第五章 阻抗测量(传感器)
传感器课后答案解析
第1章概述1.什么是传感器传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
传感器由哪几部分组成的由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
传感器如何进行分类（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
传感器技术的发展趋势有哪些（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化改善传感器性能的技术途径有哪些（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制(5)稳定性处理第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
传感器输入-输出特性的线性化有什么意义如何实现其线性化答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
阻抗测量技术
阻抗测量技术阻抗测量技术是一种用于测量电网络中电流和电压之间关系（阻抗）的方法。
这种技术在许多领域都得到了广泛应用，包括医学、电力工程和电子设备制造等领域。
本文将分步骤阐述阻抗测量技术的原理、应用和常见的测量方法。
第一步，阻抗的概念。
阻抗是指电路中电流和电压之间的关系，它等于电压除以电流，通常用欧（Ω）作为单位。
阻抗的大小和相位可以描述电路中电流和电压之间的相对值及其在频域上的相对关系。
阻抗可以是实数或复数。
第二步，阻抗测量技术的原理。
阻抗测量技术通常使用V-I（电压-电流）信号测量电路的阻抗。
在V-I测量中，使用仪器对电路施加一定的电压或电流，然后测量在该电压或电流下电路中的电流或电压。
通过对电压和电流之间的关系进行分析，可以计算出电路的阻抗值。
第三步，阻抗测量技术的应用。
阻抗测量技术在医学、电力工程和电子设备制造等领域中被广泛应用。
在医学中，阻抗测量技术可以用于生物电阻抗测量、心电图诊断和体成分分析等方面。
在电力工程中，阻抗测量技术可用于配电网的短路分析和线路状态估计等方面。
在电子设备制造中，阻抗测量技术可以用于评估质量、监测飞行器和航空器的状况等。
第四步，阻抗测量技术的常用测量方法。
阻抗测量的方法包括四个主要步骤：施加电压或电流信号、测量响应信号、计算阻抗、形成输出。
阻抗测量技术的常用方法有恒流法、恒压法和相位灵敏放大器测量法等。
其中，恒流法和恒压法是最常用的两种方法，它们分别是在电路中施加恒定电流或电压，然后测量电路中的电压或电流来计算阻抗值。
总之，阻抗测量技术是一种非常实用的电学技术，它可以用于许多领域，从医学到电力工程和电子设备制造。
通过使用不同的测量方法和仪器，可以得到不同的阻抗测量结果。
虽然阻抗测量技术有一些限制和局限性，但它仍然是一个极其有用的技术，可以帮助科学家和工程师更好地了解和应用电学原理。
传感器测量原理
传感器测量原理传感器是现代科技领域中关键的设备之一，广泛应用在各行各业。
传感器的主要功能是将外界的物理量转化成可测量的电信号，并将这些信号传递给控制系统进行处理和分析。
传感器的测量原理是传感器技术的基础，下面将介绍几种常见的传感器测量原理。
一、电阻测量原理电阻测量原理是最常见和简单的测量原理之一。
通过将被测量的物理量转化为与电阻成正比的电信号，从而实现对物理量的测量。
例如，温度传感器就是利用电阻测量原理来测量温度的。
温度传感器内部有一段金属电阻，当温度变化时，电阻的值也会相应变化。
通过测量电阻的变化，就可以得到温度的值。
二、电容测量原理电容测量原理是基于电容器的原理。
电容器是由两个导体之间隔一层绝缘材料构成的。
当被测量物理量作用于绝缘材料时，会改变电容器的电容量。
通过测量电容器的电容变化，就可以得到被测量物理量的值。
例如，湿度传感器就是利用电容测量原理来测量湿度的。
湿度传感器内部的电容器的电容量会随着湿度的变化而变化，通过测量电容器的电容变化，就可以得到湿度的值。
三、光电测量原理光电测量原理是基于光电效应的原理。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会释放电子，从而产生电流。
利用光电效应原理，可以将光信号转化成电信号进行测量。
例如，光电传感器就是利用光电测量原理来测量光强度的。
光电传感器通过将光信号转化成电信号，并测量电信号的强度，就可以得到光强度的值。
四、压力测量原理压力测量原理是指通过测量被测介质对传感器产生的压力，从而得到被测介质的压力值。
常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。
压阻式传感器是利用压阻效应，即被测介质对传感器的电阻产生变化，从而测量压力的。
压电式传感器则是利用压电效应，即被测介质对传感器产生压力，产生电荷变化，从而测量压力的。
五、磁敏测量原理磁敏测量原理是基于材料的磁敏效应。
当磁场作用于磁敏材料时，会产生电信号。
利用这种磁敏效应，可以将磁信号转化成电信号进行测量。
例如，磁感应传感器就是利用磁敏测量原理来测量磁场强度的。
《传感器》习题答案
第一章 思考题与习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。
它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）.2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节(接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量(正弦、阶跃、脉冲等)其动特性和性能指标不同。
3、某传感器给定相对误差为2％FS ，满度值输出为50mV ，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）.当传感器使用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生的百分误差。
并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。
已知：FS %2=γ， mV y FS 50=；求:δm =？解：∵ %100⨯=FS my δγ； ∴ mV y FS m 1%100=⨯•=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若： FS FS y y 812=则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS m y δγ 由此说明，在测量时一般被测量接近量程（一般为量程的2/3以上)，测得的值误差小一些。
4、有一个传感器，其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+，其中y 为输出电压(mV ）,x 为输入温度(0C ），试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k 。
已知：x y dt dy 15.03/30=+；求：τ=？，k =？解:将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为：x y dt dy 05.0/10=+与一阶传感器的标准方程：kx y dt dy =+τ 比较有： ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz ，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3％，试确定该传感器的工作频率范围。
最新传感器与测试技术课件第五章电阻应变片ppt课件
第十三页，共50页。
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
➢箔式应变(yìngbiàn)片：利用照相制版或光刻技术， 将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。
应变片
第二十四页，共50页。
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
➢直流电桥的工作
(gōngzuò)原理
输出 U0 U ab
(shūc
U ad
(
R1
R1R3 R2
R2 )(R3
R4 R4
)
U
I
平h衡ū)条件： R1R3 R2R4
工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U0 0
定义(dìngyì)电桥的灵敏度S为B：
R L/A
任一参数变化均会引起电阻(diànzǔ)变化,求导数
dR
A
dL
L
A2
dA
L A
d
代入 R L / A
dR dL dA d R LA
第六页，共50页。
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
x——电阻丝轴向相对变形(biàn xíng)，或称 纵y—向—应电变阻。丝径向相对变形(biàn xíng)，或称横向应
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
第二篇 常用传感器的原理(yuánlǐ)及应 用
第5章 电阻(diànzǔ)应变式传 感器
1.掌握传感器工作原理及性能
2.了解传感器结构、种类
3.掌握测量电路(diànlù)及其补偿方法
4.掌握应变片的布置及接桥方式
阻抗测量原理
阻抗测量原理
阻抗测量是一种用于测试电路或设备阻抗（即电阻、电感和电容）的方法。
阻抗测量的原理是基于交流电信号在电路中的传输和响应。
以下是阻抗测量的基本原理：
1. 交流电信号：阻抗测量通常使用交流电信号，以便能够测量电路或设备对不同频率的信号的响应。
交流电信号是由正弦波组成的，并且其频率可以根据需要进行调整。
2. 激励电压：在阻抗测量中，需要在被测电路或设备上施加一个已知的交流电压。
这个电压可以通过信号发生器或其他电源产生。
3. 测试电流：被测电路或设备对施加的交流电压会产生响应，导致电流流动。
在测量中，需要测量通过电路或设备的电流大小。
4. 相位差测量：除了测量电流大小外，还需要测量电流和施加电压之间的相位差。
相位差可以提供关于阻抗性质的额外信息。
5. 计算阻抗：通过测量电流和电压以及计算它们之间的相位差，可以计算出电路或设备的阻抗值。
不同阻抗元素（电阻、电感和电容）对交流电信号的响应不同，因此通过测量可以确定它们的存在和值。
阻抗测量的原理是基于交流电信号的传输特性和电路响应的分析。
通过测量电流、电压和相位差等参数，可以计算出电路或
设备的阻抗值，从而了解其性质和特征。
这种测量方法在电子工程、电力系统和通信领域等具有广泛的应用。
阻抗 测量
• RIP有两个版本：RIP1和RIP2。
3.2.2 RIP路由配置
RIP动态路由协议的配置主要命令：
（1）router rip
启动RIP协议，开启RIP进程
（2）version 1或2
配置rip的版本号，一般使用版本2
（3）network 网络地址
网络，在设置静态路由时，直连网络不需要手工配置在路由表中。
3.1.1 静态路由简介组成
2 .静态路由的配置
例3.1 静态路由配置示例
（本示例在Cisco PT环境下
实现）。网络结构拓扑图如
图所示，各路由器所使用的
端口和端口的IP地址如标注
所示，现在给三台路由器配
置静态路由，保证网络连通。
路由器R1的配置：
R1(config)#router rip
R1(config-router)#version 2
//注入进程号为1的OSPF内部路由
R1(config-router)#redistribute ospf 1 match internal
//注入进程号为1的OSPF外部路由
R1(config-router)#redistribute ospf 1 match external
第7章
阻抗测量
【本章重点】
1、阻抗的定义、表示式和基本特性
2、电阻的测量
3、电感、电容的测量
7.1概述
7.1.1阻抗的定义与表示式
阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征量
直流 =
交流ሶ =
ሶ
ሶ
= + = = ( + )
压电式传感器的测量电路
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱， 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中， 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过 阻抗交换以后， 阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键 其中， 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。） 在于高阻抗输入的前置放大器。）
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好， 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此， 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 ， 在力传递系统中加入预加力，称预载。 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外， 压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载 表面的间隙 ， 提高刚度 。 特别是， 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
（5-20） 20）
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由于长度元dχ是无穷小量，在这些长度元的范围内参数可以集中。
路，利用KCL和KVL(基尔霍夫定律)写出的。它是一个偏微分方程
组。
第8 章
阻抗测量
（3）解方程求解答，再根据解答讨论电路（即传输线）的性能。
如果建模完成后，再用合适的实际电阻器、电感器和电容器来 实现，便可得到一个线性尺寸很小的称为人工线的实际链形电 路。这就提供了对传输线进行实验研究的条件。 人们可以在实验室内利用很短的人工线实现对长达几百公
1 ( j L R 0 ) j C 0 Z e 1 ( j L R 0 ) j C 0
R 0 j L 1 2 LC 0 jC 0 R0
若电感器的Q值很高，其损耗电阻小。分母中的虚 部忽略，此时电感器的等效电感为
Le
L 1 LC0
2
第8 章
第8 章
阻抗测量
三、电路参数的测量方法：
1、谐振法：以L、C回路的谐振特性为基础，用此方法组成 的测量仪器叫Q表。
2、电桥法：以电桥平衡原理为基础
3、直接测量法：以欧姆定律为基础
注意：在阻抗测量中，测量环境的变化、信号电压的大小及 其工作频率的变化等因素都会直接影响测量结果。如，不 同的温度和湿度，将使阻抗表现为不同的值；过大的信号 可能使阻抗元件表现为非线性，特别是在不同的工作频率 下，阻抗表现出的性质截然相反。因此，在阻抗测量中， 必须按实际工作条件（尤其是工作频率）进行测量。
当 0
当 0
时，电阻器呈电感性
时，电器呈电容性
因此，在工作频率不太高时，电阻器的电阻分量起主要作用， 其电抗分量小到可以忽略不计，随着工作频率的提高，就必须 考虑电抗分量了。
第8 章
阻抗测量
精确的测量表明，电阻器的等效电阻本身也是频 率的函数，工作于交流情况下的电阻器，由于集肤效 应、涡流效应、绝缘损耗等，使等效电阻随频率而变 化，设R=和R~分别为电阻器的直流和交流阻值，实验 表明，可用如下经验公式足够准确地表示它们之间的 关系：
第8 章
阻抗测量
Re、Xe分别为等效阻抗的电阻分量和电抗分量。在频
率不太高时， L / R 1, C / R 1 0 0 L0 Z R[1 j ( RC0 )] R[1 j ] R L0 RC0 τ 称为电阻器的时常数。 R
时，电阻器为纯电阻
当 0
量指标。(1)电抗元件的Q值等于它的电抗与其等效串联电阻的
比值；元件的Q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈 佳。(2)谐振回路的品质因数为谐振回路的特性阻抗与回路等效
电阻之比；电路的选择性是由电路的品质因素Q所决定的，Q值
越高表示电路的选择性越好。 3、阻抗测量：一切实际电气系统均可看成一个网络，而网络是由 基本阻抗元件组成，因此阻抗是描述回路特性的一个重要参数。
因为信号沿它传送时，衰减很大。对金属零件进行高频表面淬火，
是趋肤效应在工业中应用的实例。
第8 章
阻抗测量
4.2 阻抗
一、定义
加在回路上的端口电压与流入回路的电流之比
U Z I
在集中参数系统中，阻抗由R、L、C元件及其组合表示。 R：表示能量的损耗，L、C：表示能量的储存和变化。
第8 章
损耗因数定义为
1 G0 D tg Q C
第8 章
阻抗测量
B、当频率很高时，L0为引线电感， R0
引入的损耗， R0 为介质损耗及泄漏。
为引线和接头
此时，寄生电感的影响相当显著，若忽略其损耗
1 jC C jL0 Ye j 2 1 1 L0C j (C ) jL0
第8 章
阻抗测量
总结： 1、电阻器、电容器和电感器的等效模型
2、电阻器、电感器和电容器只在某些特定条件
下，才能看成理想元件。一般情况下，它们都
随所加的电流、电压、频率、温度等因素而变
化。 3、在测量阻抗时，必须使得测量条件尽可能与 实际工作条件接近，否则，测得的结果将会有 很大的误差，甚至是错误的结果。
阻抗测量
（3）电容器
A、若仅考虑介质损耗及泄漏等因数，其等效导纳为
Ye G0 jC
品质因数为
CU 2 2fC C Qe 2 2 CR0 U G0T G0 G0
第8 章
阻抗测量
对电容器而言，常用损耗角
和损耗因数D来
衡量其质量。把导纳Y 画在复平面上，
G0 tg C
第8 章
阻抗测量
②选用优质骨架，减少介质损耗。通常对于要求损耗小、工作频率 高的电感线圈，应选用高频陶瓷、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高频介 质材料做骨架。对于超高频工作的电感线圈，可用无骨架方式绕制。 ③选用带有磁心的电感线圈。电感线圈中带有磁心时，可使线圈圈 数及其电阻大大减少，有利于Q值的提高。
④合理选择屏蔽罩的尺寸。线圈加屏蔽罩后，会增加线圈的损耗， 降低Q值。因此，屏蔽罩的尺寸不宜过大和过小。一般来说，屏蔽 罩直径与线圈直径之比以1.6-2.5为宜，这样可使Q值降低小于10%。
阻抗测量
二、阻抗的表示
1、直流情况下：R=U/I
2、正弦交流情况下：阻抗为复数，可用直角坐标和极 坐标表示
U Z Re jX e Z e j Z (cos j sin ) I Xe 2 2 Z Re X e arctg Re
第8 章
阻抗测量
3、实际R、L、C的表示
第8 章
阻抗测量
第五章 阻抗测量
5.1 概 述
5.2 电桥法测量阻抗
5.3 谐振法测量阻抗
5.4 利用变换器测量阻抗
第8 章
阻抗测量
5.1 概述
一、电路参数的测量主要包括：
1、R、L、C的测量： 2、Q值的测量：反映L、C回路的品质因素 品质因素Q ：电学和磁学的量。表征一个储能器件(如电感线圈、 电容等)、谐振电路中所储能量与每周期损耗能量之比的一种质
在电路理论中讨论传输线时，常以具有两条平行导线、而且 参数沿线均匀分布的均匀传输线（或均匀长线）为对象。作这样 的选择是因为实际应用的传输线可以等效转换成具有两条平行导 线形式的传输线，而且这种均匀的传输线容易分析。其基本参数 或称原参数是R0、L0、C0和G0。其中R0 代表单位长度线（包括 来线与回线）的电阻；L0代表单位长度来线与回线形成的电感； C0和G0分别代表单位长度来线与回线间的电容和漏电导。这些参 数由导线所用的材料、截面的几何形状与尺寸、导线间的距离， 以及导线周围介质决定的，在高频和低频高电压下它们都有近似 的计算公式。
一个实际的元件，如电阻器、电容器和电感器，都不 可能是理想的，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。也就 是说，一个实际的R、L、C元件都含有三个参量：电阻、 电感和电容。 （1）电阻R 在高频条件下，电阻存在引线电
感、同时又必须考虑分布电容。其等效阻抗为
1 R jL 0 jC0 Ze 2 1 ( 1 L 0C0 ) jC0 R R jL 0 jC0 ( R jL 0 ) C L 0 1 0 ( R 2 2 L20 ) L0 R j (1 2 L 0C0 )2 ( C0 R )2 (1 2 L 0C0 )2 ( C0 R )2 R e jX e
第8章 阻抗测量 三、阻抗测量
1、最常用的方法有伏安法、电桥法和谐振法。
伏安法是利用电压表和电流表分别测出元件的电压和电 流值，从而计算出元件值。该方法一般只能用于频率较低的情
况，此时将电阻器、电感器和电容器视为理想元件。
第8 章
阻抗测量
集肤效应即趋肤效应:在计算导线的电阻和电感时，假设电流是
均匀分布于他的截面上。严格说来，这一假设仅在导体内的电流
变化率（di/dt）为零时才成立。另一种说法是，导线通过直流 （dc）时，能保证电流密度是均匀的。但只要电流变化率很小， 电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线，这一论 述仍然是可确信的。但在高频电路中，电流变化率非常大，不均 匀分布的状态甚为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的 中心区域感应出最大的电动势。由于感应的电动势在闭合电路中 产生感应电流，在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是 在减小原来电流的方向，它迫使电流只限于靠近导线外表面处。 这样，趋肤效应应使导线型传输线在高频（微波）时效率很低，
里，甚而上千公里的输电线上的各种工作状态的观察和各种数
据的测量。分布参数电路作为一个电磁系统当然还可采用电磁 场理论进行分析。这样做虽然严格与精确，但并不方便，因为
求解电磁场方程组要比求解电路方程组困难得多。因此，通常
是采用电路理论来分析分布参数电路。
第8 章
阻抗测量
传输线是传送能量或信号的各种传输线的总称，包括电力传 输线、电信传输线、天线等。传输线又称长线，由于它在空间某 个方向上的长度可与其内部电压、电流的波长相比较，因此必须 考虑参数分布性的特征，所以是典型的分布参数电路。
(1)集中参数元件：假定元器件伴随的电磁过程都分别集中在各元 件内部进行，这种元件就称为集中参数元件，简称为集中元件。 对于一个具有两个端钮的集中参数元件，从一个端钮流入的电流 等于从另一个端钮流出的电流；端钮间的电压为单值量。由集中 元件构成的电路称为“集中参数电路”或“集总参数电路”。
第8 章
第8 章
阻抗测量
4、品质因素
通常用品质因数Q来衡量电感器、电容器
以及谐振电路的质量，其定义为
磁能或电能的最大值 Q 2 一周期内消化的能量
提高品质因数的措施 ①根据工作频率选择绕制线圈的导线。低频段工作的电感线圈应 采用漆包线等带绝缘的导线绕制。对于工作频率在几十千赫至两兆 赫之间的电感线圈，应采用多股绝缘导线绕制，以增加导体有效截 面积，减少集肤效应的影响，可使Q值提高30%-40%。对于工作频率 高于2MHz的电感线圈，应采用单股粗导线绕制，导线直径一般在 0.3-1.5mm之间。