力与压力测量传感器
压力传感器的设计与测试
压力传感器的设计与测试随着科技不断发展，各种传感器被广泛应用于各个领域。
其中，压力传感器作为可测量压力变化的重要设备，在很多实际应用中起着至关重要的作用。
本文将简单介绍压力传感器的设计与测试。
一、压力传感器的基本原理压力传感器是测量压力、力和扭矩等物理量的一种传感器。
压力传感器工作的基本原理是利用物理效应将受力转化为电信号的变化，并通过信号处理电路将其转化为与压力成比例的电信号输出。
目前常用的压力传感器有电阻式、压阻式、微机械式等。
二、压力传感器的设计与制造压力传感器的设计与制造通常需要进行以下几个步骤：1.确定测量范围以及测量精度为了确保测量结果的可靠性和准确性，首先需要确定压力传感器的测量范围和测量精度。
确定测量范围需考虑被测物体的最大压力，而测量精度则受制于传感器的内部结构、材料以及信号处理电路等多方面因素。
2.选择传感器类型和工作原理根据测量范围和精度等条件，选择合适的传感器类型和工作原理，例如，对于低压力测量，通常采用压阻式或微机械式传感器，而对于高压力测量，则通常采用电阻式传感器。
3.设计传感器内部结构和特性传感器的内部结构和特性对于其测量精度以及使用寿命等方面都有着重要的影响。
因此，在传感器的设计中，需要考虑如何提高传感器内部受力均匀度、稳定性以及防水、防腐等方面的特性。
4.选择合适的材料和加工工艺传感器的材料和加工工艺既影响传感器的精度和可靠性，也会影响传感器的成本和制造难度。
因此，在传感器的设计中，需要选择合适的材料和加工工艺，来确保传感器的性能和成本符合预期要求。
三、压力传感器的测试方法压力传感器的测试通常涉及到静态测试和动态测试两种方法。
1.静态测试静态测试通常使用标准校准器或者其他已知压力条件下的压力仪器对传感器进行测试。
静态测试需消除传感器与测试仪器之间的误差影响，例如大气压力、温度变化等非受力因素的影响。
2.动态测试动态测试通常是通过对传感器施加震动、冲击等实验条件下进行测试。
第2章 力、压力传感器课后习题
力传感器的组成是什么？答：力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量、显示电路组成。
弹性敏感元件的作用是什么？其分类有几种？各有何特点？答：作用：弹性敏感元件的作用是把力或压力转换为应变或位移，然后再转换电路将应变或位移转换为电信号。
分类：（1）力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件（2）压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件特点：变换力的弹性敏感元件圆柱式：结构简单，可承受较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测量大于10kN的力，空心圆柱形可测量1~10kN的力，且应力变化均匀。
圆环式：圆环式的敏感元件比圆柱式输出的位移大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。
悬臂梁式：它的一端固定，一端自由，结构简单，加工方便，应变和位移较大，适用测量1~5kN的力。
压力的弹性敏感元件弹簧管：C形弹簧管的一端密封但不固定，成为自由端，另一端连接在管接头上且固定，流体压力通过管接头进入弹簧管后，在压力F作用下，弹簧管的横截面力图变成圆形截面，截面的短轴力图伸长。
使弹簧管趋向伸直，一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡为止。
这样自由端便产生了位移。
通过测量位移的大小，比可得到压力的大小。
波纹管：波纹管的轴向在流体压力作用极易变形，有较高的灵敏度。
波纹膜片和膜盒：线性度好，灵敏度高及各种误差小。
薄壁圆筒：筒壁均匀受力，并均匀向外扩张，所以在管壁的轴线方向产生拉伸力和应变力。
3、电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？答：工作原理：通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。
测试原理：测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。
压力和力的测量与实验方法
压力和力的测量与实验方法压力和力是物理学中常见的概念。
它们在工程、科学研究以及日常生活中都具有重要的意义。
本文将探讨压力和力的测量以及实验方法，并思考它们在不同领域中的应用。
一、压力的测量方法压力是单位面积上作用的力的大小，通常用帕斯卡（Pa）作为单位。
测量压力的方法有很多种，下面简单介绍几种常见的方法。
1. 液体柱法液体柱法是一种基本的测压方法，利用液体的静力性质来测量压力。
通过将液体灌入一根竖直的管道中，压力将使液体上升到一定的高度，测量这个高度可以计算出压力的大小。
这种方法简单易行，但需要保证管道中液体的密度均匀和水平。
2. 压力传感器压力传感器是一种常用的电子设备，用于测量压力。
常见的压力传感器有电阻式、电容式、压阻式等。
电阻式传感器利用电阻与压力的关系来测量压力，电容式传感器则利用电容与压力的关系来测量压力。
这些传感器具有高精度、反应快速等特点，广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域。
3. 压力计压力计是一种常见的测量压力的设备，如压力表、压力计、压力传送器等。
这些设备利用弹簧、膜片等原理来测量压力，通过指示器或电子信号将压力值显示出来。
压力计具有测量范围广、精度高、耐用等特点，被广泛运用于工业生产、科学实验等场合。
二、力的测量方法力是物体之间相互作用的结果，它是质量和加速度的乘积。
测量力的方法有多种，在不同的场合和需求下，我们可以选择合适的方法。
1. 弹簧测力计弹簧测力计是一种常见的测量力的设备，由弹簧、刻度盘等组成。
当外力作用于弹簧上时，弹簧会变形，通过测量变形量可以计算出作用力的大小。
这种方法简单易行，但需要校准弹簧的刻度，确保测量结果的准确性。
2. 动态力传感器动态力传感器可以测量瞬时力的大小和变化情况，如撞击力、冲击力等。
它们通常使用压电效应或共振效应来进行测量。
这种传感器具有响应速度快、精度高等优点，被广泛应用于碰撞试验、振动分析等领域。
3. 静态力传感器静态力传感器主要用于测量稳定的静态力。
压力传感器的原理
压力传感器的原理压力传感器是一种能够将压力信号转换为电信号输出的传感器，广泛应用于工业自动化控制、汽车电子、医疗设备等领域。
它的原理是利用一定的物理效应，将受力的变化转换为电信号输出，从而实现对压力的测量和控制。
压力传感器的原理主要包括以下几个方面：1. 压阻式原理。
压阻式压力传感器是利用压阻效应来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器的敏感元件上时，敏感元件会发生形变，从而改变其电阻值。
通过测量电阻值的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器简单、成本低，但精度较低，易受温度影响。
2. 容性原理。
容性压力传感器利用压力作用于传感器时，会改变传感器内部电容值的特性。
通过测量电容值的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有较高的灵敏度和稳定性，但制造工艺复杂，成本较高。
3. 压电原理。
压电压力传感器是利用压电效应来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器的压电晶体上时，会产生电荷的分布变化，从而产生电压信号输出。
通过测量电压信号的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有高灵敏度、高稳定性和高精度，但制造工艺复杂，成本较高。
4. 光纤原理。
光纤压力传感器是利用光纤的光学原理来实现对压力的测量。
当外力作用于传感器上时，会改变光纤的折射率，从而改变光信号的传输特性。
通过测量光信号的变化，就可以得到压力的大小。
这种原理的传感器具有抗干扰性强、可靠性高的优点，但制造工艺复杂，成本较高。
总结：压力传感器的原理多种多样，每种原理都有其适用的场景和特点。
在实际应用中，需要根据具体的测量要求和环境条件选择合适的压力传感器。
随着科技的不断发展，压力传感器的原理和性能也在不断提升，为各行各业的应用提供了更加可靠和精准的压力测量解决方案。
压阻传感器原理及应用
压阻传感器原理及应用压阻传感器是一种使用压阻效应来测量压力或力的传感器。
它是一种电阻器，由一个有机聚合物或金属薄膜制成，通过加压或载荷作用产生的变形来改变电阻值。
压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。
当外界施加压力或力于传感器上时，传感器的感应层会变形。
变形后，感应层中的导电材料间的电阻值将发生变化。
通常，传感器上有一对电极，当感应层变形时，导电材料之间的距离发生变化，从而改变了电阻值。
通过量化电阻值的变化，可以间接测量、监测压力或力的大小。
压阻传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用领域：1. 工业自动化：压阻传感器可以用于监测和控制各种机械设备中的压力和力，例如水压系统、气压系统、液压系统等。
通过实时监测压力或力的变化，可以确保设备正常运行，以及进行预警和维护。
2. 汽车工程：压阻传感器在汽车工程中的应用非常普遍。
例如，发动机控制系统中使用压阻传感器测量进气道压力，以确定发动机负荷和燃油喷射量。
此外，还可以用于测量刹车系统中的制动压力，以及轮胎的接地压力。
3. 医疗设备：压阻传感器被广泛应用于医疗设备中，用于监测和控制生理参数，如呼吸机、血压计、血糖仪等。
通过测量压力和力的变化，可以帮助医疗专业人员诊断和治疗病症。
4. 空调与暖通：压阻传感器可以用于监测和控制空调系统中的压力和流量。
例如，可以使用它来测量和控制空气处理单元中的空气压力，以及水冷却系统中的水流量。
5. 家用电器：压阻传感器也广泛应用于家用电器中，如洗衣机、洗碗机、冰箱等。
通过测量水源压力和水流量，可以实现智能化控制、水资源的节约和安全使用。
总之，压阻传感器是一种常见的传感器类型，通过压阻效应来测量压力或力。
它在工业自动化、汽车工程、医疗设备、空调与暖通以及家用电器等领域都有广泛的应用。
随着科技的发展和创新，压阻传感器的性能和精度将得到不断改进，使其在更多应用中发挥作用。
说明应变式压力和力传感器的基本原理
说明应变式压力和力传感器的基本原理
应变式压力传感器是一种基于材料的应变效应来测量压力的装置。
其基本原理是根据压力的作用，使传感器内的感应元件（通常为金属片、铂阻、半导体晶体等）产生变形，通过测量这种变形来确定压力的大小。
具体原理如下：
1. 压力作用下的应变效应：当外力作用在物体上时，物体会发生应变，即形状和尺寸发生变化。
应变分为压缩应变和拉伸应变两种，其大小与施加在物体上的压力成正比。
2. 应变测量：应变式压力传感器内部通常有一个弹性敏感元件，例如弹性金属片或细丝。
当外力施加在传感器上时，敏感元件会发生弹性变形，形成压缩或拉伸的应变。
3. 应变电桥：应变式压力传感器通常采用应变电桥来测量应变的大小。
应变电桥是由多个电阻组成的电路，其中包括一个感应元件和额外的参考电阻。
当感应元件发生应变时，感应元件上的电阻值也会发生变化，从而引起电桥电路的不平衡。
4. 输出信号：当应变电桥发生不平衡时，输出信号将产生。
这个不平衡信号可以是电流或电压变化，其大小与应变量呈线性关系。
通过测量不平衡信号的大小，可以确定外加压力的值。
5. 校准和放大：为了提高传感器的灵敏度和精度，通常需要对传感器进行校准和放大。
校准过程将不平衡信号与已知压力值进行比较，以建立压力与信号之间的关系。
放大器可以将传感
器输出信号放大到可测范围内，以便进行后续处理或显示。
综上所述，应变式压力传感器通过测量感应元件的应变量来间接测量压力的大小。
根据感应元件的不同材料和结构，可以设计出不同类型的应变式压力传感器，如压电式、电阻应变式、半导体式等。
压力传感器工作原理
压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量压力的装置，它可以将压力转化为电信号输出。
它在工业自动化、航空航天、汽车工程、医疗设备等领域中广泛应用。
下面将详细介绍压力传感器的工作原理。
一、压力传感器的基本原理压力传感器的工作原理基于压力对物质产生的力的作用。
当物体受到压力时，它会发生形变。
压力传感器利用这种形变来测量压力，并将其转化为电信号输出。
二、传感器的结构压力传感器通常由以下几个主要部份组成：1. 压力感应器件：它是传感器的核心部份，负责感知外部压力。
常见的压力感应器件有压阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器等。
2. 信号转换电路：它将感应器件输出的电信号进行放大、滤波和线性化处理，使其能够准确地反映压力的变化。
3. 输出电路：它将信号转换电路处理后的电信号输出给用户或者其他设备。
三、常见的压力感应器件1. 压阻式传感器：它是利用材料的电阻随压力变化而变化的原理来测量压力的。
当外部压力作用在传感器上时，传感器内部的电阻会发生变化，进而产生电信号输出。
2. 电容式传感器：它是利用材料的电容随压力变化而变化的原理来测量压力的。
当外部压力作用在传感器上时，传感器内部的电容会发生变化，进而产生电信号输出。
3. 压电式传感器：它是利用压电材料的压电效应来测量压力的。
当外部压力作用在压电材料上时，材料会产生电荷分离，从而产生电信号输出。
四、压力传感器的工作过程1. 压阻式传感器的工作过程：a. 当外部压力作用在传感器上时，传感器内部的电阻发生变化。
b. 信号转换电路将电阻变化转化为电压信号。
c. 输出电路将电压信号输出给用户或者其他设备。
2. 电容式传感器的工作过程：a. 当外部压力作用在传感器上时，传感器内部的电容发生变化。
b. 信号转换电路将电容变化转化为电压信号。
c. 输出电路将电压信号输出给用户或者其他设备。
3. 压电式传感器的工作过程：a. 当外部压力作用在传感器上时，压电材料产生电荷分离。
压力传感器
压力传感器什么是压力传感器压力传感器是一种常见的传感器，用于测量物体的压力。
它可以将压力转换为电信号或其他形式的输出信号，以便进行压力的监测和控制。
压力传感器通常利用压力对感应元件的变形或压缩，从而引起传感器内部电路参数的变化。
这些参数的变化可以被测量和记录，从而得到物体的压力信息。
压力传感器的工作原理压力传感器的工作原理基于一些特定的物理原理，如电阻、电容、应变等。
•电阻型压力传感器：电阻型压力传感器基于压力对电阻的影响。
当受力物体对传感器施加压力时，传感器的电阻会发生变化。
这个变化可以通过测量电阻来对压力进行监测和计算。
•电容型压力传感器：电容型压力传感器利用压力对电容量的影响。
当受力物体对传感器施加压力时，传感器的电容量会发生变化。
通过测量电容量的变化，可以得到压力的信息。
•应变型压力传感器：应变型压力传感器基于应变效应。
当受力物体对传感器施加压力时，传感器内部的应变会发生变化。
这个变化可以通过测量应变量来对压力进行监测和计算。
压力传感器的应用领域压力传感器在许多不同的领域中有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1.工业控制：在工业控制系统中，压力传感器用于监测和控制压力。
它可以用于监测流体管道中的压力变化，并通过反馈控制系统来保持压力稳定。
2.汽车工业：压力传感器在汽车工业中也有重要的应用。
它可以用于汽车制动系统、发动机管理系统等方面，帮助实时监测和控制压力，提高汽车的性能和安全性。
3.医疗设备：在医疗设备中，压力传感器用于监测和控制血压、呼吸机、人工心脏等设备。
它可以帮助医生和护士了解患者的生命体征，并提供必要的治疗和护理。
4.空调系统：压力传感器在空调系统中也有重要的应用。
它可以用于监测冷却剂的压力，调节和控制制冷系统的运行，以保持室内恒温。
5.环境监测：压力传感器可以用于环境监测，例如测量大气压力、水压力等。
它在气象预报、水文监测等方面发挥着重要的作用。
压力传感器的优势和局限性压力传感器具有以下优势：•准确度高：压力传感器具有很高的测量精度，可以提供准确的压力信息。
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载特性曲线之间的最大差值
Δεm称为应变片的机械滞后值。
i m
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m
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（3）电阻应变传感器主要特性
3) 零漂和蠕变
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持 恒定，试件上没有机械应变的情况下，应变片的 指示会随着时间增长而逐渐变化，这就是应变片 的零点漂移，简称零漂。
压力测量传感器的特性参数、测量电路与温 度补偿方法
压力测量传感器性能及应用范围比较
压力测量传感器应用实例
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3
3.1 电阻式压力传感器
3.1.1金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制
成的一种测量微小机械变化量的传感器。它是由
弹性元件和电阻应变片构成。当弹性元件感受被
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6） 绝缘电阻和最大工作电流
应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件 之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ 以 上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变 片的指示应变产生误差。
最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不 影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出信号就 大，灵敏度就高。但工作电流过大，会使应变片过热， 灵敏度系数发生变化，零漂及蠕变增加。通常静态测量 时取25mA左右，动态测量时取75～100mA。
应变片的应变极限是指在一定温度90％
下，应变片的指示应变εi与试件
的真实应变εm的相对误差达到规
定值（一般为10%）时的真实应变
值εj，如右图所示。
对于已安装的应变片，在恒定幅值 的交变力作用下，可以连续工作而 O 不产生疲劳损坏的循环次数N称为 应变片的疲劳寿命。
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j m
使其电阻值发生变化的现象被称为“应变效应”。
L
2r
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L
图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化
F 2(r r)
5
设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时 的初始电阻为
RL
S
（ 3-1 ）
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的截面积。
相对变形范围内，金属材料的灵敏系数k0将保持 不变。
因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界
应力的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小
成正比。即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率
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（2）应变片的结构
常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变 片。它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、 覆盖层、引线和黏结剂组成。
实用传感器技术教程
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1
第3章 力与压力测量传感器
3.1 电阻式压力传感器
1.2
3.2 压电式传感器 3.3 差动变压器式传感器
1.2
3.4 集成压力传感器 3.5 压磁式传感器
1.2
3.6 力与压力测量传感器性能比较
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本章要点
电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与 集成式压力传感器等压力测量传感器结构与 工作原理
已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一 恒定的机械应变长时间作用下，应变片的指示会 随时间的变化而变化，这种现象称为蠕变。一般 来说，蠕变的方向与原来应变量变化的方向相反。
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（3）电阻应变传感器主要特性
4) 温度效应
粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变 而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也 会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现 象称为温度效应。温度变化对电阻应变片的影响 是多方面的，这里仅考虑两种主要影响：
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（3）电阻应变传感器主要特性
2) 机械滞后
应变片安装在试件上以后， 在一定的温度下，应变片的指
示应变εi与试件机械应变εm应
该是一个确定关系，但实验表 明，在加载和卸载过程中，对 同一机械应变量，两过程的特 性曲线并不重合，卸载时的指 示应变高于加载时的指示应变， 如 图 3-3 所 示 ， 这 种 现 象 称 为
一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的 电阻温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；
二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试 件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变， 从而引起电阻的相对变化。
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（3）电阻应变传感器主要特性
5) 应变极限与疲劳寿命
i (R R) 100％
测物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件
表面的电阻电阻应变片的电
阻值，可以用来测量被测的物理量。金属电阻应
变传感器具有结构简单、测量精度高、使用方便、
动态性能好等特点，被广泛应用于测量力、力矩、
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1.1 传感器基本概念
1. 电阻应变片原理及主要特性 （1）工作原理 金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变 形，机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而
引出线
覆盖层
基片
b
l
电阻丝
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（3）电阻应变传感器主要特性
1) 灵敏系数K
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时， 试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏 感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明， 在一定应变范围内ΔR/R由下式确定：
R K
R
式中:ε为应变片的纵向应变； K为应变片的灵敏系数。
R
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式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或
受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比
值。如果令 :
k0
1 2
(3-4)
则有:
R R
k0
(3-5)
式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为
电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对
变化。
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当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、 S均发生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸 的变化引起电阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电
阻的相对变化量为 :
R L S R LS
经过整理，可得下式:
(3-2)
R (1 2) (3-3)
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由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的
影响：一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变
引起的，对某种材料来说，它是常数；另一个是
（Δρ/ρ）/ε，对于同一种金属材料，其值也是常
数，但比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0≈1+2μ。
理论与实验证明，对于每一种电阻丝，在一定的