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1、江蘇大學(xué)傳感器課程設(shè)計(jì) 傳感器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 線性霍爾元件位移傳感器學(xué) 號(hào): 學(xué)院名稱: 專業(yè)班級(jí): 學(xué)生姓名: 教師姓名: 教師職稱: 2015 年 1 月線性霍爾元件位移傳感器設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目線性霍爾元件位移傳感器二、設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是工科各專業(yè)的主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一,是圍繞一門主要基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課,運(yùn)用所學(xué)課程的知識(shí),結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)而進(jìn)行的一次綜合分析設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練。傳感器技術(shù)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)技能課,能夠運(yùn)用基本測(cè)控電路知識(shí)解決日常生活中的問題是本專業(yè)學(xué)生的基本素質(zhì)。本次課程設(shè)計(jì)旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)過的理論知識(shí),初步掌握解決實(shí)際應(yīng)用問題時(shí)所應(yīng)具有的查閱資料、綜合運(yùn)用

2、所學(xué)知識(shí)的能力,為課程設(shè)計(jì)及今后從事專業(yè)學(xué)習(xí)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.掌握傳感器工作原理2.掌握信號(hào)處理電路的作用與原理3.畫出各電路處理后的信號(hào)波形4.對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量(正負(fù)位移均三次以上)5.算出傳感器的遲滯誤差、線性度6.寫出說(shuō)明書。 四、設(shè)計(jì)方法和基本原理1.問題描述設(shè)計(jì)一個(gè)既能測(cè)量位移的大小,也能判別方向的線性霍爾元件位移傳感器。2.解決方案搜集資料,確定電路原理圖(包括激勵(lì)信號(hào)電路、消除不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路、放大電路、移相電路、相敏檢波電路和低通濾波電路等信號(hào)處理電路)搭建實(shí)物測(cè)量系統(tǒng),調(diào)試各部分電路。測(cè)試得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出相應(yīng)的波形,計(jì)算出傳感器的量程、線性度和

3、靈敏度、遲滯誤差。寫出說(shuō)明書,答辯。目錄第一章 引言2第二章 霍爾傳感器工作原理22.1霍爾效應(yīng)22.2霍爾元件的主要特性42.3霍爾傳感器的應(yīng)用4第三章 測(cè)量系統(tǒng)組成73.1霍爾元件的誤差及補(bǔ)償73.1.1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償73.1.2霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償73.2 直流激勵(lì)的霍爾傳感器電路83.3交流激勵(lì)的霍爾傳感器電路83.3.1傳感器補(bǔ)償放大電路83.3.2移相電路93.3.2相敏檢波電路103.3.4低通濾波電路10第四章 電路測(cè)試與結(jié)果114.1進(jìn)行各部分電路線路元件的連接組裝114.2移相電路的測(cè)試124.3相敏檢波電路的測(cè)試134.4低通濾波電路測(cè)試15第五章 傳感器測(cè)

4、試與數(shù)據(jù)處理165.1傳感器的回程差165.2傳感器的靈敏度175.3傳感器的線性度18第五章 心得體會(huì)19致謝20參考文獻(xiàn)21附錄226.1直流激勵(lì)數(shù)據(jù)226.2交流激勵(lì)數(shù)據(jù)23江蘇大學(xué)傳感器課程設(shè)計(jì)第一章 引言位移是與物體的位置在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(dòng)有關(guān)的量,目前測(cè)量位移的方法相當(dāng)多,小位移通常使用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾等位移傳感器器來(lái)測(cè)量,大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等位移傳感器來(lái)測(cè)量。位移式傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。線性霍爾元件位移傳感器,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量線性范圍大、測(cè)量電路可靠、具有較高的分辨力和靈敏度以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在許多

5、行業(yè)的位移測(cè)量系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用?;魻杺鞲衅魇腔诨粜?yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?;魻栐寻l(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品簇,并且得到廣泛的應(yīng)用。霍爾器件是一種磁傳感器,用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可以在各種與磁有關(guān)的場(chǎng)合中使用?;魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作原理。被測(cè)物體分別與恒定電流I和恒定磁場(chǎng)B垂直。當(dāng)被測(cè)物體相對(duì)于原來(lái)位置有微小位移變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量,會(huì)在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生電勢(shì)差,即UH(霍爾電壓)。本課程設(shè)計(jì)將做出一個(gè)既能測(cè)量物體位移大小又能辨別位移方向的線性霍爾元件位移傳感器,并且可以得到低的線性度和較高的靈敏度。 第二章 霍爾傳感器工作原理霍

6、爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?;魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ),是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。2.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) Hall effect運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而引起偏轉(zhuǎn)就是霍爾效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。圖2-1 霍爾效應(yīng)示意圖霍爾元件是由型半導(dǎo)體材料制成的。其長(zhǎng)為l、寬為、厚度為。如果在M、N兩端按圖所示加一恒定電流I(沿X軸方向通過霍耳元件)。并假定電流I是沿X軸負(fù)方向以速度運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成,電子的電量為-e,自由電子的濃度為n.則根據(jù)電流強(qiáng)度的定義,電流I可表示

7、為:I=-envbd (1)若在Z軸方向加上恒定磁場(chǎng)B,沿負(fù)X軸方向運(yùn)動(dòng)的電子就受到洛倫茲力fB=evB (2)fB的方向指向負(fù)Y軸,于是,霍爾元件內(nèi)部的電子聚積在下方平面。(3)隨著電子向下偏移,上方平面剩余正電荷,形成Y軸負(fù)向的霍爾電壓,上下兩個(gè)平面間具有電勢(shì)差VH。靜電作用力fH與洛侖茲力fB大小相等時(shí),有。再利用式(1)得到式中H=1/en,稱為半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù),KH =1/end叫做它的靈敏度。當(dāng)工作電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí) KH的數(shù)值越大,霍爾電壓越高。如果已知霍爾片的靈敏度KH ,只需測(cè)出工作電流I和霍爾電壓就可求得B。I的單位一般取為mV,工作電流的單位取為mA,磁感應(yīng)強(qiáng)度單

8、位為T(特斯拉), KH的單位即為mV/(mA·T)。2.2霍爾元件的主要特性1)霍爾元件的主要特性參數(shù)靈敏度KH:表示元件在單位的磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流所得到的開路霍爾電動(dòng)勢(shì)霍爾輸入電阻:霍爾控制及間的電阻值霍爾最大允許激勵(lì)電流:以霍爾元件允許的最大溫度為限所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流不等位電勢(shì):當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí),若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。寄生直流電勢(shì) (霍爾元件零位誤差的一部分):當(dāng)沒有外加磁場(chǎng),霍爾元件用交流控制電流時(shí),霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí),會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致,引起兩電極

9、溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù):在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下,溫度每變化1度時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率。2.3霍爾傳感器的應(yīng)用按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量,例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制(一)線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如:1電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電

10、流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感。圖2-2 霍爾傳感器測(cè)電流示意圖霍爾電流傳感器工作原理如圖2-2所示,標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。2位移測(cè)量如圖2-3所示,兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作Z位移時(shí),傳感器有一個(gè)電壓輸出,電壓大小與位移大小成正比。圖2-3 霍爾傳感器測(cè)位移示意圖如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移,便可測(cè)

11、出拉力及壓力的大小,如圖2-4所示,是按這一原理制成的力傳感器。圖2-4 霍爾傳感器測(cè)力示意圖(二)開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)。如圖2-5所示,在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼,霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處,圓盤旋轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖,從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)(計(jì)數(shù)器),若接入頻率計(jì),便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。圖2-5 霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)示意圖如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上,當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí),可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。第三章 測(cè)量系統(tǒng)組成3.

12、1霍爾元件的誤差及補(bǔ)償3.1.1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差是指無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控制電流情況下霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此產(chǎn)生誤差。它主要表現(xiàn)有以下幾種形式:1)不等位電動(dòng)勢(shì)它是零位誤差中最重要的一種,他是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流下,不外加磁場(chǎng)時(shí),霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。2)寄生直流電勢(shì)再無(wú)磁場(chǎng)的情況下,元件通入交流電流,輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量3)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流情況下,由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)作用在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。4)自激場(chǎng)零電動(dòng)勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng)3.1.2霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償1)溫度誤差產(chǎn)生原因:霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料,因而對(duì)

13、溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的一些特性參數(shù),如霍爾電勢(shì)、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化,從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。2)減小霍爾元件的溫度誤差的方法選用溫度系數(shù)小的元件、采用恒溫措施、采用恒流源供電、采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路3.2 直流激勵(lì)的霍爾傳感器電路直流激勵(lì)的霍爾傳感器電路較為簡(jiǎn)單主要由霍爾傳感器,741差動(dòng)放大器等組成,如圖3-1:圖31 直流激勵(lì)下傳感器電路圖3.3交流激勵(lì)的霍爾傳感器電路3.3.1傳感器補(bǔ)償放大電路交流激勵(lì)的霍爾傳感器電路較為復(fù)雜主要由霍爾傳感器,741差動(dòng)放大器,再加上移相電路,相敏檢波電路,

14、低通濾波電路等組成。如圖3-2:圖32交流激勵(lì)下傳感器電路圖3.3.2移相電路移相電路原理圖如下所示圖33 移相電路原理圖移相器由兩個(gè)部分組成,調(diào)節(jié)可完成滯后0到180度的相位,理論上可以實(shí)現(xiàn)0到180度的調(diào)節(jié),但是由于遠(yuǎn)離信號(hào),存在干擾,實(shí)際上并不能達(dá)到180度。圖中選用了LF353作為運(yùn)放,由于一個(gè)LF353上集成了兩個(gè)運(yùn)算放大器,所以可以節(jié)省空間,便于集成化。3.3.2相敏檢波電路相敏檢波電路如下圖所示圖34 相敏檢波電路原理圖相敏檢波電路由施密特開關(guān)電路和運(yùn)算放大器組成,當(dāng)相敏檢波器輸入信號(hào)與開關(guān)信號(hào)反相時(shí),輸出為正極性的全波整流信號(hào),反之輸出信號(hào)為負(fù)極性的全波整流信號(hào)。圖中Vi端為輸

15、入信號(hào)端,接到差動(dòng)放大器的輸出端;AC端為交流參考信號(hào)端,DC端為直流參考信號(hào)端;Vo端為輸出端。當(dāng)接入?yún)⒖夹盘?hào)后,場(chǎng)效應(yīng)管K105就會(huì)處于開關(guān)狀態(tài),從而把輸入的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成全波整流信號(hào)。3.3.4低通濾波電路低通濾波電路如下圖所示圖35 低通濾波電路原理圖該濾波器將相敏檢波電路的輸出信號(hào)進(jìn)一步把諧波干擾濾除,得到更加理想的信號(hào),便于進(jìn)行數(shù)顯操作。第四章 電路測(cè)試與結(jié)果直流電路較為簡(jiǎn)單,電路連接完全后經(jīng)過簡(jiǎn)單測(cè)試可以直接測(cè)量書記。交流激勵(lì)的傳感器的電路較為復(fù)雜,需要利用示波器逐個(gè)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試直到出現(xiàn)正確的波形。4.1進(jìn)行各部分電路線路元件的連接組裝由音頻振蕩器產(chǎn)生,峰峰值為4V的正弦信號(hào)作

16、為激勵(lì)信號(hào)。圖4-1 激勵(lì)信號(hào)4.2移相電路的測(cè)試把系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)接入到移相電路的輸入端,用示波器的雙通道同時(shí)觀察激勵(lì)信號(hào)和移相后的信號(hào),發(fā)現(xiàn)相位的可變范圍大約是,同相電路如下圖所示:圖4-2 同相位波形調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器后,電路輸出波形相位發(fā)生改變,與激勵(lì)源波形相位對(duì)比如下圖所示:圖4-3 移相后波形調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使電路輸出波形相位與激勵(lì)源波形相位相反,波形如下圖所示:圖4-4 反相波形4.3相敏檢波電路的測(cè)試把移相電路的輸出信號(hào)接入到相敏檢波電路的參考信號(hào)輸入端,把差動(dòng)放大器的輸出信號(hào)接入到相敏檢波電路信號(hào)輸入端,用示波器觀察相敏檢波電路的輸出信號(hào),它是全波整流波形,通過相敏檢波的放大器后輸

17、出波形。使用螺旋測(cè)微頭發(fā)生正向位移時(shí)相敏檢波電路的輸出波形如下圖所示圖4-5 正位移波形使用螺旋測(cè)微頭發(fā)生負(fù)向位移時(shí)相敏檢波電路的輸出波形如下圖所示圖4-6 負(fù)位移波形使霍爾傳感器位于零點(diǎn)時(shí)相敏檢波電路的輸出波形如下圖所示圖4-7 零點(diǎn)位波形4.4低通濾波電路測(cè)試相敏檢波輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后基本上就變成了直流信號(hào)了,并且其大小代表了位移的大小,它的正負(fù)也就代表了位移的正負(fù)。波形如下圖所示:圖4-8 低通濾波電路波形第五章 傳感器測(cè)試與數(shù)據(jù)處理對(duì)傳感器進(jìn)行正負(fù)量程范圍內(nèi)連續(xù)測(cè)量,測(cè)量3次,然后計(jì)算傳感器的線性度、靈敏度和回程差,詳細(xì)數(shù)據(jù)見附表所示。5.1傳感器的回程差回程差計(jì)算公式: 其中,

18、是滿量程;是回程差,是正反行程輸出的最大差值。excel計(jì)算結(jié)果:直流激勵(lì)第一組=0.008/(0.689+0.685) ×100%=0.58%第二組=0.010/(0.689+0.687) ×100%=0.73%第三組=0.009/(0.688+0.688) ×100%=0.65%平均值=0.003/(0.688+0.689) ×100%=0.22%交流激勵(lì)第一組=0.0057/(0.1567+0.1619) ×100%=1.78%第二組=0.0038/(0.1573+0.1562) ×100%=1.21%第三組=0.0033/(0

19、.1637+0.1601) ×100%=1.20%平均值=0.0005/(0.1610+0.1577) ×100%=0.16%5.2傳感器的靈敏度靈敏度是傳感器輸出量增量與被測(cè)量數(shù)入量增量之比。線性傳感器的靈敏度就是擬合值線的斜率,所以要求得傳感器的靈敏度必須先將測(cè)得的近似線性的數(shù)據(jù)擬合成直線。利用matlab擬合如下圖所示:圖5-1 matlab程序圖圖5-2 直流激勵(lì)擬合直線(藍(lán)色為測(cè)量值,紅色為擬合值)圖5-3交流激勵(lì)擬合直線(藍(lán)色為測(cè)量值,紅色為擬合值)直流激勵(lì)靈敏度k= 0.2110(v/mm)交流激勵(lì)靈敏度k=-0.0531(v/mm)5.3傳感器的線性度線性度

20、計(jì)算公式:其中是線性度,是擬合值與測(cè)量值的最大差值,是滿量程excel計(jì)算結(jié)果:直流激勵(lì):=0.062/(0.726+0.750) ×100%=4.20%交流激勵(lì):=0.0054/(0.1629+0.1663) ×100%=1.64%第五章 心得體會(huì)經(jīng)過這些天的努力奮斗,本學(xué)期的傳感器課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束了。一路走來(lái),充滿了坎坷挫折,充滿了未知與挑戰(zhàn),也充滿了理解與欣慰。讓我重新去體會(huì)“紙上得來(lái)終覺淺,絕知此事要躬行”這句話的深刻含義,即所謂理論與實(shí)踐的差距。萬(wàn)事開頭難,即便是做了些準(zhǔn)備,可是當(dāng)我們第一次走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,看著那么多的實(shí)物元件時(shí)卻不知從哪里開始,顯得很笨拙很茫然。我們

21、小心翼翼地按照原理圖搭起實(shí)際電路用示波器去觀測(cè)是否輸出正確的波形,每一次的期待,每一次的失敗,每一次的打擊與失望,讓我們?cè)阱e(cuò)誤中不斷地提高,就這樣跌跌撞撞的繼續(xù)前進(jìn)。其實(shí),錯(cuò)誤和失敗并不可怕,可怕的是我們經(jīng)不起這種心靈深處的挫敗與氣餒。發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力這恰恰是我們所欠缺的,所以我們也很高興失敗其實(shí)讓我們收獲了另一面的成功,收獲了更坦然的心態(tài)。最讓人頭疼的是每一天實(shí)驗(yàn)結(jié)束收拾好電路,第二天電路卻會(huì)有不知原因的諸多問題,往往需要調(diào)試很久才能恢復(fù)理想的功能,在反反復(fù)復(fù)的調(diào)試中不斷熟悉電路,磨練自己的耐心,學(xué)會(huì)面對(duì)挫折也是知識(shí)之外的一種收獲。通過此次課程設(shè)計(jì),讓我加深了對(duì)傳感器這門學(xué)科的認(rèn)識(shí),以及傳感器在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的重要作用。雖然在書本上也看過移相電路、相敏檢波電路和低通濾波電路等的原理作用,但是知其一不知其二。通過自己親自動(dòng)手觀察,對(duì)理論有了更加理性和感性的認(rèn)識(shí)。另外,讓我感觸更深的是扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于測(cè)控專業(yè)的學(xué)生是多么的重要,任何技術(shù)的突破創(chuàng)新都源于基礎(chǔ)理論的運(yùn)用,

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