自考总复习自动检测技术27984内容.docx

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自考总复习自动检测技术27984内容

昆山

《自动检测与转换技术》

题型：

选择20个，填充15个，判断5个，简答30分，计算5题30分

第一章检测技术的基本概念——1个计算题、1个简答题以及基本概念

测量:

借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的认识过程。

测量结果包含数值和单位。

测量的方法

1按手段分：

直接测量、间接测量；

2按是否随时间变化分：

静态测量（缓慢变化）、动态测量（快速变化）；

3按显示方式分模拟式测量、数字式测量

偏位式测量——如：

弹簧秤

测量的具体手段零位式测量——如：

天平、用平衡式电桥来测量电阻值

微差式测量——如：

核辐射钢板测厚仪

偏位式测量：

测量过程中，被测量直接作用于仪表内部比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接以仪表的偏移量来表示被测量的测量方式。

零位式测量：

测量过程中，被测量与仪表内部的标准量相比较，当测量系统达到平衡时，以标准量的值决定被测量的值。

微差式测量：

预先使被测量与仪表内部的标准量达到平衡，当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡，用偏位式仪表指出其变化部分的值。

偏位式测量易产生灵敏度漂移和零点漂移。

示值的变化由二个因素组成：

零漂和灵敏度漂移。

测量误差（计算题一定有）

（1）绝对误差△＝Ax－A0Ax为测量值A0为真值绝对误差是有单位的量

（2）相对误差a、实际相对误差γA＝△/A0×100%

b、示值相对误差γx＝△/Ax×100%

c、满度相对误差γm＝△/Am×100%Am为量程Am＝Amax－Amin

用于判断仪表准确度等级

精确度s＝│△m/Am│×100绝对误差取最大值

*我国模拟仪表有7种等级：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级，其他等级是没有的

P9例1-1例1-2看懂

*选用仪表时应兼顾精度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上，选仪表量程为实际值的1.5倍。

粗大误差、系统误差（装置误差）和随机误差如发现示值忽大忽小，无预见性属于随机误差。

静态误差和动态误差

静态误差：

在被测量不随时间变化时所产生的误差。

动态误差：

当被测量随时间迅速变化，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精度吻合，这种误差称为动态误差。

（如：

水银温度计测水温，由于滞后产生的误差）

知识点5、误差的统计

算术平均值的方均根误差

式1-11方均根误差

二者之间关系：

测量结果

测量结果的数据整理步骤：

1．一系列读数列表

2．计算测量列Xj的算术平均值

3．在每个测量读数旁，相应的列出残差Vj

4．检查残差求和是否为0，若不满足，计算有误，需要重新计算

5．在每个残差旁列出它的平方值，然后求出均方根误差

6．检查是否有大于3倍均方根误差的残差，若有，舍弃，从2开始重新计算

7．确定不存在粗大误差后，计算算术平均值的均方根误差

8．写出测量结果，并注明置信概率99.7％。

测量系统静态误差的合成：

1．绝对值合成法公式

2．方均根合成法公式

应该努力提高误差最大的某个环节的测量精度。

传感器：

一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。

组成非电量→敏感元件非电量→传感元件电参量→测量转换电路电量→

作用敏感元件：

在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过敏感元件转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量

传感元件：

非电量通过传感元件被转换成电参量

测量转换电路：

将传感元件输出的电参量转换成更易于处理的电压、电流或频率参量

（2）灵敏度及分辨力

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示。

分辨力是指传感器能测出被测信号的最小变化量。

两者的关系：

灵敏度越高，其分辨力越好。

分辨力值越小。

传感器的基本特性：

传感器的特性一般指输入、输出特性，它有静态、动态之分。

当被测信息处于稳定状态时，若输入量是维持不变或缓慢变化时，则输入量与输出量是一一对应的静态特性关系，通常用灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、稳定性、电磁兼容性、可靠性等指标来表示。

传感器的动态特性是传感器的输入量随时间变化时输入和输出的关系，一般用微分方程来表示。

灵敏度：

线性传感器灵敏度为一常数。

分辨力：

模拟仪表分辨力是最小刻度值一半。

数字仪表最后一位数值是它的分辨力，无特殊说明，也可认为分辨力等于最大误差。

线性度：

（非线性误差）

迟滞：

传感器正向特性和反向特性不一致程度。

正向特性与反向特性不重合，且反向特性的终点与正向特性起点也不重合。

可靠性：

初期失效期故障率是最高的，老化试验可以降低故障率。

第三章电阻式传感器——有一题计算题

电位器：

改变其滑动臂的位置，也就改变了电路的分压比。

有直滑式和旋转式二种。

可用于测量直线位移和角位移。

属于接触式测量。

为了减少流过电位器的电流，减少温漂，通常采用R大于1千欧。

为了获得高的电阻值，电阻丝排列成栅网状。

应变效应：

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。

电阻变化=电阻轴向应变–2×径向应变+电阻率变化

轴向应变

径向应变

注意计量单位

若F为拉力，应变为正，若F为压力，应变为负。

金属单丝灵敏度

对于不同的金属材料，K0是不同的，一般为2左右。

应变片的种类：

金属应变片（金属丝式、箔式、薄膜式）和半导体应变片。

半导体应变片优点：

灵敏度高，横向效应小。

缺点：

灵敏度一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。

使用时需要采用温度补偿和非线性补偿措施。

常用方法有补偿块补偿法和桥路自补偿法。

温度补偿原因：

在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，温度变化也会导致应变片电阻变化，它将给测量带来误差，因此有必要对桥路进行温度补偿。

*“应变电桥”有3种较为典型的工作方式

a、单臂半桥工作方式b、双臂半桥工作方式c、全桥工作方式全桥工作方式灵敏度最高

热电阻传感器广泛用于测量-200~+960℃范围内的温度。

分为金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻）二类。

热电阻是利用一般金属电阻随温度升高而增加的这一特性来测量温度的。

正温度系数：

电阻值与温度变化趋势相同。

金属热电阻无负温度系数。

（1）作为测温用的热电阻材料，应具有哪些条件？

（特点）

希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

铜电阻范围－50℃～﹢150℃目前已逐渐被铂热电阻所取代（-200~+960℃）

（2）国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时阻值R0值有25Ω、100Ω，分度号Pt25、Pt100等，热电阻阻值Rt与温度t的关系

Rt＝R0（1﹢At﹢Bt2﹢Ct3﹢Dt4）A、B、C、D为温度系数

Rt与t之间是非线性关系。

*每隔1℃测出铂热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内Rt和t之间对应电阻值列表，此表为热电阻分度表。

（3）为了减小和消除引线电阻的影响，热电阻通常采用三线制连接法（普通导线即可，而热电偶需用补偿导线）

为了减小环境电、磁场的干扰，最好用三芯屏蔽线。

屏蔽线的金属网接地。

调试热电阻测量转换电路时，先调零（RP1）再调满度（RP2），最后调中间。

采用恒流源作为桥路电源能减小非线性误差。

非线性补偿办法：

1.在桥路电源回路中串联热敏电阻。

2.用计算机进行非线性修正。

3.采用专用的、与对应分度号借口的集成IC，可以很方便的将阻值变化，线性化的转换成输出电压或者输出电流。

热敏电阻

（1）热敏电阻是半导体测温元件

（2）负温度系数热敏电阻NTC，即温度↑→电阻↓指数型

突变型（临界温度型CTR）电子电路中抑制浪涌电流

正温度系数热敏电阻PTC，即温度↑→电阻↑在电子电路中多起限流、保护作用。

热敏电阻标定：

先调零，再调满度，最后验证各点误差是否在允许范围内。

（3）热敏电阻的应用

a、热敏电阻测温

b、热敏电阻用于温度补偿NTC指数型

c、热敏电阻用于温度控制NTC突变型

d、热敏电阻用于空气绝对湿度的测量

e、热敏电阻用于液面的测量NTC指数型

湿敏电阻

还原性气体传感器：

MQN型气敏电阻多数属于可燃性气体。

气敏电阻加热到200~300摄氏度，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程，并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁左右）

二氧化钛氧浓度传感器TiO2属于N型半导体，其电阻值大小取决于周围氧气浓度，氧气浓电阻值增大。

（1）绝对湿度：

每1立方米大气所含水气的克数。

相对湿度：

大气的绝对湿度与当时气温下大气的饱和水汽密度之比称为相对湿度。

陶瓷湿敏电阻应采用交流供电，若长期采用直流供电，会使湿敏材料极化，吸附的水分子电离，导致灵敏度降低，性能变坏。

（2）露点使大气中原来所含有的未饱和水气变成饱和水气所必须降低达到的温度值。

第四章电感式传感器

电感式传感器：

利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。

优点：

分辨力及测量精度高。

缺点：

响应较慢，不宜于快速动态测量，而且其分辨力与测量范围有关。

范围大、分辨力低。

分为自感式传感器和互感量式传感器（差动变压器式）。

自感式传感器：

变隙式电感传感器；变截面式电感传感器；螺线管式电感传感器；差动电感传感器

变隙式电感传感器：

在线圈匝数确定了以后，若保持气隙截面积A为常数，则电感L是气隙厚度的函数，成反比。

原始气隙大小影响灵敏度，原始气隙越小灵敏度越高。

输入输出是非线性的关系，为了保持一定的线性度，只能用于微小位移的测量。

变截面式电感传感器：

直线位移和角位移，电感L与气隙截面积A成正比，输入输出呈线性关系，线性区较小，灵敏度低。

螺线管式电感传感器：

测量稍大一些的位移。

衔铁在中间部分工作时才有希望获得较好的线性关系。

差动电感传感器：

既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。

差动变压器式传感器的主要性能有灵敏度和线性范围。

采用差动结构的好处：

1.灵敏度是非差动式电感传感器灵敏度的2倍，线性也较好，输出曲线较陡，灵敏度较高。

2.对外界影响、温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消。

衔铁的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

电感式传感器测量转换电路一般采用电桥电路。

有变压器电桥电路和相敏检波电路。

零点残余电压：

衔铁处于零点附近时存在的微小误差电压。

（只能减小不能消除）

零点残余电压产生原因：

1．差动电感二个线圈的电气参数、几何尺寸、磁路参数不完全对称。

2．存在寄生参数。

如线圈间的寄生电容等。

3．电源电压含有高次谐波。

4．励磁电流太大使磁路的磁化曲线存在非线性。

减小零点残余电压的方法通常有哪些？

（1）提高框架和线圈的对称性；

（2）尽量采用正弦波作为激励源；

（3）正确选择磁路材料，同时适当减小线圈的励磁电流，使衔铁工作在磁化曲线的线性区；

（4）在线圈上并联阻容移相网络，补偿相位误差；

（5）采用相敏检波电路。

相敏检波电路：

不但可以反映位移的大小，还可以反映位移的方向，并减小零点残余电压的影响。

差动变压器一般线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。

差动式变压器的灵敏度用单位位移输出的电压或电流表示，行程越小，灵敏度越高。

主要影响因素有：

激励源的电压和频率，差动变压器一二次线圈的匝数比，衔铁的直径与长度，材料质量，环境温度，负载电阻等。

差动变压器为了获得高灵敏度，在不使一次线圈过热的情况下，适当提高励磁电压，但以不超过10V为宜，电源频率以1~10KHz为佳。

新国标规定：

电压输出为直流1～5V，电流输出为直流4～20mA（用4mA而不用0mA是因0mA无法判断出是故障状态还是工作状态）一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流，由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输，所以一次仪表多采用电流输出型（4～20mA）

标准化的传感器或仪表又称为变送器。

不让信号占0~4mA的原因：

一方面方便判断线路故障或者仪表故障，另一方面这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA,因此还能利用这一电流为一次仪表提供工作电流，使一次仪表称为2线制仪表。

二线制仪表：

仪表与外界联系只需要2根导线，一般一根为正24v电源线，另一个一方面作为电源负极引线一方面又作为信号传输线。

在信号传输线末端通过一个标准负载电阻（取样电阻）接地，将电流信号转变为电压信号。

I=A0+A1*t变送器的线性输入输出方程（计算题）

第五章电涡流式传感器计算题

什么是电涡流效应？

什么是集肤效应？

根据法拉弟电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中，导体表面就会有感应电流产生，这种电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。

而电涡流在金属纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应。

*集肤效应与激励源频率f、工件的电导率σ、磁导率μ等有关。

*频率越高，电涡流渗透深度越浅，集肤效应越严重。

*100KHz时的电阻值是直流时的1.5倍1MHz时的电阻值是直流时的4倍

*激励源频率一般选择100KHz到1MHZ.

电涡流式传感器的测量转换电路有：

调频法、调幅法和电桥法。

调幅法缺点：

电压放大器放大倍数的漂移会影响测量精度，必须采用各种温度补偿措施。

调频法：

电涡流线圈与被测导体的距离变小时，电涡流线圈的电感量也变小。

引起LC振荡器频率升高。

调频法受外界影响小。

电涡流探头的结构：

电涡流探头起核心是一个扁平的“蜂巢”线圈，线圈用多股绞扭漆包线（能减小集肤效应，提高Q值）绕制而成，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。

探头直径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。

被测物为圆盘状平面时，物体直径应该大于线圈直径2倍以上，被测物为轴状圆柱体的圆弧表面时，其直径必须在线圈直径4倍以上。

被测物厚度应该在0.2mm以上。

变压器和交流电动机的铁芯用硅钢片叠制而成就是为了减少电涡流，避免发热。

通常把涡流密度减小到离开表面1/e的深度叫标准渗透深度。

E=2.172大约是电涡流密度减少导36.8%处深度。

标准渗透深度＝

电涡流传感器的应用：

1.位移的测量2.振动的测量3.转速测量4.镀层厚度测量5.电涡流式通道安全检查门6.电涡流表面探伤

电涡流测速

z为齿数f为频率计读数n单位为r/min（转/分）计算题

f与T互为倒数，周期与频率

常用的接近开关分类

（1）自感式、差动变压器式它们只对导磁物体起作用。

激励源频率：

1～10KHz

（2）电涡流式（俗称电感接近开关）它只对导电良好的金属起作用。

（3）电容式它对接地的金属或地电位的导电物体起作用，对非地电位的导电物体灵敏度稍差。

（4）磁性干簧开关（也叫干簧管）它只对磁性较强的物体起作用。

（5）霍尔式它只对磁性物体起作用。

接近开关又称无触点行程开关。

接近开关的特点：

1.非接触检测，不影响被测物工况。

2.不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长。

3.响应快。

4.采用全密闭结构，防潮防尘性能好，工作可靠。

5.无触点、无火花、无噪音，适合防爆的场合。

6.输出信号大，易与计算机和PLC接口。

7.体积小，安装调试方便。

接近开关缺点：

触点容量小，输出短路时易烧毁。

接近开关主要工作特性：

额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度、动作频率。

第六章电容式传感器——重点，有计算题

电容式传感器的优点：

（1）可获取较大的相对变化量；

（2）能在恶劣的环境条件下工作；

（3）本身发热影响小，所需激励源功率小；

（4）动态响应快，所以用于动态测量

A为有效面积d为两极板间距ε为两极板间介质的介电常数

（1）变面积式：

真空的介电常数：

8.85×10－12

增加极板长度，减小极距，可以提高灵敏度。

但极距太小时，容易引起短路且允许活动的范围（行程）也变的很短。

变面积式电容传感器输出特性是线性的，灵敏度是常数。

（2）变极距式：

变极距式电容传感器电容量与位移不是线性关系，其灵敏度不是常数。

为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式，灵敏度提高一倍，线性也得到改善。

（3）变介电常数式常用来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位。

当介质厚度保持不变，而相对介电常数改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气时，电容量将发生较大变化，因此该电容器可以作为相对介电常数的测试仪器，如相对湿度传感器，反之，如果介电常数不变，则可以作为检测介质厚度的传感器。

湿敏电容：

一种是多孔性氧化铝，一种是高分子吸湿膜。

电容传感器的应用：

1.电容测厚仪2.电容加速度传感器3.湿敏电容4.电容式油量表5.电容式接近开关

电容式接近开关特性：

电容式接近开关的检测距离与被测物体的材料性质有很大关系。

1.当被测物是接地导电物体或者虽然未接地，但与大地之间有较大的分布电容时，LC振荡电路很容易停振，所以灵敏度最高。

2.当被测物是介质损耗较大的绝缘体时，必须依靠极化原理来使LC振荡电路的Q值降低，所以灵敏度差。

3.当被测物是介质损耗较小的陶瓷、塑料、玻璃等物体时，灵敏度极低。

对于金属物体而言，不必使用易受干扰的电容式接近开关，应该选择电感式接近开关（工作原理是电涡流效应），因此只有在测量绝缘物体时才使用电容式接近开关。

第七章压电式传感器

什么是压电效应？

什么是逆压电效应？

某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。

反之,在电介质极化方向上施加交变电场或电压,它会产生机械变形,当外加电场去掉后,电介质变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。

无论沿X轴方向施加力还是沿Y轴方向施加力，电荷只会产生在X面上。

Z轴受力不会产生压电效应。

在X轴和Y轴施加同样性质的力，（拉力或者压力）都会在X面上产生电荷，且极性相反。

X轴电轴Y轴机械轴Z轴光轴

压电元件材料一般有三类一是压电晶体（单晶体）石英晶体

二是经过极化处理的压电陶瓷多晶体

三是高分子压电材料

（1）石英晶体石英晶体的居里点是575℃（即温度达到575℃时，石英晶体失去了压电性质）

（2）压电陶瓷材料为了使压电陶瓷具有压电效应，必须对压电陶瓷在100-1700C温度下做极化处理。

BaTiO3120℃现在基本不用

PZT500℃工业中应用最多

PMN260℃，P＝70Mpa，

（3）高分子压电材料PVF2或PVDF→压电常数高

PVF

PVC

●高分子压电材料的工作温度一般低于100℃温度升高↑→灵敏度降低↓

●在一些不要求测量精度的场合，如水深测量、防盗、振动测量等领域获得应用。

使用电荷放大器时，如果振动或者动态力较弱，压电元件上产生的电荷量Q就小，这时就必须将电荷放大器面板上的反馈电容Cf选择旋钮往容量小的方向调节。

以期获得较大的输出电压U0.

电荷放大器输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关。

石英晶体主要用于精密测量，多用于实验室基准传感器，

压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用于测力和振动传感器，

而高分子压电材料多用于定性测量。

压电片的串联（得大电压）和并联接法（得大电流）。

压电元件的等效电路：

一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路。

为什么压电式传感器只适用与动态测量：

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。

压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。

压电式传感器的前置放大器类型：

电压前置放大器和电荷放大器二种型式。

振动：

物体围绕平衡位置作往复运动。

按振动对象分：

机械振动、土木结构振动、运输工具振动、冲击振动

按振动频率范围分：

高频振动、低频振动、超低频振动

按振动信号的统计特征分：

周期振动、非周期振动、随机振动

周期振动又可分为简谐振动和复杂周期振动

测振用的传感器又叫拾振器接触式：

磁电式、电感式、压电式

非接触式：

电涡流式、电容式、霍尔式、光电式

第八章超声波传感器

声波是一种机械波

（1）声波——20Hz～20KHz次声波——低于20Hz超声波——高于20KHz

（2）超声波的传播波型a、纵波b、横波（固体）c、表面波（固体）

超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。

声速：

声音的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。

介质的声阻抗Z＝介质的密度*声速C

波长：

超声波的波长×频率f＝声速C

指向性：

sin指向角＝1.22×超声波波长/超声源的直径D

超声波从声阻抗大的材料透射到声阻抗小的材料时，声压的大部分被反射。

介质中声强衰减与超声波的频率及介质的密度、晶粒粗细有关，晶粒越粗或者密度越小、频率越高，衰减越快。

气体的密度很小，因此衰减很快，尤其在高频率时衰减更快，因此在空气中传导的超声波频率选的较低，约数千赫兹，而在固体、液体中传播则选用较高的频率，达MHz级。

超声波换能器有时候也称超声波探头，工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式数种。

在检测技术中主要采用压电式

超声波传感器的应用类型有哪些？

具体的应用有哪些形式？

超声波传感器按出射方向分透射型发射器和接收器位于被测面二侧；反射型发射器和接收器位于被测面同侧

从超声波的波形看，又可分为连续超声波和脉冲超声波；

常见的应用有：

超声波流量计，超声波测厚，超声波测密度，超声波测液位和物位，超声波防盗报警。

为提高分辨力，减少干扰，超声波传感器多采用脉冲超声波。

多普勒效应：

当超声波源与传播介质间存在相对运动时，接收器收到的频率与超声波发射的频率将有所不同，产生的频偏与相对速度的大小和方向有关。

超声波防盗报警器：

发射器发散出频率40kHz左右的连续超声波，如果有人进入信号的有效区域，相对速度为V，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移△f,这个信号经放大后转换为直流电压，去控制报警器。

超声波的探伤

A型横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度

探伤B型B超横坐标为探头的扫描距离，探伤深度为纵坐标，以屏幕的辉度表示反射波强度

C型医用CT

A型超声探伤采用了超声脉冲反射法，根据波形不同，可分为a、纵波探伤b、横波探伤c、表面探伤

对缺陷的检测手段有无损探伤和破坏性试验。

超声波探头测量中为什么要用耦合剂？

无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在被测介质表面来回移动，防止磨损。

更重要的是，由于超声波探头在与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面必然存在一层空气薄层，空气的密度很小，将引起三个介质表面强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也会对超声波造成很大的衰减，所以用耦合剂充满接触层，起传递超声波的作用。

第九章霍尔传感器

霍尔