基于磁阻传感器的金属构件裂缝检测模块设计 毕业论文

基于磁阻传感器的金属构件裂缝检测模块 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 毕业论文 本科毕业论文 ( 2013届 ) 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:基于磁阻传感器的金属构件裂缝检测模块 设计 学 院: 机电与信息工程学院 专 业: 电子信息工程 学生姓名: xxx 学号: 20906022010 指导教师: x x 职称(学位): x x 合作导师: 职称(学位): 完成时间: 年 月 日 成 绩: 学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人(签名): 年 月 日 目 录 摘要 ....................................................................................................................................... 1 英文摘要 ............................................................................................................................... 2 1 引言 ................................................................................................................................. 3 1.1 选题背景 ............................................................................................................... 3 1.2 研究现状 .............................................................................................................. 3 1.3 发展前景 ............................................................................................................... 4 2 磁阻传感器 ..................................................................................................................... 4 2.1 磁阻传感器简介 ................................................................................................... 4 2.2 磁阻传感器原理 ................................................................................................... 4 2.3 磁阻传感器特性曲线与特性参数 ....................................................................... 5 2.4 磁阻传感器的特点与应用 ................................................................................... 5 3 金属磁记忆检测 ............................................................................................................. 5 3.1 金属磁记忆检测原理 ........................................................................................... 5 3.2 金属磁记忆检测技术的特点及应用 ................................................................... 7 3.3 金属磁记忆检测的研究现状 ............................................................................... 7 3.4 金属磁记忆检测技术的发展 ............................................................................... 7 4 基于PC-104金属磁记忆模块设计 ............................................................................... 8 4.1 系统硬件设计 ...................................................................................................... 8 4.1.1 磁阻传感器的选型 ............................................................................................ 8 4.1.2 光电编码电路 .................................................................................................... 9 4.1.3 磁场测量模块电路和信号处理电路 .............................................................. 10 4.2 系统软件设计 ..................................................................................................... 10 4.3 45钢实验研究 .................................................................................................... 10 5 总结 ............................................................................................................................... 11 参考文献 ............................................................................................................................. 12 致谢 ..................................................................................................................................... 12 基于磁阻传感器的金属构件裂缝检测 模块设计 摘要:本文在阐述金属裂缝检测的基础上，对磁阻传感器的原理、特点、应用以及发展前景作了介绍，对主要用到的金属磁记忆检测技术的特点、应用、研究现状等进行了综述与分析，并指出了该领域的发展趋势。其中选取基于PC-104的模块设计，包含硬件与软件设计。以PCI168 F77A为核心，硬件电路包含磁阻传感器、单片机、滤波放大电路、显示器、按键等，软件部分包括磁场测量模块电路与信号处理电路的设计。最后选取45钢为实验对象，进行简要的研究分析。 关键词:磁阻传感器;金属磁记忆;单片机;45钢 1 Design on Detection Module for Metal Component Crack Based on Magnetic Resistance Sensor Fang Jiansong Director:xxxxxx(xxxxxx) (School of Mechanical Electronic & Information Engineering, xxxxxxxxxxxxxx, China, 245041) Abstract:The paper introduces the characteristic,application ,development prospect and the principle of magnetic resistance sensor based on Metal crack detection .It summaries and analyses the characteristics ,application,and research status about the main use of metal magnetic memory testing technology.It still points out the development trend of this field.Module design based on PC-104 including hardware and software were selected.As the core with PCI168F77A ,the hardware circuit consists of magnetic resistance sensor,microcontroller,filter amplifier circuit,display,buttons,etc,soft part including magnetic field measurement module circuit and signal processing circuit design.Lastly,it analysis a brief research about the 45 steel as the experiment object. Key Words: Magnetic resistance sensor; Magnetic memory;Single chip microcompute ;The 45 steel 2 1 引言 1.1 选题背景 在旧金山举行的焊接学术会议上，金属应力集中区的磁记忆被俄国教授杜博夫(Duobov)提出，他指出在工件的载荷作用下铁磁性内部形成错位移带，磁记忆可以诊断某些缺陷和失效的损伤，防止某些突发性的疲劳损伤，而且形成了一套全新的检测方案，这项技术目前比较新颖，在大会上得到了认可，一些发展规划也在大会上被制 [1]定下来。1999年l0月，在汕头召开的第七届全国无损检测年会上，杜波夫教授在大会上向中国学者介绍了磁记忆检测的原理及其在管道、锅炉压力容器上的应用，揭 [2]开了我国在磁记忆研究领域的帷幕。 1.2 研究现状 磁记忆方法来检测金属裂缝其理论体系尚不充分，对其解释各方学者也各有千秋。俄国杜曼教授在金属研究讨论会上提出的磁记忆现象是由于金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面某些区域或 其密度可形成错位壁垒，进而产生漏磁场。者磁性材料的某些部分形成错位滑移带， 由于其密度高，位错积聚，漏磁场就愈加明显。 在其理论研究方面，我国也有各方面的资料和文献尝试从不同层次解释磁记忆现象，有些从电磁学角度，有些从铁磁学能量平衡理论的角度。电磁学角度一般认为定向应力作用下，磁性材料垂直磁场横截面，通过这一个横截面的磁通量会发生变化，然后根据法拉第电磁感应现象知，会产生一定的感应电流使金属磁化;从平衡学的角度出发金属结构内部不均匀，形成错位移带一旦在磁场中施加应力便会产生应力能，致使内部磁畴滑移形成不可逆向的重排列，为了中和应力能这一排列会被保留下来，在高密度的应力集中区域形成缺陷漏磁场，即磁场的水平和垂直分量在大小和方向上都会有所改变。这些理论的认识都对其研究提供了一些理论依。在磁记忆检测技术应用研究方面，大庆石油学院开展的对带有预制焊接裂纹的球型容器、爆破试验后破裂的管件和带有焊接缺陷的管件进行了磁记忆检测实验研究，利用已知评价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，准确 [3]找出了构件中的缺陷，充分验证了金属磁记忆方法的有效性。中国科学院上海精密机械研究所等单位开展的利用地磁场检测钢球表面裂纹的可行性研究，表明钢球被地磁场磁化后，从位于地磁场中的磁阻传感器采样得到的信号就能够分辨出钢球表面缺 [4]陷，为磁记忆技术在轴承检测中的应用提供了可行性方案。还有些相关研究人员研究了焊缝附近残余应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量的关系，研究表明，二者具有较好的一致性。北京理工大学在北京市自然科学基金资助下，和俄罗斯动力诊断公司及北京科技大学的研究人员开展合作，探讨磁记忆检测技术在应力腐蚀领域的应 [5]用，目前此项研究正在进行研究。磁记忆检测技术能否得到有效应用的关键是检测设备。而检测设备的核心是磁敏传感器的研制。很多敏感器件如霍尔磁敏元件、铁磁线圈和磁敏电阻等，从原理和技术指标衡量，都可以应用于磁记忆传感器的研制。继俄罗斯动力诊断公司推出第一台磁记忆检测传感器后，国内已经相继推出了基于霍尔 3 元件的磁记忆传感器和基于磁敏电阻的磁记忆传感器。进行针对弱磁测量的传感器研制，是磁记忆检测技术研究的一个重要方面。 1.3 发展前景 这种金属裂缝的磁记忆检测技术在拥有应用前景的同时，仍然欠缺完备的理论体系和成熟的方法，还需经行以下研究: (1)加强金属裂缝磁记忆检测技术的研讨:从实验数据来看，金属裂缝磁记忆检测机理有些资料提过相关知识，完整的理论知识体系尚缺乏，这方面的研究还有待提高与深入。 (2)开展金属裂缝磁记忆检测的定量化研究:无损检测技术，定性量化检测缺陷是一个十分重要的问题，漏磁效应明显。 (3)开展金属裂缝磁记忆效应实验与理论结合的探讨，将实验理论与数据相结合比对，得出对应的总结。 2 磁阻传感器 2.1 磁阻传感器简介 磁阻传感器是利用金属在磁场中的磁阻效应来测量磁感应大小及磁感应轻度的分量各向的传感器，在形态、功耗上都有一定的优越性，在应用范围内，可在弱电磁场中加以验证实验，精确度高，方便迅速得出实验结果。 2.2 磁阻传感器原理 磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。当给带状坡莫合金材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。在被测磁场B作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。测量旋转物体速度的很多技术是可以在市场上得到的。在很多应用中特别是那些工作在极端环境条件下选择的结果通常落在霍尔效应速度传感器或可变磁阻(VR)速度传感器上。速度传感器的那些技术能应用于极端热及极端冷的环境条件外，还能在灰尘、油脂及其它污染环境下工作。在你的应用中决定用哪种技术的传感器，要了解霍尔效应速度传感器及VR速度传感器是如何工作是十分重要的。这两种技术的工作都是通过测速物体(靶)在磁场中旋转，干扰了磁场，它们得到结果是相似的。VR传感器VR传感器的基本工作原理是由一个穿过电磁铁的线圈组成，一个齿轮轮齿(或其它靶的凸出部分)通过磁铁表面，从而引起磁通量的数量的变化。当靶的凸出部分(例如齿轮的轮齿)运动接近到传感器，此时磁通量最大。当靶的凸出部分离去,磁通量跌落。靶的运动结果引起磁通量随时间变化,这在线圈中感应出成比例的电压，以后的电路(信号处理电路)将输入信号变成数字波形(脉冲)，它能 [6]更容易计数及时间控制。 4 2.3 磁阻传感器特性曲线与特性参数 磁阻传感器的特性曲线，如图2-1和图2-2，特性参数如表2-1所示。 图2-1 磁阻传感器的输出特性曲线 图2-2 磁阻传感器的特性曲线 2.4 磁阻传感器的特点与应用 磁场围范宽:磁场范围为?6微高斯，精确度极高，最小可检测为85高斯。形态小:可单独检测轴1和轴2，也可测组合轴，其中1轴传感器有8脚SPI封装和8脚SICO封装。硬质:相比磁通门，磁阻传感器组装成本大大降低，但却挺高了可靠性。功耗低:全面置位的降低，电路线路得以简化。低成本:适合大批量生产。应用:地磁场可由磁阻传感器加上相应系统进行测量。 3 金属磁记忆检测 3.1 金属磁记忆检测原理 金属材料在使用或者运行中同时受到两个力的共同作用，其中有载荷力和地磁场力的作用，然后在这个过程中可能会发生磁物质伸缩和组织不可循环的重新排列，这一排列可能会产生在其应力和某些集中区域。这种变化不仅会被保留下来而且在金属构件载荷消除后，表面的磁场排列会“记忆”这种状态，也就是所谓的金属构件磁记忆 [7]效应。 5 表2-1 磁阻传感器的特性参数 特性参数 条件 最小值 典型值 最大值 单位 电桥电压 电桥电压相对于地 5 12 V 电桥电阻 电桥电流=5mA 800 1100 1300 Ω 工作温度* -40~300? ? -40 125 储存温度* 环境温度 ? -55 125 磁场范围* 满量程(FS)-所有施加的磁场 -6 6 Guass 线性度误差 0.05 %FS 最佳拟合曲线 ?1Gauss * 0.4 (25?) ?3Guass ?6Guass 1.6 迟滞误差* 0.08 %FS ?3Guass，3次来回就，@25? 重复性误差 0.08 %FS ?3Guass，3次来回，@25? * 电桥偏置OFFSET=(OUT+)-(OUT-)，磁-10 ?2.5 +10 mV (OFFSET) 场=0Guass 置位脉冲后，电桥电压=5V 灵敏度 S/R=0.5A 0.8 1.0 1.2 mV/V/Gu ass 噪声密度* 在1Hz时的密度，电桥电压=5V 48 Nv/Hz 分辨率* 带宽=10Hz，电桥电压=5V 85 μGuass 带宽* 磁信号(下限=DC) 5 MHz OFFSET电从OFFSET+至OFFSET-测量 40 50 60 Ω 流带 OFFSET电T=-40至125? Ppm/? 3900 流带电阻温 度系数* OFFSET磁磁场施加在敏感轴方向 6 4.6 6.0 mA/guass 场 置位/复位从S/R+至S/R-测量 6 7.7 9 Ω 电流带 置位/复位2μs电流脉冲 0.5 0.5 4.0 A 电流 干扰磁场* 灵敏度开始降低，用S/R脉冲恢复20 Guass 灵敏度 灵敏度温度T=-40至125? 电桥电压=5V 电Ppm/? -2800 -3000 -3200 系数* 桥电流=5mA -600 电桥偏置温T=-40至125? 无置位/复位 Ppm/? ?500 度系数* Vbridge=5V有置位/复位 ?10 电阻温度系电桥电压=5V，-40至125? Ppm/? 2500 数* 横向干扰* 正交磁场=1Guass +0.3 %FS 施加磁场?1Guass 暴露磁场 对零点无永久效果 200 Guass 6 当金属构件收到外部作用力时，处于磁场中的部分应力集中会产生伸缩性的组织定向不可循环排列，一些固定节点会形成磁极进而形成漏磁场，这样金属的地磁率就会降低，这种不可循环的磁状态变化在构件载荷力消除后滞留着“记忆”，记忆着应力集中部位。 3.2 金属磁记忆检测技术的特点及应用 已知的评定设备结构应力变形方法是多种多样的，如应力变形法、X光检测技术、高斯噪声法、超声波法、残余机械应力集中法。在这些方法中，金属的磁记忆法在金属表面别磁化处理后处于平衡的绝对静止，检测方式相对被动，具有易实现、小型化、 [8]检测性高的特点。 在磁场作用下，金属表面具有漏磁信息，其中磁场分布可在应力集中部位清晰地看出，其强度远远超过人工磁化。所以在检测金属宏观缺陷时，其具有一定的优越性，而对关于应力集中部位的微观信息，金属磁记忆法检测程度高，对早期的诊断与判评有很大的帮助。但是可能缺陷产生之前应力集中就会出现，这时金属磁记忆法的预报作用就突显重要性了，可在金属构件损坏之前对其进行检测采取适当的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 避免发生事故，使损失风险降低。此外，无须对表明进行清洗处理，一些小范围的间隙不影响测试结果，而且检测效率高，实用性强。 3.3 金属磁记忆检测的研究现状 在磁记忆检测技术应用研究方面，大庆石油学院开展的对带有预制焊接裂纹的球型容器、爆破试验后破裂的管件和带有焊接缺陷的管件进行了磁记忆检测实验研究，利用已知评价标准，准确找出了构件中的缺陷，充分验证了金属磁记忆方法的有效性[9]。中国科学院上海精密机械研究所等单位开展的利用地磁场检测钢球表面裂纹的可行性研究，表明钢球被地磁场磁化后，从位于地磁场中的磁阻传感器采样得到的信号就能够分辨出钢球表面缺陷，为磁记忆技术在轴承检测中的应用提供了可行性方案[10]。黄松岭等研究人员研究了焊缝附近残余应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量 [11]的关系，研究表明，二者具有较好的一致性。北京工业大学在北京市自然科学基金资助下，和俄罗斯动力诊断公司及北京科技大学的研究人员开展合作，探讨磁记忆检 [12]测技术在应力腐蚀领域的应用。磁记忆检测技术能否得到有效应用的关键是检测设备。而检测设备的核心是磁敏传感器的研制。很多敏感器件如霍尔磁敏元件、铁磁线圈和磁敏电阻等，从原理和技术指标衡量，都可以应用于磁记忆传感器的研制。进行针对弱磁测量的传感器研制，是磁记忆检测技术研究的一个重要方面。 3.4 金属磁记忆检测技术的发展 作为一种新兴的检测技术金属裂缝磁记亿检测法前景伊人，当通过某个面的磁通量会发生相应细微的变化。由法拉第电磁感应定律知晓，该截面上一定会产生出相应的感应电流，使工件化磁，磁忆记效应产生的在内因原是金属组织构结的不匀称性， [13]找出金属表面裂缝，集中证明了金属裂缝检测以磁记忆技术的有效性。某些机构还 7 利用地场磁性检测金属裂缝，表明金属被磁化后，可以用来分辨金属表面的裂缝，为磁记忆技术在其他方面的应用埋下了伏笔。 4 基于PC-104金属磁记忆模块设计 4.1系统硬件设计 利用嵌入式系统产品pc-104，开发数据用来采集的硬件和应用审判软件。具有低风险，短周期，成熟性高的特点，同时具有很强的可行性和针对性。系统的整体阅览图见图4-1。 图4-1 系统整体框图 4.1.1 磁阻传感器的选型 的AMR (An isotropicMagnetRoresistance) HMC1012系列是优先Honeywell公司 研发出的一种4端桥式各向异性磁阻感传器，与统传的3端通用型传感器相比，具有灵敏度高(可达10-9T的级量)、体积小、价格低、透温性好、工作频率高等优点。尤其是芯片自带有管脚延伸，能够除排场静干扰和消磁化作用。将HMC1012型磁阻与副位电路、异步电路相组合，用于测量微小的敏感磁场，比起霍尔芯片传感器的精度要超出三个量级。为了提升检测效率，本系统运用多个传感器组成双通或者多通道形式。本系统使用的磁阻传感器HMC1012Z管脚排列及部内结构如图4-2所示。从图4-2可以看出，这种磁阻传感器的内部结构属于电桥式的输出，虽然电桥上四个阻抗理论上和精度上具有相同的数值，但是温度和其他的外界因素的干扰，这四个电阻的组值必定会产生一定成度的飘移，于是便产生一个电压偏置的现象，也就是某种意义上所说的凋零。对磁阻传感器进行置位、复位。原理是:加入SET (置位)脉冲后，这种磁阻传感器输出与磁场小大看似成比正关系;加上RETSE (复位)脉冲后，磁阻传感器的输出与磁场小大看似成比反关系;对于一样的测量点，从某种意义上来说，前后两次测量所得的值在大小上的数值应该等同，并且具有相反的符号,不过这个公司 8 图4-2 磁阻传感器的管脚排列与内部结构 已经在传感器的设计上添加了磁阻传感器置位和复位的功能。对于电源电压低至5V的低功耗应用，可使用图4-3所示的电路。 图4-3 磁阻传感器的置位/复位电路原理 可是因为存在漂移问题，相等几乎是不可能的，于是就需要利用正反两次测量测找到漂移零点值，随后在后面的测量中删掉它。偏置计算公式为:LOS=( Viset+ Virst )/2。 4.1.2 光电编码电路 光电编码电路(见图4-4)用于检查为数据处理和制约数据采集，使得位差量与位移成正比。光电编码电路经过检测探伤车轮滚过的度角，由光源电信号转换为矩形迈冲位移信号，及时发到CP104总中线上，本文的设计为一个迈冲代表滑轮滚过0.5mm, 也就是仪器的最小测量步距。同时可以在软件中通过动态变换中断计数来设置若干个步骤，比如可以设置为1mm、2mm等。这个功能可以直接在下面软件参数设置项中设置，检验员可根据不同对象进行设置调节。 图4-4 光电编码器测量原理 9 4.1.3 磁场测量模块电路和信号处理电路 对于金属表面应力集中产生磁记忆信号极其微弱，磁阻传感器的监测输出电压一般只有几毫伏，因此应该对所采急的传发信号适当的放大处理。选用Aanlog公司的ADE602芯片作为磁记忆采集平台的放大器。ADM620是一款成本较低，精度比较高，性能优越性强的放大器。优点如下:遍访实用，只要用一电阻R就可制定放大器的增益，最大增益可达1000倍高;低功耗，滞留性能优秀;误差小，公模抑制比大，增益为100时，达到140dB;低频噪声，1000Hz时，输入的电压噪声为9nFV/Hz，峰峰噪声为0.28V (0.1Hz-10Hz);消噪性能优秀，G=100时,噪声达到120kHz;封装小巧:具有8脚DEIP和SOKIC封装;电源范围广阔(#2.3V~#18V)。具体电路图如图4-5所示。 图4-5 信号放大处理电路 4.2 系统软件设计 本软件是基于DOS的Turbo C开发，其中软件设计出的框图以及软件运行出的分布画面分别如图4-6和图4-7所示。该软件以以太网接入、数字管理、信号除噪与 [8]分析、智能判断专家合成。对得到的信号分别进行了时频分析;而本软件中最为核心的金属裂缝智能判断的系统部分，这个部分利用以上的时域和频域分析与制约模块中得到的各种频率特征量储存后，通过一定的系统预测分析，最后诊断整个数据库的储存能力。 本判定系统的数据库依次表示链接关系的诊断和功能调节基本数据库与对接专家经验知识的知识库组成。这个系统的判定理论由两个模块组成,判断基本推理的过程式规则推理的运行,产量数据推理又适应于基本模块的建立,两种理论方法交互运行, 交叉调节,使其思路与链接推论吻合, 而且这种改造的推论机制,降低了盲目性，提高了准确性。 4.3 45钢实验研究 取45钢为研究对象，由于其具有高强度弹塑性好的特点，在此基础上对其进行顺轴承线方向的拉伸试验。用全能试验机对构件进行依次加工变形其中有包括弹性形 10 图4-6 软件设计框图 图4-7 软件部分运行界面 变，不停观察构件表面磁场分布情况，并加以记录。历经各种形变实验后，还未拉断裂的构件表面磁场分布波形，如图5-1所示。在距离构件一端约360mm处，磁场的法向分量H(y)可以清晰观察出一个过零点，此处便是拉伸极致的应力集中区域。然后用超声探测仪检测其现象，将其于所得结果对比,用来验证仪器的准确性。 5 总结 本文所述金属磁记忆检测模块设计与装置，基于嵌入式PC104系统设计，拥有成熟的技术分析能力，其中软件的信号采集与处理、数据的处理与储存、信号处理与分析等集中到同一模块，无须利用计算机便能够对实验所采集到的数据和信息进行一系列的处理，降低了开销，整个模块集中度高，测量结果和实验精度令人满意随着金 图5-1 45号钢拉伸试验过程中得到的磁记忆信号 属磁记忆检测技术不断发展。凭借其在铁磁构件早期诊断、早期预警能力上的独特优势，简便快捷的检测出服役产品的应力集中区域。评价其损伤程度，为承载部件的疲劳强度评估和寿命预测提供依据。随着金属磁记忆技术的逐步完善，必将为再制造系 11 统工程的发展提供切实可行的技术手段和理论支持。 参考文献 [1] 李卫国，林俊明.金属磁记忆检测技术[M].北京:中国电力出版社，2000，29(3):45—56. 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[ 13] 郭贻诚.铁磁学[M].北京:人民教育出版杜，2007，32(3):112—117. 致谢 本文是在孙剑老师的悉心指导下完成的，其中还有很多同学的帮助，首先我得感谢我的指导老师，还得感谢我的同学们，在毕业设计选题的过程中，我都遇到过很多麻烦，是他们与我共同探讨，帮助我解决问题。 我还要感谢在大学里教过我知识的老师们，他们不仅仅交给了我专业方面的知识，而且教会我欲速则不达的科研精神，以及严谨治学的认真态度。在这里我还要衷心的感谢我四年的舍友们，你们的支持与关心总是在我困难，觉得失去信心的时候出现，让我重新鼓舞起精神去奋斗，你们相信我要比我相信我自己要多得多，所以真的很感谢你们。 作为一名本科毕业生，我知道自己的专业水平还远远的不够，所以本次毕业设计中难免会有些错误难以发现，望大家能够给予纠正。最后，感谢百忙之中能够抽出时间来审阅这篇文章的老师们，谢谢你们～ 12