第七章 电动势式传感器
《传感与检测技术》习题及解答

第1章传感与检测技术基础1、电感式传感器有哪些种类?它们的工作原理分别是什么?2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关?怎样改善其非线性?怎样提高其灵敏度?答:根据变气隙自感式传感器的计算式:00022l S W L μ=,线圈自感的大小,即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关,还与磁路上空气隙的长度l 0有关;传感器的非线性误差:%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。
由此可见,要改善非线性,必须使l l∆要小,一般控制在0.1~0.2。
(因要求传感器的灵敏度不能太小,即初始间隙l 0应尽量小,故l ∆不能过大。
)传感器的灵敏度:20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ,由此式可以看出,为提高灵敏度可增加线圈匝数W ,增大等效截面积S 0,但这样都会增加传感器的尺寸;同时也可以减小初始间隙l 0,效果最明显。
4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过 11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么?怎样减小和消除它的影响?答:在差动式自感传感器和差动变压器中,衔铁位于零点位置时,理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。
但实际输出并不为零,这个电压就是零点残余电压。
残差产生原因:①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称,如几何尺寸不对称、电气参数不对称。
②存在寄生参数;③供电电源中有高次谐波,而电桥只能对基波较好地预平衡。
④供电电源很好,但磁路本身存在非线性。
⑤工频干扰。
差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除:①设计时,尽量使上、下磁路对称;并提高线圈的品质因素Q=ωL/R;②制造时,上、下磁性材料性能一致,线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。
在桥臂上串/并电位器,或并联电容等进行调整,调试使零残最小后,再接入阻止相同的固定电阻和电容。
第7章热电式传感器案例

B
第7章 热电式传感器
§7-1 热电偶
(二) (导体内)温差电势
导体内因两点温度不同,两点产生电势。
机理:导体内自由电子在高温 端具有较大的动能,因而向低 温端扩散,结果高温端因失去 电子而带正电荷,低温端因得 到电子而带负电荷,从而形成 一个静电场。
eA (T , T0 ) dT
- eAB (T0 ) eBC (T0 ) eCA (T0 )
10
第7章 热电式传感器
§7-1 热电偶
二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 右图的热电偶回路总电势为
EABC (T , T0 ) eAB (T ) eBC (T0 ) eCA (T0 ) - AdT BdT
第7章 热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在 各种热电式传感器中,把量转换为电势和电阻的方法最为普遍。 其中:将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶 将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。 ① 温度 电势 放大电路
热电偶 热电阻 热敏电阻
②
温度
电阻
检测电路
1
第7章 热电式传感器
EABC (T , T0 ) eAB (T ) eBC (T0 ) eCA (T0 ) - AdT BdT
T0 T0
T
T
接触电势
温差电势
9
第7章 热电式传感器
§7-1 热电偶
二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律
在T=T0时
eAB (T0 ) eBC (T0 ) eCA (T0 ) 0
EABC (T , T0 ) eAB (T ) - eAB (T0 ) ( B - A )dT EAB (T , T0 )
第七章霍尔传感器及应用

B
C U0
D I
A 图7-4 不等位电势
R1
B
R2
C R3
D RR44
A 图7-5 霍尔元件的等效电路
A
C
D
B
W
R1 C
A R2 D
几种常用补偿方法
湖州职业技术学院机电分院
A
C
D
B
W
A
C
D
(b)
B
W
R1 C
A R2 D
R1 C
A R2 D
R3
R4
B
W (a)
R3 (b)
R4 B
W (c)
R3
R4
B
若取 RH = 1 / nq 则
IB UH RH d
RH为霍尔元件的霍尔系数。显然,霍尔系数由半导体材料的性质决定,它反映材料霍尔效应的
强弱。
设
KH
RH d
湖州职业技术学院机电分院
UHKHIB
KH为霍尔元件的灵敏度,它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍 尔电压的大小。单位是mV/(mA·T)
7.1 霍尔效应及霍尔元件 一、 霍尔效应
霍尔效应
湖州职业技术学院机电分院
B
b FE
FL v
湖州职业技术学院机电分院
d
I UH
l 图7-1 霍尔效应
设霍尔元件为N型半导体,当它通电流I时 FL = qvB
(7-1)
当电场力与洛仑兹力相等时,达到动态平衡,这时有 qEH=qvB
故霍尔电场的强度为 EH=vB
结论:
湖州职业技术学院机电分院
① 如果是P型半导体,其载流子是空穴,若空穴浓度为p,同理可得
第七章 热电式传感器.ppt

测量温度范围
1000C 热电势/
mV
B
铂铑30-铂铑6
50~1820 C
4.834
R
铂铑13—铂
-50~1768 C
10.506
S
铂铑10—铂
-50~1768 C
9.587
K
镍铬-镍铬 (铝) -270~1370 C 41.276
E 镍铬-铜镍 (康 铜) -270~800 C
——?
第7章 热电式传感器 普通装配型热电偶的外形
第7章 热电式传感器
本章主要内容
➢了解热电阻工作的主要原理 ➢掌握热电效应,热电偶工作原理 ➢掌握热电偶工作定律 ➢了解热电偶的测温材料及其特点 ➢熟悉热电偶的应用
第7章 热电式传感器
7.1.1 热电阻
工作原理:热电阻的阻值随温度的变化而变化。
1. 热电阻材料的特点:
a 高温度系数,高电阻率
b 化学和物理性能稳定
▪ 定义:将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路,若节点处于不同的 温度时,两者之间将产生一热电势,在回路中形成一定大小的电流, 这种现象称为热点效应。
▪
接触电势
EAB (T )
温差电势
kT e
ln
NA NB
T
EA (T ,T0 ) EB (T ,T0 ) T0 ( A B )dT
T
EA (T ,T0 ) T0 AdT
AA’CTBB’C’
热电偶
补偿导线 试管
铜 导 线
冰点槽
T0
冰水溶液
mV
仪 表
第7章 热电式传感器
2. 计算修正法
用普通室温计算出参比端实际温度 TH ,利用公式计 算
EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)
(整理)第七章光电传感器习题答案

•第七章光敏传感器•1.光电效应通常分为哪几类?简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些?•2.半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么?3.光电倍增管产生暗电流的原因有哪些?如何降低暗电流?•4.试述光电倍增管的组成及工作原理?•5.简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别?•6.为什么在光照度增大到一定程度后,硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大?硅光电池的最大开路电压为多少?•7.试举出几个实例说明光电传感器的实际应用,并进行工作原理的分析。
答案:一、光电效应分为两类:外光电效应和内光电效应外光电效应:入射光子被物质的表面所吸收,并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应(如:光敏电阻)和光生伏特效应(如光电池、光电二极管、光电三极管)。
二、、对于不同的本征半导体材料,禁带宽度Eg不同,对入射光的波长或频率的要求也不同,一般都必须满足:7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体:Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定,对噪声的贡献小。
在低电压工作时,欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时,保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低,容易产生热电子发射,即使在室温下也会有一定的热电子发射,并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射,应选用热发射小的阴极材料,并在满足使用的前提下,尽量减小光电阴极的面积,降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离,产生正离子和光子,它们也将被倍增,形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重,使倍增管工作不稳定。
传感器原理及应用(第三版)第7章

(二)温差电势 单一导体,如果两端温度不同,则导体内自由电子在高温端具有 较大的动能,因而向低温端扩散,高温端因失去电子而带正电,低 温端因得到电子而带负电,从而形成静电场,如图所示。该电场阻 碍电子的继续扩散,当达到动平衡时,在导体两端便产生一个稳定 的电位差,即温差电势。同样由物理学可知: 温差电势: T e A ( T , T 0 ) = ∫ σ dT T0 其中: e A (T , T0 ) —导体A两端温度为时形成的 温差电势 σ —汤姆逊系数,表示单一导体两 端温差1℃时所产生的温差电势,其值与材料性质及两端温度有关. ℃ 结论: 结论:在热电偶中,温差电势相对于接触电势非常小,工程上常 将其忽略不计,起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量 使用时要加以考虑 。
Tn Tn T T + ∫ σ B dT − ∫ σ A dT + ∫ σ B ' dT − ∫ σ A ' dT Tn Tn T0 T0
= EAB (T , Tn ) + E A'B ' (Tn , T0 )
因此上述定律成立。
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(T1Tn ), (Tn1T0 )
2 中间温度定律: 定律描述:热电偶在结点温度为 (T,T0 ) 时的热电势 EAB(T,T0 ) ,等于 热电偶在 (T,Tn ),(T,T0 ) 时相应的热电势 EAB(T,Tn ) 与 EAB(Tn ,T0 ) 的代数和。 数学表达式:
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ,Tn ) + EA'B' (Tn ,T0 )
证明:由上图所示,回路总电势
EABB' A' (T ,Tn ,T0 ) = EAB(T ) + EBB' (Tn ) + EB' A' (T0 ) + EA' A (Tn )
第6章电动势式传感器

在施加外电场时,电畴 转到与外电场一致。
+++++++ -------
+++++++ -------
极化后,两端出现束缚电荷, 吸引一层外来电荷,因而仍呈 中性。在外力的作用下,极化 电畴变化使两极板上电荷变化。
第六章
三.压电传感器的等效电路
1. 压电传感器的等效电路
q
q
F
电动势式传感器
Ca u
压电晶体
uo
电路的时间常数是由等效电阻及等效电容来决定的
R (Ra // Ri )
C Ca Cc Ci (1 A)C f
(Ra // Ri )[Ca Cc Ci (1 A)C f ] Ri AC f
与使用电压放大器相比时间常数要大得多,对输入电 阻的要求相对降低
第六章
五.应用举例
1.压电加速度传感器 2.压电式压力传感器 3.基于压电效应的超声波传感器
d
第六章
6.2 压电晶体传感器
电动势式传感器
压电传感是以某些物质的压电效应为基础的一种有源 传感器。在外力作用下,某些物质变形后其表面会产生电 荷,从而实现非电量电测的目的。
压电传感器尺寸小,重量轻,工作频率宽,可测量变 化很快的动态压力、加速度、振动等。
第六章
电动势式传感器
一.压电效应
某些电介质物质,当沿一定方向受到外力作用而变形 时,在它的两个表面会产生符号相反的电荷;当将外力去 掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。
(1) 放大传感器输出的微弱信号; (2) 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
1. 电压放大器 采用电压放大器要 考虑的两个主要问 题
传感器的主要学习知识重点

绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势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或装置,通常由敏感元件和转换元件构成。
如果传感器信号经信号调理后,输出信号为规定的标准信号(0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…),通常称为变送器,分类:按照工作原理分,可分为:物理型、化学型与生物型三大类。
物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。
按照输入量信息:按照应用范围:传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究,探索新理论,发现新现象,开发传感器的新材料和新工艺;二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。
1.发现新现象;2.发明新材料;3.采用微细加工技术;4.智能传感器;5.多功能传感器;6.仿生传感器。
二、信息技术的三大支柱现在信息科学(技术)的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术,即传感器技术、通信技术和计算机技术。
课后习题1、什么叫传感器,它由哪几部分组成?它们的作用与相互关系?传感器(transducer/sensor):能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置(国标GB7665—2005)。
通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件:指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。
转换元件:指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。
信号调理电路(Transduction circuit) :由于传感器输出电信号一般较微弱,而且存在非线性和各种误差,为了便于信号处理,需配以适当的信号调理电路,将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。
第一章传感器的一般特性1.传感器的基本特性动态特性静态特性2.衡量传感器静态特性的性能指标(1)测量范围、量程(2)线性度%100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。
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剩余极 化强度
剩余伸长
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力, 陶瓷片将产生压缩变形,原来吸附在极板上的 自由电荷,一部分被释放而出现放电现象。
逆压电效应:外加电场→机械形变
指对晶体施加电场引起晶体机械变形的现象,在撤掉 外加电场时,这些物质的机械变形随之消失。
7.2.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础
压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
加力 变形 产生电荷
逆压电效应
施加电场 电介质产生变形
应力
常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
前置放大器的形式: 1、电压放大器:输出电压与输入电压(传感器输出 电压)成正比;要求高输入阻抗,以提高低频段测 量范围。电缆长度应设为常数(灵敏度易受电缆电 容的影响)。 2、电荷放大器:输出电压与传感器的输出电荷成正 比。输出电压与传输电缆长度无关(电缆电容影响 小),适合长距离传输工作。 经前置放大后,可采用一般放大、检波、记录 等电路,或经功率放大至记录器。
θ—线圈面的法线方向与磁场方向夹角 N—工作气隙中线圈绕组的匝数
ω—角频率。ω为常数时,θ=ωt
A—线圈所包围的面积
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
7.1.3 磁阻式磁电传感器
线圈和磁铁部分都是静止的,与被测物连接而运 动的部分是用导磁材料制成的,在运动中,它们改 变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁能量,在线 圈中产生感应电动势。 用来测量转速,线圈中产生感应电动势的频率作为 输出,而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构:开磁路、闭磁路
2. 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻 RL必须有很大的数 值,才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器, 然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
把压电式传感器的微弱信号放大; 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
出的要求、工作环境温度等各种因素。
晶片数目:通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片,可以使传感器的电荷
输出灵敏度增大一倍。
单向压电式测力传感器
用于机床动态切削力的测量。
压电式压力传感器
直流电场E 剩余极化强度P
(a)极化处理前
电场作用下的伸长 (b) 极化处理(取极 化方向为Z轴方向)
剩余伸长 (c)极化处理后
极化处理后,大多数电畴仍大致沿原外电场方向排列,因而陶 瓷内部极化强度不为0,即存在剩余极化强度, 压电陶瓷两端出现 束缚电荷,但整体上仍表现为电中性
(3)压电陶瓷的压电效应: 压电效应: 沿极化方向施加外力 • 外力→压缩变形→电畴偏转→极化强 度减小→释放部分自由电荷。(放电) • 外力撤消→恢复原形→电畴回转→极 化强度增大→吸附部分自由电荷。(充 电)
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路
2. 压电式传感器的信号调节电路
1. 压电元件的等效电路
Ca
s
h
r 0 s
当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内的正、 负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因 此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d 33 F
常见压电陶瓷 :
(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。 (2)锆钛酸铅Pb(Zr· Ti)O3系压电陶瓷(PZT) 压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素,可以 获得不同性能的PZT材料。 (3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN) 具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作,可作为高温下的力传感器。
石英晶体的压电效应
(a)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。 (b)在X轴方向压缩,表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。 (c)沿Y轴方向压缩,在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
石英晶体
一种天然晶体,压电系数d11=2.31×10-12C/N; 莫氏硬度为 7 、熔点为 1750℃、膨胀系数仅为钢的 1/30。 优点: 转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率 高、动态特性好、工作温度高达550℃(压电系数 不随温度变化而改变)、工作湿度高达100%、稳 定性好。
产生电荷
Qx d11 Fx
d11——压电系数(C/N) 作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面
Q x d12 a a Fy d11 Fy b b
切片上电荷的符号与受力方向的关系
图(a)是在X轴方向受压力, 图(b)是在X轴方向受拉力, 图(c)是在Y轴方向受压力, 图(d)是在Y轴方向受拉力。
闭磁路磁阻式转速传感器
闭 磁 5-永久磁铁 路 4-感应线圈 磁 3-外齿轮 组 式 2-内齿轮 转 1-转轴 速 传 感 器 当转轴连接到被测轴上转动时,内外齿轮的相对运动使磁路气隙发 生变化,因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈中的磁通量变化,在线 圈中感应出电动势。 采用在振动强的场合,有下限工作频率(50Hz ) 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度,
h
U
Q Ca
• 静电荷发生器 : 当压电元件受到外力作用时,会在压电元件一定 方向的两个表面(电极面)上产生电量相等、极性相反的电荷。 •电容器:在压电元件的两个电极面上有电荷聚集,并且电极面间的 物质可以等效为电介质。
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.3 压电式加速度传感器
压 缩 式 压 电 加 速 度 传 感 器 结 构
测量原理
当传感器感受振动时,质量块感受与传感器基座相同的
振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样, 质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。 由于压电片压电效应,两个表面上就产生交变电荷,当 振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电 荷(电压)与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正 比。 输出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就 可以用普通的测量仪器测出试件的加速度,如在放大器 中加进适当的积分电路,就可以测出试件的振动速度或 位移。
优点:
不需要供电电源,电路简单, 性能稳定,输出阻抗小
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理
d 法拉第电磁感应定律: E N dt
不同类型的磁电式传感器
磁通量Ф的变化实现办法:
磁铁与线圈之间作相对运动; 恒定磁场中线圈面积的变化; 磁路中磁阻的变化.
直接应用:测定速度
在信号调节电路中接积分电路,或微分电路,磁电式传 感器就可以用来测量位移或加速度。
7.1 磁电式传感器
7.1.1 磁电式传感器的工作原理 7.1.2 动圈式磁电传感器 7.1.3 磁阻式磁电传感器
动圈式磁电传感器结构
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
7.2.4 压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。
变形方式:利用纵向压电效应的TE方式最简便。 材料选择:决定于所测力的量值大小,对测量误差提
(2)线圈做旋转运动的传感器: (类似于发电机)
d e N dt
d ( BA cos ) d e(t ) N NBA sin NBA sin t dt dt
if 90 k 360 ,
0 0
e Em NBA
结构一定时,感应电势与线圈 对磁场的相对角速度成正比。
2、压电陶瓷的压电效应:
(1) 压电陶瓷介绍: • 压电陶瓷是一种具有压电效应的功能陶瓷。 • 人工制造、各向同性、多晶体。 • 原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴,各电 畴的极化方向无规则,不具备压电性。 • 压电陶瓷要经极化处理之后才具有压电性。
(2)极化处理:Z轴方向外加强直流电场1000~3000V/mm
开磁路磁阻式转速传感器
1-永久磁铁 3-感应线圈 2-软铁 4-齿轮 当齿轮旋转时,由齿轮的凹凸引起磁阻的周期性变化 ,磁通也周期 性变化,从而在线圈中感应出交变电势,其 频率f与转速n及齿轮齿数z的关系为: f z n / 60
结构比较简单,但输出信号较小, 当被测轴振动较大时,传感器输出波形失真较大。
7.2 压电式传感器
7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器
压电Байду номын сангаас应:
由法国物理学家居里兄弟皮埃尔、雅克于1880年发现。