4-5所示。圖4-5煤氣包存儲量的檢測原理圖

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電阻式傳感器。

（四）壓阻式傳感器

有些固體材料在軸向受到外力作用，除產生變形，其電阻率ρ也發生變化。因應力作用而使材料電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特強。利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。

特點

靈敏系數大，分辨率高，頻率響應好，體積小。

應用

測量壓力、加速度和載荷等參數。1、壓阻式傳感器的分類

（1）半導體型壓阻傳感器

其結構如圖4-6所示。

（2）薄膜型壓阻傳感器

其結構如圖4-7所示。

（3）擴散型壓阻傳感器

其結構如圖4-8所示。圖4-6半導體型壓阻傳感器

的半導體應變片結構圖

圖4-7薄膜型半導體

應變片結構圖

圖4-8擴散型半導體

應變片結構圖

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電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器2、壓阻式傳感器的工作原理

工作原理

基于半導體材料的壓阻效應，當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻率發生變化。電阻相對變化如下式所示。

3、溫度誤差及溫度補償

溫度誤差

半導體材料對溫度很敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數隨溫度變化而發生變化，引起的溫度誤差分別為零漂和靈敏度溫漂。

溫度補償

壓阻式傳感器一般在半導體基片上擴散四個電阻，當四個擴散電阻的阻值相等或相差不大、電阻溫度系數也相同時，其零漂和靈敏度溫漂都會很小，工藝上難以實現。由于溫度誤差大，故要進行溫度補償。

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電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器4、壓阻式傳感器的應用

壓阻式傳感器體積小、結構簡單、靈敏度高、動態響應好、長期穩定性好、滯后和蠕變小、頻率響應高、便于生產、成本低，

因此它在測量壓力、壓差、

液位、

物位、

加速度和流量等方面得到了普遍應用，可設計成多種類型的壓阻式傳感器。

（1）壓力測量：硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。結構示意圖見圖4-9所示。圖4-9壓阻式壓力傳感器結構示意圖

a)結構圖b)硅環c)電阻分布

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電阻式傳感器

4、壓阻式傳感器的應用

（2）液位測量：

根據液面高度與液壓成比例的原理工作的。

投入式液位傳感器安裝方便，適應于深度為幾米至幾十米、混有大量污物、雜質的水或其他液體的液位測量。其結構圖見圖4-10所示。

（3）加速度測量：其示意圖見圖4-11所示。其懸臂梁用單晶硅制成，在其根部擴散四個阻值相同的電阻構成差動全橋。在梁的自由端裝一質量塊，傳感器受到加速度作用時，質量塊由于慣性使懸臂梁發生形變而產生應力，擴散電阻的阻值發生變化，電橋的輸出信號即加速度的大小。圖4-10投入式液位傳感器結構圖

圖4-11壓阻式加速度傳感器結構示意圖

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常用傳感器剖析第一節

電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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常用傳感器剖析第二節

電阻應變式傳感器一、電阻應變片的結構

電阻應變片又稱電阻應變計，其結構形式較多，但主要組成部分基本相同：由基底、敏感柵和覆蓋層等組成。其示意圖如圖4-12所示。

（一）敏感柵

實現應變到電阻轉換的敏感元件。通常由直徑為

0.015～0.05mm的金屬絲繞成柵狀或用金屬箔腐蝕成柵狀。

（二）基底

為敏感柵固定的基板，由紙質或膠質組成必須很薄，一般為0.02～0.04mm。

（三）引線

起敏感柵與測量電路之間的連接和引導作用。

（四）蓋層

用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的防潮、防蝕、防損保護層作用。

（五）粘結劑

用于基底與其它部件粘貼的作用。圖4-12金屬電阻應變片結構示意圖

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常用傳感器剖析第二節

電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器組成

電阻應變式傳感器組成結構圖如圖4-13所示.

組成

由應變膜片、敏感元件、應變電阻變化轉變器、轉換元件組成。

按應變材料分為金屬電阻應變片式與半導體應變片式。均為壓阻式圖4-13電阻應變式傳感器組成結構圖

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電阻應變式傳感器三、傳感器對電阻應變片的的要求

1、應變靈敏度高，且線性范圍寬；2、電阻率大；電阻穩定性好，溫度系數??；

3、易于焊接，對引線材料的接觸電勢?。豢寡趸芰Ω撸透g，耐疲勞、機械強度高，具有優良的機械加工性能。四、電阻應變片的分類

1、金屬絲式電阻應變片：其結構如圖4-14所示.

2、金屬箔式電阻應變片：其結構如圖4-15所示.

3、金屬薄膜式電阻應變片：其結構如圖4-16所示.

圖4-16電阻應變式傳感器組成結構圖圖4-15金屬箔式電阻應變片結構圖圖4-14金屬絲式電阻應變片結構圖

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電阻應變式傳感器五、金屬電阻應變式傳感器的工作原理

（四）敏感元件

敏感元件

一般是采用光刻腐蝕等工藝制成的很薄的金屬箔柵。如圖

4-18所示。

優點

金屬箔很薄，感受的應力狀態與被測件表面應力狀態更接近；

金屬箔柵的箔材表面積大散熱條件好，可以通過較大的電流，輸出較大的信號，提高了測量靈敏度；

光刻腐蝕方法制作的箔柵尺寸準確、均勻，且可制成任意形狀的箔柵，擴大了應變片的使用范圍。

缺點

箔柵制作工藝復雜，其引出線的焊點熔點低，不適用高溫環境下的測量。圖4-18箔柵式應變片圖

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電阻應變式傳感器五、金屬電阻應變式傳感器的工作原理

金屬電阻應變式傳感器工作原理計算推導如圖4-17所示。式中可見其工作原理基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力的作用下發生機械形變時，其電阻值隨著受機械變形而伸長或縮短的變化而變化的現象。圖4-17金屬電阻應變式傳感器工作原理計算推導

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電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數

（一）靈敏度系數

金屬應變片（絲）的電阻相對變化與它所感受的應變力之間具有線性關系，用靈敏度系數S表示。1、金屬應變片的電阻相對變化與應變ε

在很寬的范圍內均為線性關系。式中S為金屬應變片的靈敏度系數。2、應變片靈敏度系數S恒小于線材的靈敏度系數KS。

（二）橫向效應

如圖4-19所示，金屬應變片的核心部分是敏感柵。敏感箔柵的兩端為半圓弧形的橫柵。應變片既受軸向應變的影響，又受橫向應變影響，其靈敏系數K較整長電阻絲的靈敏系數K0小，而引起電阻變化。該現象稱為橫向效應。

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電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數

（二）橫向效應

應變片的橫向效應產生原理圖如圖4-19所示，應變片的橫向效應應力圖如圖4-20所示圖4-19

應變片的橫向效應產生原理圖圖4-20

應變片的橫向效應應力圖

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電阻應變式傳感器六、金屬電阻應變片的主要特征參數

（三）機械滯后性

應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性是不重合的，這種現象稱為機械滯后性。其特性曲線見圖4-21

所示。

產生原因：應變片在承受機械應變后，其內部會產生“殘余變形”，使敏感柵電阻發生少量的不可逆變化。

機械滯后性還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變量越大，卸載時的滯后也越大。圖4-21機械滯后性示意圖

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電阻應變式傳感器七、電阻應變式傳感器的測量電路

電阻應變式傳感器的測量電路，分為直流電源測量電路和交流電源測量電路。

（一）電阻應變式傳感器測量電路種類

1、直流電橋電路

其電阻可全部或部分是應變片。電路圖如圖4-22所示。2、交流電橋電路

應變電橋輸出電壓很小，要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，

因此應變電橋多采用交流電橋。電路圖如圖4-23所示.圖4-22直流電橋電路圖圖4-23交流電橋電路圖a）應變式電橋電路b)電容式電橋電路

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電阻應變式傳感器

3、電橋的平衡調節

在應變片工作之前，

必須對電橋進行平衡調節。對于直流電橋，

可采用串聯或并聯電位器法，

常用的電橋平衡調節電路圖如圖2-24所示。

圖4-24常用的電橋平衡

調節電路圖a）串聯電阻調平衡法

電橋電路圖

b)并聯電阻調平衡法

電橋電路圖c)差動電容調平衡法

電橋電路圖

d)阻容調平衡法電橋

電路圖

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電阻應變式傳感器

（二）應變片的選用

1、類型選擇

決定于使用目的、要求、對象、環境等因素綜合考慮。

2、材料選擇

決定于使用溫度、時間、最大應變量及精度等因素。

3、阻值選擇

根據測量電路和儀器選定標稱電阻值。

4、尺寸考慮

根據試件表面形狀、應力分布坐標、可粘貼面積大小，決定選取應變片尺寸大小。

5、

其他考慮

是否用于特殊用途、惡劣環境、高精度要求等因素。

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電阻應變式傳感器

（二）電阻應變式傳感器的粘貼

應變片用粘結劑粘貼到被測件上，粘結劑的膠層必須準確迅速地將被測件應變傳遞到敏感柵上。選擇粘結劑必須考慮應變片材料和被測件材料性能，要求粘接力強，機械性能可靠，粘合層有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動態應力測量時耐疲勞等。

應變片的粘貼步驟：①

應變片的檢查與選擇；

②

試件的表面處理；③

底層處理；

④

貼片；⑤

固化；

⑥

粘貼質量檢查；⑦

引線焊接與組橋連線。

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電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

電阻應變片的應用有兩個方面：

一是，作為敏感元件，可直接用于被測試件的應變測量；

二是，作為轉換元件，通過彈性元件構成傳感器，可用于對任何能轉換成彈性元件應變的其他物理量的間接測量。

(一)應變片式傳感器應用的特點選擇

適用范圍：其測量范圍必須于待測的實際范圍。

分辨率和靈敏度：其分辨率和靈敏度應高于測量要求指標。

結構：根據試件的結構選擇應變片輕小，對試件影響小，環境適應性強，頻率響應好的應變片式傳感器。

標準化：為適應大數據、云計算、人工智能的應用，所選用的應變片式傳感器應是商品化、具有技術標準的產品。且便于遠距離、自動化測量和具有自動記錄、智能存儲、智能控制接口的產品。

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電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇1、測力傳感器

應變片式測力傳感器結構和測量電路圖如圖4-25所示。圖4-25應變片式測力傳感器結構和測量電路圖a）柱式

b)環式c)梁式d)測量電路

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電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇2、壓力傳感器筒式應變壓力傳感器結構示意圖如圖4-26所示。圖4-26筒式應變壓力傳感器結構示意圖a）結構示意圖

b)筒式彈性元件

示意圖c)應變計布片

示意圖

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電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇3、應變式位移傳感器

應變片式位移傳感器是把被測位移量轉變成彈性元件的變形和應變，再通過應變計和應變電橋輸出正比于被測位移的電量，組合式應變式位移傳感器結構示意圖如圖4-27所示。圖4-27

組合式應變式位移傳感器結構示意圖a）傳感器

結構示意圖

b)工作原理圖

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電阻應變式傳感器八、電阻應變式傳感器的應用

(二)應變片式傳感器應用的型式選擇4、應變式加速度傳感器

應變片式加速度傳感器是圖4-28所示。圖4-28電阻應變式加速度傳感器結構圖

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片一、半導體應變片的工作原理

半導體應變片是基于半導體材料的壓阻效應。

其結構原理圖見圖4-29所示。

半導體材料的壓阻效應：某些半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。

圖4-29半導體應變片結構示意圖a）體型b)薄膜型c)擴散型

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片二、半導體應變片的主要類型

（一）體型

利用半導體材料的體電阻制成粘貼式的應變片。

（二）薄膜型

利用真空沉積技術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的基板上而成

的應變片

（三）擴散型

在半導體材料的基片上采用集成電路工藝制成的擴散電阻，作為

測量用的壓阻元件。

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片三、半導體應變片的特征

靈敏度：

電阻的相對變化：

優點：靈敏度高，機械滯后性小，頻率響應高，橫向效應小，

元件尺寸小。

缺點：溫度穩定性差，靈敏度的非線性誤差大。

使用：目前，國產半導體應變片主要采用P型硅單晶（P-Si）制成。

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（一）溫度誤差的產生：環境溫度變化引起電阻變化的主要因素：1、應變片的電阻絲（敏感柵）的溫度系數α1

對電阻值的影響。

2、電阻絲材料的線膨脹系數βR

與測試材料的線膨脹系數βM

不同，所引起的應變為：

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半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償的方法包括自補償法和線路補償法。

1、單絲自補償應變片

要消除溫度變化引起的誤差必須使：

即可實現溫度自補償。該方法結構簡單，制造和使用方便。但必須在一定的線膨脹系數材料的試件上使用。2、雙絲組合式自補償應變片：

由兩種不同電阻溫度系數（一正一負）的材料串聯組成，兩種敏感柵隨溫度變化產生的電阻增量大小相等，符號相反，以在一定溫度范圍內、在試件上實現溫度補償。如圖4-30所示。圖4-30雙絲組合式自補償應變片示意圖

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償的方法包括自補償法和線路補償法。

3、電路補償

采用電橋電路進行補償是敏感柵常用的方法之一。如圖4-31所示。

（1）R1和R2必須屬同一批號的產品，即它們的電阻溫度系數α、線膨脹系數β、應變靈敏系數K均相同。初始電阻值也要求相同；

（2）用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件材料必須相同，即二者的線膨脹系數相等；

（3）整個工作期間，兩個應變片必須處于同一溫度環境中?？蓪⒀a償片粘貼在被測件上，既起到溫度補償，又提高輸出的靈敏度。如圖4-32所示.圖4-30雙絲組合式自補償應變片示意圖

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常用傳感器剖析第三節

半導體壓阻式應變片四、電阻應變式傳感器溫度誤差及其補償

（二）溫度補償：溫度補償的方法包括自補償法和線路補償法。

3、電路補償圖4-31電橋電路補償法示意圖圖4-32補償片安裝在被測試件的應力狀態圖a)構件受彎曲應力b)構件受單向應力

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常用傳感器剖析第四節

電阻式應變柵傳感器一、測量類型

1、直接測定結構的應變或應力：研究某些構件在工作狀態下的受力、變形狀況，可利用不同形狀的應變片粘貼在構件的選定部位，測試構件的拉力應力、壓力應力或彎曲應力、彎矩等參數。2、用以測量物理參數：將應變片粘貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數的傳感器。

3、測量應用注意事項：在以上應用中，電阻應變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作。粘合劑和粘合技術對測量結果有直接影響。

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常用傳感器剖析第四節

電阻式應變柵傳感器二、應用場合和應用分類

應用場合：沖床生產計數和生產過程監測；電子秤的廣泛應用；機械手握力測量。

應用分類：柱力式傳感器、梁力式傳感器、應變式壓力傳感器、應變式加速度傳感器、壓阻式壓力傳感器等。

應變式傳感器包括兩個部分：一是彈性敏感元件，利用彈性敏感元件將被測物理量轉換為彈性體的應變值；二是應變片作為轉換元件，將應變轉換為電阻值的變化。

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常用傳感器剖析第五節

常用傳感器應用實操一、應變式位移傳感器

應變式位移傳感器是稱重設備中的關鍵部件。為差動電桿結構，由穩幅激勵信號源、檢測電路和濾波放大電路組成。其工作原理圖和某產品的外觀圖如圖4-33所示；其工作原理圖和結構示意圖如圖4-34所示。a)工作原理圖b)產品外觀圖圖4-33應變式位移傳感器

工作原理和產品外觀圖a)工作原理圖b)傳感器結構示意圖圖4-34組合應變式位移傳感器

的工作原理和結構示意圖

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常用傳感器剖析第五節

常用傳感器應用實操二、柱力式傳感器

柱力式傳感器中的彈性元件分為實心和空心兩種，如圖4-35所示.實心圓柱可承受較大負荷，空心圓筒橫向剛度大、

穩定性好。a)實心圓柱彈性元件

b)空心圓柱彈性元件圖4-35柱力式傳感器示意圖

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常用傳感器剖析第五節

常用傳感器應用實操三、梁式傳感器

等強度梁彈性元件

是一種特殊形式的懸臂梁。

特點

其截圖面積按一定的規律變化，當集中力作用在自由端時，距作用力任何距離的截面上應力相等。

如圖4-36所示。圖4-36

梁式傳感器示意圖

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常用傳感器剖析第五節

常用傳感器應用實操四、應變式壓力傳感器

測量液體或氣體壓力的薄