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1、,第二章 壓力傳感器及其儀表的安裝與調(diào)試,第一節(jié) 認(rèn)識(shí)壓力傳感器(4課時(shí)),主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,單元內(nèi)容 一、知識(shí)講解 1、電阻應(yīng)變式壓力傳感器 2、電容式壓力傳感器 3、電感式壓力傳感器 4、壓電式壓力傳感器 5、擴(kuò)散硅壓力傳感器 二、歸納總結(jié) 三、作業(yè),主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,圖示為電子稱,是機(jī)械稱(桿稱)加裝傳感器,將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,實(shí)現(xiàn)了物體重量的測(cè)量、計(jì)算和顯示,實(shí)現(xiàn)了智能化。 問題:電子稱是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合的?(平行梁式稱重傳感器),電子稱實(shí)物圖,電子稱工作原理圖,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量,

2、主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,知識(shí)講解,在生產(chǎn)過程中,壓力檢測(cè)與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛,例如鍋爐蒸汽和水的壓力監(jiān)控;煉油廠減壓蒸餾需要的低于大氣的真空壓力檢測(cè);在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究中,為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能,必須測(cè)量過渡態(tài)的壓力變化;電力系統(tǒng)中油路壓力的測(cè)量和控制等。對(duì)壓力監(jiān)控是保證工藝要求、生產(chǎn)設(shè)備和人身安全,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須的。,檢測(cè)壓力的傳感器主要有電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、壓阻式傳感器。,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,1、認(rèn)識(shí)幾種應(yīng)變式壓力傳感器,電阻應(yīng)變式壓力傳感器常應(yīng)用于稱重和測(cè)力領(lǐng)域,是借助彈性敏感元件將力的變化轉(zhuǎn)化為形變,然

3、后利用電阻導(dǎo)體的應(yīng)變將力轉(zhuǎn)變成電阻值的變化,通過測(cè)量電路得到被測(cè)量力的電信號(hào),最后將電信號(hào)的變化值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的測(cè)力值。 電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路組成。下圖所示為幾種常見的電阻應(yīng)變式傳感器。,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,1、認(rèn)識(shí)幾種應(yīng)變式壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,1、認(rèn)識(shí)幾種應(yīng)變式壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,2、電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí),其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 由電工學(xué)可知,金屬

4、絲電阻R可用下式表示:,式中 電阻率,m; l電阻絲長(zhǎng)度,m; A電阻絲截面積,m2。,(21),取一根細(xì)電阻絲,兩端接上一臺(tái)3 1/2位數(shù)字式歐姆表(分辨率為1/2000),記下其初始阻值( )。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長(zhǎng)時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加為( )。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式傳感器,2、 理解應(yīng)變效應(yīng),當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向施加均勻力時(shí),上式中、r、l 都將發(fā)生變化,導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。即得到以下結(jié)論:金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí),長(zhǎng)度增加,而截面積減少,電阻值會(huì)增大;當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí),長(zhǎng)度減小,而截面增加,電阻值會(huì)減小。阻值

5、變化通常較小。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,2、電阻應(yīng)變效應(yīng),主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,2、電阻應(yīng)變效應(yīng),實(shí)驗(yàn)證明,電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變R=R/R與電阻應(yīng)變片的縱向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的,即,式中 R/ R 電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變; K 電阻絲的靈敏系數(shù),表示電阻絲產(chǎn)生單位形變時(shí)電阻值相對(duì)變化的大小,是與金屬材料有關(guān)的常數(shù)。K值越大,單位形變引起的電阻值相對(duì)變化越大,靈敏度也就越高;不同的金屬材料有不同的靈敏系數(shù),通常取值K= 1.73.6 。 x為電阻絲的軸向應(yīng)變量,x=dl/l。,(22),圖2-1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)

6、如圖2-1所示,由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,3、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,4、電阻應(yīng)變片的分類,按電阻應(yīng)變片敏感柵材料不同,可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。如圖2-2為 幾種不同類型的電阻應(yīng)變片。,圖3-2 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式. (a)絲式應(yīng)變片;(b)箔式應(yīng)變片;(c)半導(dǎo)體應(yīng)變片 1基底;2應(yīng)變絲或半導(dǎo)體;3引出線;4焊接電極;5外引線,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,4、電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路,(1)直流電橋平衡條件,當(dāng)RL時(shí),電橋輸出電壓為,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)

7、壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,4、電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路,(2)單臂電橋,R1為電阻應(yīng)變片,R2、R3、R4為電橋固定電阻,這就構(gòu)成了單臂電橋。,(3-5),單臂電橋,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,4、電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路,(2)單臂電橋,n=1時(shí),為最大值,(3-6),(3-7),主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,4、電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路,圖3-4 差動(dòng)電橋 (a)半橋; (b) 全橋,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,(a)半橋輸出電壓為,(3-8),(3-9),(b)全橋差動(dòng)電路,(3-10),主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、

8、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,5、筒式壓力傳感器,當(dāng)被測(cè)壓力與應(yīng)變管的內(nèi)腔相通時(shí),應(yīng)變管部分產(chǎn)生應(yīng)變, 在薄壁筒上貼2片應(yīng)變計(jì)做工作片,實(shí)心部分貼2片應(yīng)變計(jì)做溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。沒有壓力作用時(shí),這4片應(yīng)變片構(gòu)成的全橋處于平衡;當(dāng)外部壓力作用于應(yīng)變管內(nèi)腔時(shí),圓管發(fā)生形變,使全橋失去平衡。這種壓力傳感器測(cè)量范圍在106Pa107Pa或更高的壓力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作方便,使用面寬,在測(cè)量火炮、炮彈、火箭的動(dòng)態(tài)壓力方面得到了廣泛應(yīng)用。,圖3-3 筒式壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器,6、膜片壓力傳感器,圖2-3 膜片壓力傳感器,膜片壓力傳感器的工作原理是,當(dāng)氣體或液體壓力作用在彈性元件

9、膜片的承壓面上時(shí),膜片變形,使粘貼在膜片另一面的電阻應(yīng)變片隨之形變,并改變阻值。這時(shí)測(cè)量電路中的電橋失去平衡,產(chǎn)生輸出電壓。,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,圖3-4 電容式壓力傳感器,(a)不銹鋼電容式壓力傳感器,(b)血壓計(jì)用電容式壓力傳感器,(c)投入式電容式壓力傳感器,(d)智能型管道測(cè)量用電容式壓力傳感器,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,電容式壓力傳感器是利用電容作為敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極,當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化,通過測(cè)量電路即可

10、輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。 電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器,如圖2-8所示,是由一個(gè)固定極板和一個(gè)彈性膜片(即動(dòng)極板)組成。,(一)、電容式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu),認(rèn)識(shí)壓力傳感器,圖2-8 單電容式壓力傳感器(屬于變極距電容式傳感器),(b) 變極距型電容式傳感器,(a)變極距型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,二、電容式壓力傳感器,(一)、電容式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu),1、單電容式壓力傳感器,當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù),初始極距為d0時(shí),可知其初始電容量C0為,若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d,電容量增大了C,則有,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,(一)、電容式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu),1、

11、單電容式壓力傳感器,電容量與極板間距離的關(guān)系,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,(一)、電容式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu),1、單電容式壓力傳感器,因d的極距變化很小,使d/d01時(shí),則有近似的線性關(guān)系為:,電容式傳感器的靈敏度為: 可見,要提高靈敏度,應(yīng)減小d0。但d0過小,容易引起電容器擊穿或短路。為此,常用提高介電常數(shù)的方法,即在兩級(jí)板間加云母、塑料膜等介質(zhì)。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,(一)、電容式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu),1、單電容式壓力傳感器,在實(shí)際應(yīng)用中,為提高靈敏度和線性度,克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界條件影響,又研制出了差動(dòng)式電容式壓力傳感器,如下圖所示,上下兩極板是固定

12、極板,中間極板是活動(dòng)極板,未開始測(cè)量時(shí)將活動(dòng)極板調(diào)整在中間位置,兩邊電容相等。測(cè)量時(shí),中間極板向上或下平移,就會(huì)引起電容量的上增下減或反之。,(b)差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu),認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,2、差動(dòng)電容式壓力傳感器,(a)差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,當(dāng)動(dòng)極板向上位移時(shí): 電容器C1的間隙1變?yōu)? ; 電容器C2的間隙2變?yōu)?+ ; 則:,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,二、電容式壓力傳感器,2、差動(dòng)電容式壓力傳感器,電容值總的變化量為:,電容值相對(duì)變化量為:,在 / 0 1時(shí),按級(jí)數(shù)展開:,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,2、差動(dòng)電容式壓力傳感器,聲壓傳感器(即電容傳聲器),駐極體電容傳聲器,大膜片

13、電容傳聲器,傳聲器(Microphone)即話筒,音譯作麥克風(fēng),目前使用的話筒大多是動(dòng)圈式和電容式。 電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。,單元一 認(rèn)識(shí)壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感式壓力傳感器,利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量如位移、壓力、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感L或互感量系數(shù)M的變化,再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器 。,自感式壓力傳感器也稱變磁阻式壓力傳感器,它是在壓力作用下使銜鐵或鐵芯位移,引起線圈的電感發(fā)生變化而工作的。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為變間隙式和螺管式兩種。,(一)自感式壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電

14、感位移傳感器,1、變氣隙式電感式壓力傳感器,由物理學(xué)可知,初始狀態(tài)時(shí)線圈的電感為,若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d,電容量增大了L,則有,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感式壓力傳感器,1、變氣隙式壓力傳感器,式中,N為線圈匝數(shù),u0 為空氣的磁導(dǎo)率u0=4x10-7H/m,A為鐵芯的截面積,d為氣隙厚度。,因d的極距變化很小,使d/d01時(shí),則有近似的線性關(guān)系為:,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感式壓力傳感器,1、變氣隙式壓力傳感器,變氣隙電感式傳感器的靈敏度為:,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感壓力傳感器,當(dāng)鐵芯發(fā)生位移時(shí),將引起線圈電感的變化。線圈的電感量與鐵芯插入線圈的長(zhǎng)度有如下的關(guān)系。鐵芯隨被

15、測(cè)物體一起移動(dòng),導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化。其檢測(cè)位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。缺點(diǎn)是靈敏度低。,2、螺管式電感式壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感式壓力傳感器,2、差動(dòng)變壓器式壓力傳感器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,三、電感位移傳感器,2、差動(dòng)變壓器式壓力傳感器,特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、線性度好和測(cè)量范圍寬。缺點(diǎn)是存在零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)??刹捎孟嗝魴z波電路等措施進(jìn)行補(bǔ)償。,初級(jí)線圈L1加交流勵(lì)磁電壓Uin,次級(jí)線圈上由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 由于兩個(gè)次級(jí)線圈反極性串接,所以兩個(gè)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反,當(dāng)鐵芯處于中心對(duì)稱位置時(shí),則UOUT1=UOUT2,所以

16、UOUT=0。 當(dāng)鐵芯向兩端位移時(shí),UOUT1大于或小于UOUT2,使UOUT不等于零,其值與鐵芯的位移成正比。,(1)差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量,只能反映銜鐵位移的大小,不能反映移動(dòng)的方向) (2)測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓,為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的,實(shí)際測(cè)量時(shí),常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 (1) 差動(dòng)整流電路 把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流,然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。,螺線管式差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換電路,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,螺線管式差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換電路,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,差動(dòng)整流電路,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,四、壓電式壓力傳感器,石英

17、晶體振蕩器(晶振),高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜,壓電式腳踏報(bào)警器,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,四、壓電式壓力傳感器,壓電式傳感器主要應(yīng)用類型,壓電式傳感器主要應(yīng)用類型表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類型。目前它們已經(jīng)在工業(yè)、民用和軍事方面得到廣泛應(yīng)用,但其中用得最多的還是力敏類型:,主要內(nèi)容,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,四、壓電式壓力傳感器工作原理,壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),在外力作用下,在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件,它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量,例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等,但不能用于靜態(tài)參數(shù)的

18、測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件,因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。,(一)壓電效應(yīng),天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱,用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí),晶格產(chǎn)生變形,表面產(chǎn)生正電荷,電荷Q與所施加的力F成正比 ,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓,它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí),電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,四、壓電式壓力傳感器,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,當(dāng)力的方向改變時(shí),電荷的極性隨之改變,輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)

19、力的頻率相同;當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí),電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,單元一 認(rèn)識(shí)壓力傳感器,(二)、壓電材料 自然界中的大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)十分明顯的并不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應(yīng)性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電材料基本上可分為三大類:壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料。 (1)壓電晶體是一種單晶體,例如,石英晶體、酒石酸鉀鈉等;(2)壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體,例如:鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈮酸鍶等;(3)有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料,其中較為重要的有半導(dǎo)體和高分子壓電材料。壓電半導(dǎo)體有氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘

20、(CdTe)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,四、壓電式壓力傳感器,(1) 壓電式力傳感器 壓電式傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件,輸出電荷與作用力成正比的力 電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式,它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成。如示的是YDS-78型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu),它主要用于頻率變化不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。,被測(cè)力通過傳力上蓋使壓電元件受壓力作用而產(chǎn)生電荷。由于傳力上蓋的彈性形變部分的厚度很薄,只有0.10.5mm,因此靈敏度很高。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,YDS-78型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,1-傳力上蓋板 2-壓電片 3-電極 4-電極引出插頭 5-絕緣材料 6-基座,(3) 壓電式金屬加工切削力測(cè)量傳感器 圖示是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振動(dòng)頻率高,特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方,當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí),切削力通過刀具傳給壓電傳感器,壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,記錄下電信號(hào)的變化可測(cè)得切削力的變化。,認(rèn)識(shí)壓力傳感器,壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量,壓電式聲傳感器,1、壓阻式壓力傳感器的工作原理:半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng),固體受到作用力后,電阻

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