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1、热电偶温度传感器热电偶温度传感器第1页，本讲稿共64页目录目录测温原理相关性质冷端补偿第2页，本讲稿共64页第3页，本讲稿共64页一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第4页，本讲稿共64页一、热电偶的特点一、热电偶的特点温度测量范围宽性能稳定、准确可靠信号可以远传和纪录第5页，本讲稿共64页二、热电偶的分类二、热电偶的分类1按材料分类廉价金属铁康
2、铜、铜康铜、镍铬考铜、贵重金属铂铑10铂、铂铑10铂铑6难熔金属钨铼系、钨钼系、非金属二碳化钨二碳化钼、石墨碳化物2按用途和结构分类普通工业类直形、角形、锥形专用类第6页，本讲稿共64页1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeckeffect）”。Thomas Johann Seebeck 9 April 1770 10 December 1831三、三、工作原理工作原理第7页，本讲稿共64页回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势温差电势
3、和接触电势温差电势和接触电势温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB冷端冷端热端热端三、三、工作原理工作原理第8页，本讲稿共64页1.接触电势接触电势 Peltier电势电势接触电势原理图第9页，本讲稿共64页eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；E 单位电荷，e=1.610-19C；k 波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的自由电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。1
4、.接触电势接触电势 Peltier电势电势第10页，本讲稿共64页2.温差电势温差电势Thomson电势电势温差电势原理图第11页，本讲稿共64页eA A A A(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。温差电动势的大小取决于导体的温差电动势的大小取决于导体的材料材料材料材料及及两端的温度两端的温度两端的温度两端的温度。eAeAeAeA2.温差电势温差电势Thomson电势电势第12页，本讲稿共64页由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T T
5、0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势回路总电势第13页，本讲稿共64页NAT导体A在结点温度为T时的电子密度；NAT0导体A在结点温度为T0时的电子密度；NBT导体 B 在结点温度为 T 时的电子密度；NBT0导体B在结点温度为T0时的电子密度；A导体A的汤姆逊系数；B 导体B的汤姆逊系数。如果 T T0，回路总电势：3.回路总电势回路总电势第14页，本讲稿共64页由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的由于在金属中自由电子数目很多，温
6、度对自由电子密度的由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。起主要作用的是接触电动势。起主要作用的是接触电动势。起主要作用的是接触电动势。N NATAT和和和和N NATAT0 0可记做可记做可记做可记做N NA A，N NBTBT和和和和N NBTBT0 0可记做可记做可记做可记做N NB B ，则，则，则，则 有有有有3.回路总电势回路总电势第15页，本讲稿共
7、64页对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为第16页，本讲稿共64页热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0也即EAB(T，T0)=0四点结论：四点结论：第17页，本讲稿共64页 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有
8、当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。四点结论：四点结论：第18页，本讲稿共64页逆向赛贝克效应逆向赛贝克效应电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的的材料中处于不同的能级能级，当它从，当它从高能级向低能级运动高能级向低能级运动时，便时，便释放出多余的能量释放出多余的能量；相反，从；相反，从低能级向高能级运低能级向高能级运动动时，从时，从外界吸收能量外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以。能量在两材料的交界面处以热热的形式吸收或放出的形式吸收或放出 第19页，本讲稿共64页由一种均质导体组成的闭
9、合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。1.1.均质导体定律均质导体定律四、热电偶回路的性质（基本定律）四、热电偶回路的性质（基本定律）第20页，本讲稿共64页中间导体定则：中间导体定则：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变势不变T0T0BTACT1CT0T1TAB2.中间导体定律中间导体定律作业：证明作业：证明第21页，本讲稿共64页ABT1T2AT0
10、热电偶补偿导线接线图E只要只要T1、T0不变，接入不变，接入AB后不管接点温度后不管接点温度T2如何变化，都不如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料同样热电特性的材料A、B(如图如图)即引入所谓补偿导线时，即引入所谓补偿导线时，当当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为，则回路总电动势为T2BT0热电偶检定中补偿导线和铜导线的使用问题热电偶检定中补偿导线和铜导线的使用问题第22页，本讲稿
11、共64页如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBA T2 T1 T3 AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）3.中间温度定律中间温度定律 第23页，本讲稿共64页对于冷端温度不是零度时，热电偶如何使用分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：第24页，本讲稿共64页例例例例1.1.用镍铬用镍铬用镍铬用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电镍硅热电偶测某一水池
12、内水的温度，测出的热电镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为动势为动势为动势为2.436mV2.436mV。再用温度计测出环境温度为。再用温度计测出环境温度为。再用温度计测出环境温度为。再用温度计测出环境温度为3030(且恒定且恒定且恒定且恒定)，求池水的真实温度。求池水的真实温度。求池水的真实温度。求池水的真实温度。温度0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5
13、396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.
14、02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.27432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.8
15、6346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807第25页，本讲稿共64页如果两导体分别与第三种导体组成的热电偶所如果两导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也可知热电偶所产生的热电动势也可知T T0 0T TE EAB AB(T
16、T,T T0 0)A AB BT T0 0T TE EACAC(T T,T T0 0)A AC CT T0 0T TE EBC BC(T T,T T0 0)B BC C4.标准电极定则标准电极定则作业：证明作业：证明第26页，本讲稿共64页热电偶的基本定则热电偶的基本定则例例2.2.热端为热端为100100、冷端为、冷端为00时，镍铬合金与纯铂时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为组成的热电偶的热电动势为2.95mV2.95mV，而考铜与纯铂，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为组成的热电偶的热电动势为-4.0mV-4.0mV，求镍铬和考铜，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势？组
17、合而成的热电偶所产生的热电动势？第27页，本讲稿共64页热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。2.4.2 热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构第28页，本讲稿共64页 1 1铂铑铂铑铂铑铂铑1010铂热电偶（铂热电偶（铂热电偶（铂热电偶（S S型）型）型）型）分度号分度号分度号分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：材料性
18、能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含CO、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。一、热电偶常用材料一、热电偶常用材料第29页，本讲稿共64页工业用热电偶丝工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。正正极极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负负极极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度测量温度：长期1000，短期1300。特点：价格比较便宜，在工业
19、上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。2镍铬镍铬镍硅镍硅(镍铝镍铝)热电偶（热电偶（K型）型）分度号分度号EU2第30页，本讲稿共64页工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：1.22mm，实验室用可更细些。正极：正极：镍铬合金负极：负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。3镍铬镍铬考铜热电偶（考铜热电偶（E型）型）分度号为分度
20、号为EA2第31页，本讲稿共64页正极正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。4铂铑铂铑30铂铑铂铑6热电偶（热电偶（B型）分度号为型）分度号为LL2第32页，本讲稿共64页（1 1）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体
21、介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。几种持殊用途的热电偶几种持殊用途的热电偶第33页，本讲稿共64页（3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4）钯）钯铂铱铂铱15热电偶热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。第34页，本讲稿共64页（6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复
22、现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。（5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TK TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。第35页，本讲稿共64页常用的热电偶材料常用的热电偶材料热电偶分度号热电极材料正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍第36页，本讲稿共64页1 1工业用热电偶工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等
23、部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝12342.4.3 常用热电偶的结构类型常用热电偶的结构类型第37页，本讲稿共64页各种热电偶第38页，本讲稿共64页热电偶结构第39页，本讲稿共64页铠装热电偶第40页，本讲稿共64页断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套
24、管式热电偶）第41页，本讲稿共64页铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管；2绝缘材料；3热电极(a)碰底型；(b)不碰底型；(c)露头型；(d)帽型第42页，本讲稿共64页用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm)因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种，尺寸为6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶第43页，本讲稿共64页薄膜热电偶第44页，本讲稿共6
25、4页一种测量钢水温度的热电偶。4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶它是用直径为0.050.lmm的铂铑铂铑铂铑铂铑1010一铂铑一铂铑一铂铑一铂铑3030热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达57。第45页，本讲稿共64页第46页，本讲稿共64页原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。2.4.4 冷端处理及补偿冷端处理及补偿方法冰点槽法计算修正法补正系
26、数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法第47页，本讲稿共64页把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。1.冰点槽法冰点槽法第48页，本讲稿共64页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)例例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T
27、，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。注意注意注意注意:既不能只按既不能只按既不能只按既不能只按1.999mV1.999mV1.999mV1.999mV查表，认为查表，认为查表，认为查表，认为T T T T=49=49=49=49，也不能把，也不能把，也不能把，也不能把 49494949加加加加上上上上 21212121，认为，认为，认为，认为 T T T T=70=70=70=70。2.计算修正法计算修正法第49页，本讲稿共64页0.801.202.442.85第50页，本讲稿共64页
28、T T k T H式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。3.补正系数法补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即第51页，本讲稿共64页热电偶补正系数热电偶补正系数温度T/补正系数k铂铑10-铂（S）镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.07110
29、00.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5216000.52第52页，本讲稿共64页例例例例用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。第53页，本讲稿共64页应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电
30、动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。4.零点迁移法零点迁移法第54页，本讲稿共64页例例例例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上，在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH，则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。第55页，本讲稿共64页利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝
31、绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。5.冷端补偿器法冷端补偿器法第56页，本讲稿共64页冷端补偿器的作用 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua Uab EAB(T,T0)第57页，本讲稿共64页注注意意：桥桥臂臂RCu必必须须和和热热电电偶偶的的冷冷端端靠靠近近，使使处处于于同同一温度之下。一温度之下。供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。第58页，
32、本讲稿共64页对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。6.软件处理法软件处理法第59页，本讲稿共64页1.1.热电偶的选择、安
33、装使用热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热热电电偶偶和和保保护护套套管管。其其安安装装地地点点要要有有代代表表性性，安装方法要正确，下图是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。2.4.5 热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验第60页，本讲稿共64页热电偶安装图第61页，本讲稿共64页校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。2.热电偶的定期校验热电偶的定期校验第62页，本讲稿共64页工业热电偶允许偏差工业热电偶允许偏差热电偶分度号校验温度/热电偶允许偏差/温度偏差温度偏差LB3600，8001000，120006002.4600占所测热电势的0.4%EU2400，600800，10004004400占所测热电势的0.75%EA2300，40060003004300占所测热电势的1%第63页，本讲稿共64页本次课程结束，谢谢欣赏本次课程结束，谢谢欣赏第64页，本讲稿共64页