热电偶传感器课件.ppt

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1、第1页，此课件共44页哦l热电偶：热电偶：两种不同的金属两种不同的金属A和和B构成闭合回路构成闭合回路当两个接触端当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势，即时，回路中会产生热电势，即热热电效应。电效应。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定上一页下一页返 回冷端/参比端工作端EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)第2页，此课件共44页哦BAABNNekTTeln)(k 玻耳兹曼常数；T 接触面的绝对温度；e 单位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NB金属电极B的自由电子密度接触电势上一页下一页返 回第3页，此课件共44页哦TTAdTTTe0),(0 汤姆逊系数，它表示

2、温度为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。温差电势（汤姆逊电势）上一页下一页返 回第4页，此课件共44页哦TTBABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T,T(e)T,T(e)T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(E000000000上一页下一页返 回第5页，此课件共44页哦l热电极热电极A和和B为同一种材料时，为同一种材料时，NA=NB,A=B，则则EAB(T,T0)=0。l若热电偶两端处于同一温度下，若热电偶两端处于同一温度下，T=T0，则则EAB(T,T0)=0。l热电势存在必须具备两个条件：热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同

3、的金属材料组成热电偶，一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。二、它的两端存在温差。上一页下一页返 回第6页，此课件共44页哦)T(f)T(fdt)()T(edt)()T(e)T,T(ETTBAABTBAABAB00000热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，f(T0)=0则有：)(),(0TfTTEABE与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。上一页下一页返 回对式（6.3.3）进行整理，则有：第7页，

4、此课件共44页哦l在用热电偶测量温度时，想要得到在用热电偶测量温度时，想要得到热电动势数值，必须要在热电偶回热电动势数值，必须要在热电偶回路中引入第路中引入第3 3种导体，接入测量仪表。种导体，接入测量仪表。l在参比端温度为在参比端温度为0 0条件下，常用热电条件下，常用热电偶热电动势与温度一一对应的关系都偶热电动势与温度一一对应的关系都可以从标准数据表中查到，这种表称可以从标准数据表中查到，这种表称为热电偶的分度表。与分度表所对应为热电偶的分度表。与分度表所对应的该热电偶的代号则称为分度号。的该热电偶的代号则称为分度号。第8页，此课件共44页哦1.1.均质导体定律均质导体定律2.2.中间导体

5、定律中间导体定律3.3.连接导体定律连接导体定律4.4.等值替代定律等值替代定律 上一页下一页返 回第9页，此课件共44页哦l由一种均质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及由一种均质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。l热电偶必须采用热电偶必须采用两种不同材料两种不同材料的导体组成，的导体组成，l热电偶的热电势热电偶的热电势仅与两接点的温度有关仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温，而与沿热电极的温度分布无关。度分布无关。l如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中如果热电偶的热电极是非匀

6、质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性材料的均匀性是衡量是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。热电偶质量的重要技术指标之一。上一页下一页返 回第10页，此课件共44页哦在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C C，只要中间导只要中间导体的两端温度相同体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。接入的影响。上一页下一页返 回为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据第11页，此课件共44页哦为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。上一页下一页

7、返 回00(,)(,)(,)ABABcABcEt tEt tEt t第12页，此课件共44页哦l如果使热电偶如果使热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电动在某一温度范围内所产生的热电动势等于热电偶势等于热电偶CDCD在同一温度范围内所产生的热电动在同一温度范围内所产生的热电动势，即势，即l则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。00(,)(,)ABCDEt tEt t第13页，此课件共44页哦l标准化热电偶：标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国

8、际和国家标准文件一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。换，精度有一定的保证。l国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）共推荐了）共推荐了8种标种标准化热电偶准化热电偶 上一页下一页返 回第14页，此课件共44页哦对热电偶电极材料的要求：对热电偶电极材料的要求：（1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质变化；物理化学性能稳定，不易氧化或腐蚀。（2）电导率高，电阻温度系数较小。（3）由它们组成的热电偶，热电动势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数。（4）材料的机械强度要高，复制性好，

9、复制工艺简单，价格便宜。第15页，此课件共44页哦热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（）对分度表允许偏差（）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460130016006001.5负亮白柔软6000.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470130016006001.5负柔软11000.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330160018006009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t负稍亲磁-200402.5或1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-20012001

10、300-4011001.5或0.4%t负稍亲磁-4013002.5或0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200760850-409002.5或0.75%t负亮黄-200402.5或1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200350400-403501或0.75%t负银白色-200401或1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40600750-407502.5或0.75%t负不亲磁上一页下一页返 回第16页，此课件共44页哦l贵金属热电偶。电极线径规定为贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm0.5mm，正极（正极（SPSP）的名义化学成分为铂铑合金）的名义化学成分为铂铑合金负极（负极（SN

11、SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为长期最高使用温度为13001300，短期最高使用温度为，短期最高使用温度为16001600。l优点：优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。中。l缺点：缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。上

12、一页下一页返 回第17页，此课件共44页哦l为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm0.5mm，正极（正极（BPBP）和负极（）和负极（BNBN）的名义化学成分均为铂铑合金，只）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为长期最高使用温度为16001600，短期最高使用温度为，短期最高使用温度为18001800。l优点优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于用于氧化性和惰性

13、气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在补偿，因为在0 05050范围内热电势小于范围内热电势小于3 3V V。l缺点：缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。力差，贵金属材料昂贵。上一页下一页返 回第18页，此课件共44页哦l使用量最大的廉金属热电偶，用量为其它热电偶的总和使用量最大的廉金属热电偶，用量为其它热电偶的总和正极（正极（KPKP）的名义化学成分为：）的名义化学成分为：Ni:Cr

14、=90:10Ni:Cr=90:10，负极（负极（KNKN）的名义化学化学成分为）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3Ni:Si=97:3。其使用温度为其使用温度为-200-20013001300。l优点：优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。lK K型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。的气氛中，也不能用于真空中。上一页下一页返 回

15、第19页，此课件共44页哦l称为镍铬称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极（其正极（EP）为镍铬）为镍铬10合金，化学成分与合金，化学成分与KP相同，负极相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、的铜、45%的镍的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。以及少量的钴、锰、铁等元素。l该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。成热电偶堆来测量微小温度变化。lE型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧型热电偶

16、可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。性气氛中。上一页下一页返 回第20页，此课件共44页哦上一页下一页返 回第21页，此课件共44页哦l热电特性曲线，可以得出以下结论：热电特性曲线，可以得出以下结论：（1 1）时，时，所有型号的热电偶的热电动势均为零所有型号的热电偶的热电动势均为零；当；当时时 ，热电动势为负值。，热电动势为负值。（2 2）不同型号的热电偶在相同温度下，热电动势一般有较大的）不同型号的热电偶在相同温度下，热电动势一般有较大的差别；在所有标准化热电偶中，差别；在

17、所有标准化热电偶中，B B型热电偶的灵敏度最低，型热电偶的灵敏度最低，E E型型热电偶灵敏度最高。热电偶灵敏度最高。（3 3）如果把温度和热电动势间关系绘成曲线，可以看到温度与）如果把温度和热电动势间关系绘成曲线，可以看到温度与热电势之间的关系一般为非线性；正是由于热电偶的这种非线热电势之间的关系一般为非线性；正是由于热电偶的这种非线性特性，当冷端温度性特性，当冷端温度 时，则不能用测得的热电动势时，则不能用测得的热电动势 直接查分度表得直接查分度表得 ，然后再加，然后再加 ，而应该先求而应该先求E(t,0)再查分再查分度表求得度表求得t0otC0otC00otC0(,)Et t t0t00(

18、,0)(,)(,0)E tE t tE t第22页，此课件共44页哦l例例6.3.1 6.3.1 用（用（S S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T T0 0=30=30，测得的热电势，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mVE(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际，求测量端实际温度温度T T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有E（30，0）=0.173 mV mVTTEn5.7），（mVETETE673.7173.05.7)0,30(300），（），（反查分度表有T=830，即测量端实际温度。上一

19、页下一页返 回第23页，此课件共44页哦热电偶种类优点缺点B适于测量1000以上的高温常温下热电动势极小，可不用补偿导线抗氧化、耐化学腐蚀在中低温领域热电动势小，不能用于600以下灵敏度低热电动势的线性不好R、S精度高、稳定性好，不易劣化抗氧化、耐化学腐蚀可作标准灵敏度低不适用于还原性气氛(尤其是H2、金属蒸气)热电动势的线性不好价格高N热电动势线性好1200以下抗氧化性能良好短程表序结构变化影响小不适用于还原性气氛同贵金属势电偶相比时效变化大K热电动势线性好1000下抗氧化性能良好在廉金属热电偶中稳定性更好不适用于还原性气氛同贵金属热电偶相比时效变化大因短程有序结构变化而产生误差E在现有的热

20、电偶中，灵敏度最高同J型相比，耐热性能良好两极非磁性不适用于还原性气氛热导率低具有微滞后现象J可用于还原性气氛热电动势较K型高20%左右铁正极易生锈热电特性漂移大T热电动势线性好低温特性好产品质量稳定性好可用于还原性气氛使用温度低铜正极易氧化热传导误差大上一页下一页返 回第24页，此课件共44页哦l为保证热电偶的正常工作，热电偶的两为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。的外保护套管也是必不可少的。1.1.普通型装配式结构普通型装配式结构

21、2.2.柔性安装型铠装结构柔性安装型铠装结构上一页下一页返 回第25页，此课件共44页哦（a）1接线柱；2接线座；3绝缘套管；4热电极（b）1测量端；2热电极；3绝缘套管；4保护管；5接线盒上一页下一页返 回第26页，此课件共44页哦测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击上一页下一页返 回第27页，此课件共44页哦图6.3.6 铠装热电偶1-接线盒 2-金属套管 3-固定装置 4-绝缘材料 5-热电极 第28页，此课件共44页哦 （3 3）多点式热电偶）多点式热电偶 多点式热电偶是用多支不同长度的热电偶感温元件，多点式热电偶是用多支

22、不同长度的热电偶感温元件，用多孔的绝缘管组装而成，适合于化工生产中反应器用多孔的绝缘管组装而成，适合于化工生产中反应器不同高度的多点温度测量，如测量合成塔不同位置的不同高度的多点温度测量，如测量合成塔不同位置的温度。温度。第29页，此课件共44页哦 （4 4）隔爆外壳型热电偶）隔爆外壳型热电偶 隔爆外壳型热电偶基本参数与普通热电偶一样，区隔爆外壳型热电偶基本参数与普通热电偶一样，区别在于采用了防爆结构的接线盒。当生产现场存在易别在于采用了防爆结构的接线盒。当生产现场存在易燃易爆气体时，必须使用隔爆外壳型热电偶。燃易爆气体时，必须使用隔爆外壳型热电偶。第30页，此课件共44页哦（5）表面型热电偶

23、）表面型热电偶 表面型热电偶是利用真空镀膜法将两电极材料表面型热电偶是利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上的薄膜热电偶，专门用于测量各蒸镀在绝缘基底上的薄膜热电偶，专门用于测量各种形状的固体表面温度，反应速度极快，热惯性极种形状的固体表面温度，反应速度极快，热惯性极小。它作为一种便携式测温计，在纺织、印染、橡小。它作为一种便携式测温计，在纺织、印染、橡胶、塑料等领域广泛应用。胶、塑料等领域广泛应用。第31页，此课件共44页哦 使用专用的廉价导线，使用专用的廉价导线，将热电偶的将热电偶的参比端延伸出来参比端延伸出来，以解决参比端温度的，以解决参比端温度的恒定问题，这种导线就称为恒定问题，这

24、种导线就称为补偿导线补偿导线。第32页，此课件共44页哦 补偿导线通常用比两根热电极材料补偿导线通常用比两根热电极材料便宜得多的两种金属材料做成，它便宜得多的两种金属材料做成，它在范围内的热电性质与要补偿的热在范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样，所电偶的热电性质几乎完全一样，所以使用补偿导线犹如将热电偶热电以使用补偿导线犹如将热电偶热电极延长，把热电偶的参比端延伸到极延长，把热电偶的参比端延伸到离热源较远、温度较恒定又较低的离热源较远、温度较恒定又较低的地方。补偿导线的连接如图地方。补偿导线的连接如图6.3.76.3.7所所示。示。图6.3.7 补偿导线的连接图 第33页，

25、此课件共44页哦在使用补偿导线时必须注意以下问题：在使用补偿导线时必须注意以下问题：（1 1）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般）补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为）与热电偶的热电动势相等或相近。为）与热电偶的热电动势相等或相近。（2 2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线。）不同型号的热电偶有不同的补偿导线。（3 3）热电偶和补偿导线的两个接点处要保持相同温度。）热电偶和补偿导线的两个接点处要保持相同温度。（4 4）补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、）补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相联。负极相联。（5 5）补偿导线的作用只是延伸热电偶的冷端，当冷）补偿导线的作用只是延

26、伸热电偶的冷端，当冷端温度时，还需进行其他的补偿与修正端温度时，还需进行其他的补偿与修正。第34页，此课件共44页哦热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿:当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端

27、处理为考虑将冷端处理为。上一页下一页返 回第35页，此课件共44页哦1.补偿导线法补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法计算修正法4.冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法上一页下一页返 回第36页，此课件共44页哦l组成组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。l热电偶补偿导线功能热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。其二是降低了电路成本。l补偿导线又分为补偿导线又分为延长型延长型和和补偿型补偿型两种两种 延长形：延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的补偿导线合金丝的

28、名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母热电偶相同，用字母“”附在热电偶分度号后表示，附在热电偶分度号后表示，补偿型：补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在附在热电偶分度号后表示，热电偶分度号后表示，上一页下一页返 回第37页，此课件共44页哦补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜

29、镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白上一页下一页返 回第38页，此课件共44页哦适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。上一页下一页返 回第39页，此课件共44页哦l在实际应用中，热电偶的参比端往往不是在实际应用中，热电偶的参比端往往不是 ，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间

30、温差所产生的因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。热电势后才能符合热电偶分度表的要求。)0,(),()0,(11TETTETE可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。上一页下一页返 回C0第40页，此课件共44页哦 用镍铬用镍铬-镍硅镍硅(K(K型型)热电偶测温，热电偶参比端温度为热电偶测温，热电偶参比端温度为3030。测得的热电势为。测得的热电势为28mV28mV，求热端温度。，求热端温度。mVE203.1)0,30(mVTE28)30

31、,(mVmVmVTE203.29203.128)0,(反查K分度表 T=701.5计算修正曲线 上一页下一页返 回第41页，此课件共44页哦l利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值度变化而引起的热电势的变化值 上一页下一页返 回第42页，此课件共44页哦l桥臂铜电阻桥臂铜电阻 必须和热电偶的冷端处于必须和热电偶的冷端处于同一温度下。电桥在同一温度下。电桥在 设计的设计的 的阻的阻值与其余三个桥臂电阻相等，这时电桥处值与其余三个桥臂电阻相等，这时电桥处于平衡状态，图中于平衡状态，图中b和和a之间的电压之间的电压 （冷端补偿器输出电压）。当冷端（冷端补偿器输出电压）。当冷端 时，热电偶电势将减少，时，热电偶电势将减少，增大，使电增大，使电桥不平衡，出现桥不平衡，出现 。这时。这时Uba与热电与热电 势同势同 向串联，电势相加增大，起向串联，电势相加增大，起到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置于于 ，完成了热电偶冷端处理和补偿功，完成了热电偶冷端处理和补偿功能。能。CuRC0CuR0baUCt00CuR0baU），（0TTEC0第43页，此课件共44页哦感谢大家观看第44页，此课件共44页哦