傳感器系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

代如成，張憲峰，邱正明，王中平，張?jiān)雒?，孫臘珍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

傳感器系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

代如成，張憲峰，邱正明，王中平，張?jiān)雒?，孫臘珍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器兩方面對(duì)SET-998型綜合傳感器實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行改革. 設(shè)計(jì)了應(yīng)變片電子秤、熱敏溫度計(jì)、氣敏傳感器、熱釋電傳感器和氣壓傳感器實(shí)驗(yàn). 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，學(xué)生通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)除了能掌握傳感器的基本原理、驗(yàn)證物理效應(yīng)外，還能了解傳感器功能的應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)儀器方面，將集成化的儀器設(shè)備轉(zhuǎn)化為開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，便于學(xué)生直接觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和掌握實(shí)驗(yàn)原理. 將傳感器理論教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，更讓學(xué)生直觀深刻地了解傳感器的原理、功能與特性，也加強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng). 通過(guò)對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)的有益改革，使其更有效地為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù).

傳感器；電阻應(yīng)變片；熱敏溫度計(jì)；氣敏傳感器；熱釋電傳感器；氣壓傳感器

傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，目前，廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活領(lǐng)域[1-2]. 傳感器實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科專(zhuān)業(yè)必開(kāi)的物理實(shí)驗(yàn)課，我校使用的傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是SET-998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀，它所提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn). 從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容看，雖然實(shí)驗(yàn)注重對(duì)傳感器的轉(zhuǎn)換原理、工作原理以及傳感器特性等方面的研究，卻未涉及到傳感器在工程技術(shù)方面的應(yīng)用，不滿足設(shè)計(jì)性、綜合性的要求. 從實(shí)驗(yàn)儀器看，常用的傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)雖然數(shù)據(jù)精確，方便操作，但集成式的構(gòu)件不方便學(xué)生觀察，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解. 鑒于上述缺點(diǎn)，針對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器2個(gè)方面進(jìn)行了改革：在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，除了傳感器的工作原理驗(yàn)證外，又增加了傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)；在實(shí)驗(yàn)儀器方面，摒棄傳統(tǒng)的集成式傳感器實(shí)驗(yàn)儀，開(kāi)發(fā)出分立式的傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備，整套儀器是開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，儀器的構(gòu)造及實(shí)驗(yàn)原理清晰，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)和組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理和探索傳感器應(yīng)用. 本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)旨在提高學(xué)生對(duì)傳感器原理及特性的理解，培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才.

1 應(yīng)變片電子秤

應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件，應(yīng)變片牢固地粘貼在測(cè)試體表面，當(dāng)測(cè)件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨之變形，其電阻也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化(如圖1所示)，通過(guò)測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示[3-4].

(a)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

(b)雙彎曲懸梁應(yīng)變測(cè)力結(jié)構(gòu)圖1 應(yīng)變片

(a)單臂電橋

(b)半橋差動(dòng)電路

(c)全橋差動(dòng)電路圖2 3種直流電橋電路示意圖

電橋電路是常用的測(cè)量電路，根據(jù)電橋供電電壓源的不同，可分為直流電橋和交流電橋2種. 本實(shí)驗(yàn)采用直流電橋，優(yōu)點(diǎn)是易于獲得高穩(wěn)定性的直流電源，且易調(diào)節(jié)電橋平衡. 圖2是直流電橋電路的示意圖. 圖2(a)是單臂電橋，R1為電阻應(yīng)變片，其他3個(gè)橋臂接固定電阻R2，R3和R4. 當(dāng)R1未受力，電橋達(dá)到初始平衡時(shí)，有R1R2=R3R4，輸出電壓Uo=0. 為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，若使可變電阻R1的初始值與3個(gè)固定電阻相等，皆為R，當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變產(chǎn)生電阻ΔR的變化時(shí)，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓近似為Uo=14ΔRRU. 上述的計(jì)算進(jìn)行了近似處理，實(shí)際的輸出電壓并非理想化的線性關(guān)系，存在非線性誤差. 為了消除非線性誤差及提高靈敏度，行之有效的方法是采用差動(dòng)電橋，包括半橋差動(dòng)電路和全橋差動(dòng)電路. 圖2(b)為半橋差動(dòng)電路，若R3和R4仍接固定電阻，而R1和R2分別接應(yīng)變片，而且2個(gè)應(yīng)變阻值變化方向相反，即一增一減，其輸出電壓Uo=12ΔRRU. 類(lèi)似地，差動(dòng)全橋[圖2(c)]的輸出電壓為Uo=ΔRRU. 可見(jiàn)單臂、半橋和全橋電路的測(cè)量靈敏度之比為1∶2∶4.

分別標(biāo)定出3種電橋的靈敏度(如圖3所示). 在一定質(zhì)量加載范圍內(nèi)，3種電橋滿足良好線性輸出電壓信號(hào)，而單臂、半橋和全橋橋路的靈敏度S分別為0.001 96 mV/g,0.004 03 mV/g和0.009 56 mV/g(S單∶S半∶S全≈1∶2∶4). 標(biāo)定得應(yīng)變片電子秤可以稱(chēng)量待測(cè)物質(zhì)量.

圖3 3種直流電橋的靈敏度

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生了解電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，了解雙彎曲橫梁上的應(yīng)變片受力情況，理解直流電橋的工作原理和直流電橋的應(yīng)用. 比較單臂電橋、半橋、全橋的不同特性，學(xué)習(xí)電路的標(biāo)定方法和分析非線性誤差，測(cè)量待測(cè)物質(zhì)量.

2 熱敏溫度計(jì)

Cu50是銅熱電阻，在一定溫度范圍內(nèi)，其阻值會(huì)隨著溫度的變化而線性改變(Cu50表示在0 ℃時(shí)阻值為50 Ω，類(lèi)推Pt100). 銅熱電阻的線性較好、價(jià)格低、電阻率低，因而體積較大，熱響應(yīng)較慢，常用于-50～150 ℃范圍的溫度測(cè)量[5]，其分度表見(jiàn)表1.

表1 Cu50熱電阻分度表

溫控儀是調(diào)控一體化智能溫度控制儀表，它采用了全數(shù)字化集成設(shè)計(jì)，具有溫度曲線可編程或定點(diǎn)恒溫控制、PID調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)量輸出、報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)、與計(jì)算機(jī)通訊等功能[6]. 當(dāng)溫度源的溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度源中的熱電阻Cu50的阻值發(fā)生變化，將電阻變化量作為溫度的反饋信號(hào)輸給PID智能溫度調(diào)節(jié)器，經(jīng)調(diào)節(jié)器的電阻-電壓轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值比較，再進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算輸出可控硅觸發(fā)信號(hào)(加熱)和繼電器觸發(fā)信號(hào)(冷卻)，使溫度源的溫度趨近溫度設(shè)定值，溫度控制系統(tǒng)如圖4所示.

圖4 智能溫控系統(tǒng)示意圖

記憶合金是一種原子規(guī)則排列的馬氏體相變合金，這種合金在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來(lái)的形狀. 由于它具有百萬(wàn)次以上的恢復(fù)功能，因此叫做“記憶合金”. 記憶合金具有無(wú)磁性、耐磨耐蝕、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛.

利用自建智能溫控系統(tǒng)研究了記憶合金彈簧的溫度形變效應(yīng)，在22～45 ℃溫度內(nèi)，記憶合金彈簧由伸展?fàn)顟B(tài)收縮至記憶狀態(tài)的溫度-形變曲線如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)，記憶合金的開(kāi)始相變?yōu)?1 ℃，完全相變?yōu)?6 ℃；彈簧的形變顯著，收縮近6 cm.

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生了解溫差電偶的特性、PID智能溫控儀的工作原理. 標(biāo)定測(cè)溫系統(tǒng)，了解P,I,D,T參量對(duì)控溫的作用，利用該測(cè)溫系統(tǒng)研究記憶合金的形變特性和相變溫區(qū).

圖5 記憶合金彈簧的溫度形變曲線

3 氣敏傳感器

半導(dǎo)體氣敏材料吸附氣體能力很強(qiáng)，元件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)氣體接觸到半導(dǎo)體表面而被吸附，被吸附的分子在表面物性自由擴(kuò)散(物理吸附)，失去運(yùn)動(dòng)能量. 一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處(化學(xué)吸附). 如果元件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從元件奪取電子而變成負(fù)離子吸附. 具有負(fù)離子吸附傾向的氣體有O2和NOx，稱(chēng)為氧化型氣體或者電子接收型氣體. 如果元件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向元件釋放電子，而成為正離子吸附. 具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁?lèi)等，稱(chēng)為還原型氣體或者電子供給型氣體.

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，這將使載流子減少，電阻增大. 當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，載流子增多，電阻下降. 這種半導(dǎo)體氣敏傳感器與氣體接觸時(shí)，其阻值發(fā)生變化時(shí)間(稱(chēng)響應(yīng)時(shí)間)少于1 min(圖6). N型材料有SnO2,ZnO,TiO2,W2O3等，P型材料有MoO2,CrO3等. 空氣中的氧成分大體恒定，因而氧的吸附量也是恒定的，氣敏元件的阻值大致保持不變. 如果被測(cè)氣體流入這種氣氛中，元件表面將產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)而變化，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)與阻值的變化關(guān)系即可得知?dú)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]. 實(shí)驗(yàn)中MQ-3酒精傳感器是典型的N型半導(dǎo)體SnO2氣敏元件，其阻值RC與空氣中被測(cè)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)C成對(duì)數(shù)關(guān)系：

lgRC=-mlgC+n,

其中n與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨材料和氣體種類(lèi)不同而變化外，也隨測(cè)量溫度和添加劑的不同而發(fā)生大變化；m為氣體的分離度，隨氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化而變化，對(duì)于可燃性氣體，1/3≤m≤1/2.

圖6 N型半導(dǎo)體元件電阻與吸附氣體的關(guān)系

半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于防災(zāi)報(bào)警、大氣污染監(jiān)測(cè)，醫(yī)療上用于O2及CO2氣體測(cè)量；生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)探測(cè)等方面.

在環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為65%的條件下，用傳感器測(cè)量了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酒精的輸出電壓[如圖7所示]. 由圖7可見(jiàn)，隨著酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，傳感器的輸出電壓在不斷增大；在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，傳感器輸出電壓迅速增大；在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，傳感器輸出電壓緩慢增加. 當(dāng)傳感器接收到酒精，轉(zhuǎn)換電路直接將氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)輸出，再利用該電平信號(hào)觸發(fā)智能開(kāi)關(guān)動(dòng)作，進(jìn)而可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制報(bào)警器或指示燈工作(見(jiàn)圖8).

圖7 氣敏傳感器輸出電壓與酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖8 氣敏感應(yīng)控制報(bào)警系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生了解氣敏傳感器的工作原理和特性，掌握氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氣敏傳感器輸出電壓的關(guān)系，掌握傳感器感應(yīng)控制報(bào)警或燈控系統(tǒng)的工作原理.

4 熱釋電傳感器

當(dāng)熱釋電晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng). 通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái). 當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖9是熱釋電效應(yīng)形成的原理.

圖9 熱釋電效應(yīng)形成原理圖

熱釋電紅外傳感器通過(guò)目標(biāo)與背景的溫差來(lái)探測(cè)目標(biāo)，其工作原理是熱釋電效應(yīng). 在熱釋電晶體的上、下表面設(shè)置電極，并且在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升ΔT，其晶體內(nèi)部的原子排列將產(chǎn)生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓ΔU. 熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出. 在自然界中，任何高于絕對(duì)溫度(-273 ℃)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長(zhǎng)不一樣，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低有關(guān). 人體體溫一般在37 ℃，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)約10 μm的紅外線，當(dāng)人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，因?yàn)槿梭w溫度與環(huán)境溫度有差別，人體輻射約10 μm的紅外線通過(guò)菲涅耳透鏡濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源(熱釋電元件)上，紅外感應(yīng)源在接收到人體紅外輻射時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，轉(zhuǎn)換電路將熱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)輸出. 如果人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則環(huán)境溫度沒(méi)有變化，傳感器不再輸出電平信號(hào)[8-9]. 熱釋電傳感器具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于安防、自動(dòng)開(kāi)關(guān)(人體感應(yīng)燈)、非接觸測(cè)溫等民用行業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域.

基于熱釋電傳感器設(shè)計(jì)了數(shù)顯自動(dòng)計(jì)數(shù)器，圖10是熱釋電計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的客流人次與實(shí)際人次比較. 在客流量不是很大情況下，熱釋電計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的客流人次與實(shí)際人次一致，該計(jì)數(shù)器可以用于監(jiān)測(cè)一些場(chǎng)所的客流情況.

圖10 熱釋電計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的客流人次與實(shí)際人次

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生了解熱釋電傳感器的工作原理和特性，學(xué)習(xí)熱釋電計(jì)數(shù)器和紅外感應(yīng)自動(dòng)控制報(bào)警和燈控系統(tǒng)的工作原理.

5 氣壓傳感器

壓力傳感器是將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼內(nèi)，引出電極引線[如圖11(a)所示]. 它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過(guò)硅膜片感受被測(cè)壓力. 硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔. 單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，2條受拉應(yīng)力的電阻條與另2條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋，可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出[如圖11(b)所示].

(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)全橋轉(zhuǎn)換測(cè)量電路圖11 氣壓傳感器

壓阻器件一般采用恒流源供電，來(lái)減少溫度影響[10]. 假設(shè)2個(gè)支路的電阻相等，電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比：

Uo=IΔR，

但與溫度無(wú)關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響. 當(dāng)傳感器受到壓力作用，轉(zhuǎn)換電路直接將力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)輸出.

圖12是氣壓傳感器在加壓和減壓下的電橋靈敏度圖像. 由圖12可以看到，在一定壓力范圍內(nèi)，電橋滿足良好線性輸出電壓信號(hào)； 在加壓和減壓情況下，電橋靈敏度分別為46.19 V/MPa,46.16 V/MPa.

(a)加壓

(b)降壓圖12 氣壓傳感器的電橋靈敏度

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生了解氣壓傳感器的工作原理和特性，學(xué)習(xí)壓力傳感器的定標(biāo)方法，設(shè)計(jì)數(shù)顯人體血壓計(jì)和脈搏計(jì)測(cè)量系統(tǒng).

6 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了傳感器系列實(shí)驗(yàn)，滿足傳感器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，儀器設(shè)備成本低，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，時(shí)間周期適當(dāng). 經(jīng)過(guò)2014年和2015年實(shí)驗(yàn)課程證實(shí)，計(jì)傳感器系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較好.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Design of instruments for sensor experiment

DAI Ru-cheng, ZHANG Xian-feng, QIU Zheng-ming, WANG Zhong-ping, ZHANG Zeng-ming, SUN La-zhen

(School of Physical Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026， China)

Due to the shortcomings of the SET-998 integrated sensor-test apparatus, new sensor-test experiments were designed, which included electric balance, thermometer, gas sensors, infrared sensor and pressure sensor, etc. In terms of testing content, students could master the basic principles and physical effects of sensors, and could also learn sensor applications. In terms of experimental equipment, an open-platform of sensor-test apparatus could make students observe phenomena and grasp principle easily. Combining basic principle and practical application of sensors, the project could inspire students more intuitively to understand the principle, function and characteristics of sensors, also strengthen the cultivation of student’s creativity. The improvements in sensor experiment could provide more effective services to physics experiment teaching.

sensor; strain gauges; thermometer； gas sensor; infrared sensor； pressure sensor

2016-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目資助(No.11304300)；校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目資助(No. WW5160000161)；省級(jí)重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目資助(No.2015jyxm003)；省級(jí)一般教學(xué)研究項(xiàng)目資助(No.2014jyxm009)

代如成(1983-)，男，安徽六安人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心講師，博士，從事凝聚態(tài)物理、高壓物理方面科研和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

TP212

A

1005-4642(2017)01-0023-06

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文