4.1电阻式传感器
电阻式压力传感器工作原理
电阻式压力传感器工作原理
电阻式压力传感器是一种常用的压力测量装置，它的工作原理是通过测量金属薄膜电阻的变化来实现压力的测量。
该传感器通常由一个金属薄膜电阻器和一个弹性薄膜组成。
当外界施加压力到弹性薄膜上时，弹性薄膜会发生形变，导致金属薄膜电阻器的阻值发生变化。
金属薄膜电阻器是通过金属材料在基片上蒸发制造而成的，形状与弹性薄膜相似。
当外界施加压力时，弹性薄膜会产生微小的变形，这个变形会导致金属薄膜电阻器受到应变，进而改变其电阻值。
因此，通过测量金属薄膜电阻器的阻值变化，就可以推算出压力的大小。
一般情况下，电阻式压力传感器采用了输出电压与压力呈线性关系的电路设计，通过测量输出电压的大小，可以间接得出压力的数值。
需要注意的是，由于电阻式压力传感器的工作原理导致其在测量范围、精度和稳定性上有一定的局限性，因此在实际应用中，可能需要结合其他传感器一起使用，以获得更准确和可靠的压力测量结果。
第四章常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时 候，就自然排除了外界各种因素的干扰， 抵抗着外界的压力。
皮埃尔·居里
Pierre Curie
法国 物理学家 1859－1906
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院1
激光测距传感器
控制和信 息融合计
算机
自主移动装配机器人
装配机械手 力觉传感器 触觉传感器
视觉传感器 超声波传感器
多传感器信息融合自主移动装配机器人
China university of petroleum (Huadong)
自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信
➢ 研究生物感官，开发仿生传感器； ➢ 传感器的集成化和多功能化。
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院12
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
（1）机器人中的传感器信息融合
狭义上，非电信号
电信号。
非电量 敏感元件
转换元件
电量 测量电路
China university of petroleum (Huadong)
辅助电源
传感器的组成框图
中国石油大学（华东）机电工程学院5
机械工程测试技术基础
在非电量电测系统中的作用
第四章 常用传感器与敏感元件
被测 对象
非电量
传 感 器
电量 信 电量 号 调 理
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 在实际使用中，常采用两个相同的传感线
圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
44
3
差动结构的特点：
（1）改善线性、提高灵敏度外；
（2）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
常用传感器原理及应用
最新版整理ppt
8
2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。 这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在 这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应 变片转换成电阻的变化后输出。
当梁因将位被随而应移测之应变成物产变片正体生片接比产于产入的生位生桥电位移相路压移相应，信时等的输号，的应出。悬挠变与最臂度。新，版整理p测振力产定速pt 量动，生的度时加悬弯频成，速臂曲率正基度梁变范比座使在形围。固质惯。内定量性梁与在块力的振振产的应动动生作变体9体惯用在的上性下一加。
最新版整理ppt
14
3、螺管式
单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，
将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种
传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，
适用于较大位移(数毫米)测量。
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15
二、差动变压器式传感器（互感式）
双螺管线圈差动型，较之单螺
管线圈型有较高灵敏度及线性，
被用于电感测微计上，其测量 范围为0～300μm，最小分辨 力为0.5μm。线圈电感L1、 L2随铁芯位移而变化 .
被测非电量转换成电量的装置。
测力计
压力计
最新版整理ppt
温度计
2
二、传感器的组成
传感器通常由三部分组成： 敏感元件： 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转
换成电量参量 。 转换电路： 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显
示、记录变片的结构和测量原理
电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制 成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅， 并粘贴在绝缘的基底上。电最阻新版丝整理的pp两t 端焊接引线。敏感栅上6 面粘 贴有保护作用的覆盖层。
阻抗型传感器
令 Zi Ri Ri
B
Io
Z1
Z2
＋
Ri R0
A Z3
C Z4
Uo －
D
E
输出电压为：
U 0 E ( ( R R 1 1 R R 1 1 ) R ( R 4 2 R R 4 ) 2 ) R (R ( 3 2 R R 3 2 )R R 4 ( 3 R R 4 3 ) )
S
Uo
1E
R/ .
R0
2
C)四臂工作电桥（全差动等臂电桥）
R1R4R0R R2R3R0R
B
U0
U0
E(R1 4 R1
R2 R2
R4 R4
R3 R3
)
R
＋
1
R1
A
R
－
2
R
2
C
＋
Uo
RE
R0
R
－
3
R
3
D
R 4＋ R 4
－
非线性误差：e 0
E
电桥的灵敏度为：S Uo E
R / R0
.
结论：
® 电桥接法与电桥灵敏度的关系： S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4
两应变片型号参数、环境温度及所粘贴材料均相同，将两应变 片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。
B
R
＋
1
R1
A
R
－
2
R
2
C
＋
Uo
R3
R4
－
D
E
.
电桥补偿法特点
• 优点：简单、方便，在常温下补偿效果较 好；
• 缺点：温度变化梯度较大条件下，很难做 到工作片与补偿片处于温度完全一致，影 响补偿效果。
3 第四章 ：阻抗型传感器
图４－3-1 单一式自感传感器 1－线圈，2－铁心，3－衔铁
N 2 0 A N 2 0 A L0 L 2( 0 ) 2 (1 ) 1 0
0
0
图４－3－2 差动式自感传感器 (a)变隙型；(b)变截面型；(c)螺管型
L2 L1 L1 L2 0
L2 L1 a L1 L2 a0
rc 2 x ( r 1)( ) L2 L1 r l x L1 L2 1 ( 1)( rc ) 2 x0 x0 r r l
C1 C2 C1 C2 0
C AC0 CBC0
l r C0 0 Rr
图４－2－4 线位移式变介质型差动结构
C1 C2 1 r 2l C1 C2 1 r l
4.2.3 等效电路分析
图 4－2－5 电容传感器的等效电路
C C (1 2 LC ) Ce C
NTC型热敏电阻输入输出特性
R R0e
1 1 B( ) T T0
4.1.4 气 敏 电 阻
图4－1－11
半导体气敏电阻元件的结构
(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件；(c)厚膜元件
图４－１－12 N型半导体气敏电阻的阻值变化
4.1.5 湿 敏 电 阻
图４－１－13
烧结型湿敏电阻结构
4.1.6 电阻传感器接口电路
第四章 阻抗型传感器
4.1 电阻式传感器
4.1.1 电位器式传感器
图 4－1－1 电位器式传感器工作原理
R R
x
AB
RAC f (x)
U U
x
AC
U
R
AB
U f ( x) f ( x) R
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1） 式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
电阻式传感器原理
电阻式传感器原理详解引言电阻式传感器是一种常见的传感器类型，广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗设备等领域。
它通过测量电阻值的变化来获取被测量物理量的信息。
本文将详细解释电阻式传感器的基本原理，包括其工作原理、构成和应用。
1. 电阻式传感器的工作原理电阻式传感器是利用被测量物理量对电阻值产生影响的原理工作的。
当被测量物理量发生变化时，导致了电阻值的变化，从而可以通过测量电阻值来获取该物理量的信息。
2. 电阻式传感器的构成一个典型的电阻式传感器通常由以下几个主要部分组成：2.1 敏感元件敏感元件是电阻式传感器中最关键的部分，它直接受到被测量物理量的影响，并产生相应的电阻变化。
根据不同的物理量，敏感元件可以采用不同类型的材料和结构设计。
2.2 悬臂结构悬臂结构是一种常见的敏感元件结构，它由一个固定端和一个自由端组成。
自由端会受到被测量物理量的作用而发生位移，从而导致电阻值的变化。
2.3 电阻材料电阻材料通常涂覆在敏感元件上，用于改变电阻值。
常用的电阻材料有金属薄膜、碳膜等。
2.4 输出电路输出电路用于测量和处理敏感元件的电阻变化，并将其转换为可读取或可传输的信号。
常见的输出电路包括电压分压器、桥式电路等。
3. 电阻式传感器的工作原理解析了解了电阻式传感器的构成后，我们可以更深入地理解其工作原理。
当被测量物理量发生变化时，例如温度、压力、光照强度等，这些变化会直接或间接地影响到敏感元件。
以温度传感器为例，当温度升高时，敏感元件中的材料会膨胀，导致悬臂结构发生位移。
这个位移会使得涂覆在敏感元件上的电阻材料发生形变，从而改变电阻值。
接下来，输出电路会将敏感元件的电阻变化转换为可读取或可传输的信号。
例如，当使用电压分压器作为输出电路时，它会将敏感元件的电阻与一个已知电阻串联连接，形成一个简单的电压分压器。
根据分压原理，当输入电阻值发生变化时，输出电压也会相应改变。
最后，我们可以通过测量输出电路的信号来获取被测量物理量的信息。
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1）电桥测量电路的分析
R1 R3 R2 R4 Uo U ( R1 R2 )( R3 R4 )
为了使测量前的输出为零，应使：
R1 R3 R2 R4 0
此时，当每桥臂电阻的变化远 小于本身值，即 Ri Ri ， 且负载电阻为无穷大时，输出 电压可近似为：
7:02 PM
41
液罐称
7:02 PM 42
传感器
案例3：冲床生产记数 和生产过程监测
7:02 PM
43
传感器
案例4：振动式地音入侵探测器
适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
7:02 PM
44
传感器
案例5：应变式加速度传感器
应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是 基于牛顿定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与 物体的质量成反比，即a=F/m。测量时，基座固定在振动体上。振动 加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在 惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内 与振动体的加速度成正比。
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传感器
4.半导体应变计
半导体应变片是利用半导体材料的压阻 效应而制成的一种纯电阻性元件。 对一 块半导体材料的某一轴向施加一定的载 荷而产生应力时，它的电阻率会发生变 化，这种物理现象称为半导体的压阻效 应。
体型
优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻 的元件，可测微小应变。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
7:02 PM 17
7:02 PM
18
传感器
相对变化率
dR (1 2 E ) S R
μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数
S由两部分组成： 前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何变形引起的； 后一部分λE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属 本身的特性有关。
产生相同应变的应变片不能 接在相邻的桥臂，否则桥路 输出电压恒等于零。
Uo
R1 R2 R R2 R3 R4 ( 1 )U 2 R2 R3 R4 ( R1 R2 ) R1
26
7:02 PM
2）电桥的零位调整 • 由于制造工艺的原因应变传感器在不受载荷时，其输出电压不为零， 因此使用前必须调零。
7:02 PM
12
案例4：数字位移测量仪
7:02 PM
13
传感器
4.1.2 电阻应变式传感器--应变片
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金 属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所 受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。
7:02 PM
14
传感器
盖层
基片 引线 敏感栅 粘贴剂
1) 线性电位器
Rx x Ux U max U max Rmax xmax Rmax Rx x kR x xmax
Ux
7:02 PM
U max x ku x xmax
3
传感器
2) 非线性电位器 输入量位移和输出电压之间呈现某种函数规律的非线性 变化，可以实现任意函数，常用的非线性电位器有变骨架式、 变节距式、分路电阻式和电位给定式等四种。
金属应变片有: 1）丝式 2）箔式 3）薄膜式 优点:稳定性和温度 特性好. 缺点:灵敏度系数小.
7:02 PM
21
传感器
1）丝式应变片 它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分 为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将 应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低， 强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不 很高的场合使用。 2）箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 0.003-0.01mm之间，箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热 性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕 性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适 合批量生产。 3）金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成 一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系 数，允许电流密度大，工作温度范围较广。
传感器
4.1 电阻式传感器
• 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,
被测量↕→电阻↕
测量电路
输出
电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用 于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、 测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实 现生产自动化不可缺少的手段之一。按工作的原理可 分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、气敏 式。
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1
传感器
4.1.1 变阻器式传感器（电位器式传感器）
是一种把机械的线位移或 角位移输入量转换为与它成一 定函数关系的电阻或电压输出 的传感元件。
7:02 PM
2传感器1.工作原理 Nhomakorabea当被测量发生变化时，通过电刷触 点在电阻元件上产生移动，该触点 与电阻元件间的电阻值就会发生变 化，即可实现位移(被测量)与电阻 之间的线性转换。
7:02 PM
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传感器
dR (1 2 E ) K R
<1> 金属应变片（不变）
dR (1 2 ) R K 1.7 ~ 3.6
<2> 半导体应变片（变化）
金属应变计
dR E R K 60 ~ 70
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半导体应变计
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传感器
3.金属应变片
薄膜型
扩散型
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5.电阻应变传感器的测量电路
• 由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一 片 k 2 、初始电阻120Ω的应变片，受1333微应变（约2 吨重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。 • 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的 变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 • 目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较 简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析, 如图所示。
原材料 原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
比较
重量设定
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传感器
案例2：煤气包储量检测
钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数 ->电位器 ->电阻
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传感器
案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
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传感器
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传感器
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
变骨架式非线性电位器
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4
传感器
2.变阻器式传感器的结构形式
• 电位器式传感器分类 – 滑线式 – 半导体式 – 骨架式 – 分段电阻式 – 液体触点式
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传感器
3.变阻器式传感器产品
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传感器
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传感器
4.变阻器式传感器应用 案例1：重量的自动检测--配料设备
图4-17 交流电桥调零
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传感器
6.应变式电阻传感器的应用 案例1：电阻应变片测量桥梁固有频率
桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全状况，对重要桥梁通常每 年进行一次测量。当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化， 应进行仔细的结构安全检查。
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桥梁固有频率测量可采用在桥梁中部的桥身上粘贴应变片，形成半桥或 全桥的测量电路，如下图所示。然后用载重20吨、30吨、....的卡车以 每小时40公里、80公里的速度通过大桥。在桥梁中部的桥面上设置一 个三角枕木障碍，当前进中的汽车遇到障碍时对桥梁形成一个冲击力， 激起桥梁的脉冲响应振动。用应变片测量振动引起的桥身应变，从应变 信号中就可以分析出桥梁的固有频率。
直流电桥调零
图4-16 直流电桥调零电路 a）串联调零 b）并联调零
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交流电桥调零
图4-11的桥式测量电路用交流供桥电压U ，以复阻抗 Z1 ~ Z 4 分别代替图中的 R1 ~ R4 ，即成为交流电桥。交流电桥的分析与 直流电桥相似。直流电桥仅需电阻平衡，而交流电桥除了电阻平 衡外，还必须满足相位平衡，即必须满足阻抗平衡：Z1 Z 3 Z 2 Z 4 由此可见，交流电桥欲达到零点平衡，必须有电阻和电容调零装 置，见图4-17。
7:02 PM 15
传感器
l R 1.应变效应 A 导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或 半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。
传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量 转换成电阻变化量的传感元件。
比例关系
应变片受力 比例关系
应变
应变片电阻的变化
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16
7:02 PM
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传感器
1）体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀 压焊粘贴在基片上而成的应变片。 2）薄膜型半导体应变片 利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过 超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。这是一种应用很 广的半导体应变片。
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊 迅速充气 。
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汽车气囊对驾驶员的保护作用