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05酒精測(cè)試儀與溫濕度計(jì)
——電阻式氣體與濕度傳感器地測(cè)試項(xiàng)目描述酒精測(cè)試儀是一款常用檢測(cè)司機(jī)酒精含量地儀器。根據(jù)被測(cè)員地呼氣檢測(cè)飲酒信息,及時(shí)測(cè)試車主血液酒精濃度,顯示"醉酒駕駛","飲酒駕駛","安全駕駛"狀態(tài)。呼氣酒精含量測(cè)試儀是一款輕巧,實(shí)用,安全,便于隨身攜帶地酒精含量檢測(cè)工具,適用于交警查車,司機(jī)自檢等方面對(duì)于環(huán)境量地檢測(cè),除了常用地酒精檢測(cè)儀外,還有一種大家熟悉地檢測(cè)空氣濕度地濕敏傳感器,如圖5-2所示地溫濕度計(jì),它既能檢測(cè)溫度同時(shí)也能檢測(cè)濕度,其濕度地檢測(cè)主要是利用了濕敏傳感器。濕度信息地傳遞需要通過水對(duì)濕敏器件直接接觸來完成,因此濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境,不能密封知識(shí)準(zhǔn)備一,氣敏電阻傳感器所謂氣敏傳感器,是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸,造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化,借此來檢測(cè)待定氣體地成分或者濃度地傳感器地總稱。氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣,煤氣,石油化工等部門地易燃,易爆,有毒,有害氣體地監(jiān)測(cè),預(yù)報(bào)與自動(dòng)控制。(一)氣敏傳感器地材料與種類氣敏傳感器是用來檢測(cè)氣體類別,濃度與成分地傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同,不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別地氣體按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體與非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多地是半導(dǎo)體氣敏傳感器。氣敏電阻地材料是金屬氧化物,在合成材料時(shí),通過化學(xué)計(jì)量比地偏離與雜質(zhì)缺陷制成,金屬氧化物半導(dǎo)體分N型半導(dǎo)體,如氧化錫,氧化鐵,氧化鋅,氧化鎢等;P型半導(dǎo)體,如氧化鈷,氧化鉛,氧化銅,氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對(duì)某些氣體成分地選擇性與靈敏度,合成材料有時(shí)還摻入了催化劑,如鈀(Pd),鉑(Pt),銀(Ag)等。
(二)氣敏電阻傳感器工作原理
金屬氧化物在常溫下是絕緣地,制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。其機(jī)理是比較復(fù)雜地。
但是這種氣敏元件接觸氣體時(shí),由于表面吸附氣體,致使它地電阻率發(fā)生明顯地變化卻是肯定地。
這種對(duì)氣體地吸附可分為物現(xiàn)吸附與化學(xué)吸附。在常溫下主要是物理吸附,是氣體與氣敏材料發(fā)面上分子地吸附,它們之間沒有電子交換,不形成化學(xué)鍵。若氣敏電阻溫度升高,化學(xué)吸附就增加,并在粟一溫度時(shí)達(dá)到最大值?;瘜W(xué)吸附是氣體與氣敏材料表面建立離子吸附,它們之間有電子地交換,存在化學(xué)鍵力。例如,當(dāng)N型半導(dǎo)體材料遇到離解能較小易于失去電子地還原性氣體(即可燃性氣體,如一氧化碳,氫,甲烷,有機(jī)溶劑等)后,發(fā)生還原反應(yīng),電子從氣體分子向半導(dǎo)體移動(dòng),半導(dǎo)體地載流子濃度增加,導(dǎo)電性能增強(qiáng),電阻減小。當(dāng)N型半導(dǎo)體材料遇到氧化性氣體(如氧,三氧化硫等)后就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),半導(dǎo)體地載流子濃度減少,導(dǎo)電性能減弱,因而電阻增大。對(duì)混合型材料無論吸附氧化性氣體還是還原性氣體時(shí),都將使載流子濃度減少,電阻增大。電阻值地變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對(duì)氣體地吸附與釋放而產(chǎn)生地,為了加速這種反應(yīng),通常要用加熱器對(duì)氣敏元件加熱。(三)半導(dǎo)體氣敏元件地特性參數(shù)
1,電阻R0
與Rs
R0
表示氣敏元件在正??諝鈼l件下(或潔凈條件下)地阻值,又稱正常電阻。Rs
工作電阻2,靈敏度K氣敏元件地靈敏度通常用氣敏元件在一定濃度地檢測(cè)氣體地電阻與正常空氣地電阻之比來表示靈敏度K3,響應(yīng)時(shí)間trcs把從元件接觸一定濃度地被測(cè)氣體開始到其阻值達(dá)到該濃度下穩(wěn)定阻值地時(shí)間4,恢復(fù)時(shí)間trcc把氣敏元件從脫離檢測(cè)氣體開始,到期阻值恢得到正??諝庾柚档貢r(shí)間,5,加熱電阻RH與加熱功率PH為氣敏元件提供工作溫度地加熱器電阻稱為加熱電阻氣敏元件正常工作所需要地功率稱為加熱功率6.初期穩(wěn)定時(shí)間一般電阻型氣敏元件,在剛通電地瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間,稱為初期穩(wěn)定時(shí)間
(四)半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)
電阻式氣體傳感器按結(jié)構(gòu)可將其分成燒結(jié)型,薄膜型與厚膜型三種。其燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟,應(yīng)用最廣泛地元件1.燒結(jié)型氣敏元件燒結(jié)型氣敏元件是以多孔陶瓷SnO2為基材(料粒度在1μm以下),添加不同物質(zhì),采用傳統(tǒng)制陶方法,進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)埋入測(cè)量電極與加熱線,制成管芯,最后將電極與加熱絲引線焊在管座上,外加二層不銹鋼網(wǎng)而制成元件。目前最常用地是氧化錫(SnO2)燒結(jié)型氣敏元件,用來測(cè)量還原性氣體。按其加熱方式又可分為直熱式與旁熱式兩種。(1)直熱式SnO2氣敏電阻直熱式元件又稱內(nèi)熱式,元件管芯由三部分組成:SnO2基體材料,加熱絲,測(cè)量絲,它們都埋在SnO2基材內(nèi)。這種氣敏電阻制作工藝簡(jiǎn)單,成本低,功耗小,可以在高電壓下使用,可制成價(jià)格低廉地可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器,如內(nèi)QN型與MQ型氣敏元件。它地.缺點(diǎn)是熱容量小,易受環(huán)境氣流地影響,測(cè)量回路與加熱回路間沒有隔離,互相影響旁熱式SnO2氣敏電阻旁熱式SnO2氣敏電阻管芯為陶瓷管,在管內(nèi)放入高阻加熱絲,管外涂覆梳狀金電極作為測(cè)量極,然后在金電極外層涂覆SnO2材料這種結(jié)構(gòu)克服了直熱式地缺點(diǎn),其測(cè)量極與加熱絲分開,目前產(chǎn)QM-N5型氣敏元件,日本弗加羅TGS#812,813型氣敏元件采用這種結(jié)構(gòu)。2.薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或?yàn)R射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜(厚度0.1μm以下),構(gòu)成薄膜型氣敏元件氧化鋅敏感材料是N型半導(dǎo)體,當(dāng)添加鉑作催化劑時(shí),對(duì)丁烷,丙烷,乙烷等烷烴氣體有較高地靈敏度,而對(duì)H2,CO等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時(shí),對(duì)H2,CO有較高地靈敏度,而對(duì)烷烴類氣體靈敏度低。因此,這種元件有良好地選擇性3.厚膜型氣敏元件將氣敏材料(如SnO2,ZnO)與一定比例地硅凝膠混制成能印刷地厚膜膠,把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極地氧化鋁(Al2O3)基片上,在400℃~800℃地溫度下燒結(jié)1~2小時(shí)便制成厚膜(μm級(jí))型氣敏元件,用厚膜工藝制成地器件一致性較好,機(jī)械強(qiáng)度高,適于批量生產(chǎn)。以上三種氣敏器件都附有加熱器,加熱器能使附著在測(cè)控部分上地油霧,塵埃等燒掉,同時(shí)加速氣體氧化還原反應(yīng),從而提高器件地靈敏度與響應(yīng)速度。酒精傳感器其它可燃性氣體傳感器手持?jǐn)?shù)字酒精測(cè)試儀呼氣管酒精傳感器地選擇性氣敏半導(dǎo)體地靈敏度特性曲線家庭用煤氣報(bào)警器家庭用液化氣報(bào)警器一氧化碳傳感器其它氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器氧濃度傳感器外形
(可用于汽車尾氣測(cè)量)汽車尾氣分析有毒氣體傳感器地使用(五)氣敏元件地基本測(cè)量電路燒結(jié)型SnO2氣敏元件基本測(cè)量電路:采用直流電壓測(cè)量旁熱式氣敏元件電路與采用交流電壓測(cè)量旁熱式氣敏元件電路。無論哪種電路,都需要包括兩部分,即氣敏元件地加熱回路與測(cè)量回路圖部分產(chǎn)半導(dǎo)體氣敏元件地外形圖(a)HQ系列;(b)QN系列;(c)MQ系列文字符號(hào)沒有統(tǒng)一規(guī)定(六)氣敏傳感器型號(hào):(七)氣敏電阻器型號(hào)命名方式
氣敏電阻器地型號(hào)命名由三部分組成,各部分地意義見下表。
第一部分用字母表示主稱。
第二部分用字母表示用途或特征。
第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號(hào)。
產(chǎn)氣敏電阻地命名第一部分:主稱第二部分:用途或特征第三部分:序號(hào)字母意義字母意義用數(shù)字表示序號(hào)MQ氣敏電阻器J酒精檢測(cè)用K可燃?xì)怏w檢測(cè)用Y煙霧檢測(cè)用NN型氣敏元件PP型氣敏元件(六)改善氣敏傳感器選擇性地措施
選擇性是檢驗(yàn)氣體傳感器是否具有實(shí)用價(jià)值地重要尺度。欲從復(fù)雜地氣體混合物識(shí)別出某種氣體,就要求該傳感器具有很好地選擇性,目前常用改善選擇性地措施有以下三種:1.改變氧化物傳感器地工作溫度由于各種還原性氣體地最佳氧化溫度不同,因此首先可以通過改變氧化物傳感器地工作溫度來提高其對(duì)某種氣體地選擇性。例如,在某些催化劑如Pd地作用下,CO地氧化溫度要比一般碳?xì)浠衔锏偷枚?因此,在低溫條件下使用可提高對(duì)CO氣體地選擇性。2.使用某種物理地或化學(xué)地過濾膜通過使用某種物理地或化學(xué)地過濾膜,使單一氣體能通過該膜到達(dá)氧化物半導(dǎo)體表面,而拒絕其它氣體通過,從而達(dá)到選擇性檢測(cè)氣體地目地。3.利用某些催化劑提高傳感器氣敏選擇性地最具有效,最常用地手段是利用某些催化劑能有選擇性地對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行催化氧化地原理來實(shí)現(xiàn)二,濕敏電阻傳感器
(一)濕度地概念與表示方法濕度是指大氣地水蒸氣含量,通常采用絕對(duì)濕度,相對(duì)濕度,露點(diǎn)等表示。絕對(duì)濕度表示單位體積空氣里所含水汽地質(zhì)量,其表達(dá)式為:一般用符號(hào)AH表示,單位g/m3。相對(duì)濕度是氣體地絕對(duì)濕度(ρV)與在同一溫度下,水蒸汽已達(dá)到飽與地氣體地絕對(duì)濕度(ρW)之比,常表示為%RH.其表達(dá)式為:相對(duì)濕度=(ρV/ρW)×100%RH,根據(jù)道爾頓分壓定律,空氣壓強(qiáng)P=Pa+PV(Pa為干空氣分壓,PV為濕空氣氣壓)與理想狀態(tài)方程,又可將相對(duì)濕度用分壓表示:相對(duì)濕度=(PV/PW)×100%RH。露點(diǎn)(露點(diǎn)溫度)溫度越高地氣體,含水蒸氣越多。若將其氣體冷卻,即使其所含水蒸氣量不變,相對(duì)濕度將逐漸增加,降低到某一溫度時(shí),相對(duì)濕度達(dá)到100%,呈飽與狀態(tài),再冷卻時(shí),水蒸氣地一部分凝集生成露,把這個(gè)溫度稱為露點(diǎn)溫度空氣在氣壓不變下為了使其所含水蒸氣達(dá)到飽與狀態(tài)時(shí)所需要冷卻到地溫度,稱為露點(diǎn)溫度。氣溫與露點(diǎn)地差越小,表示空氣越接近飽與。降低溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點(diǎn)與農(nóng)作物地生長(zhǎng)有很大關(guān)系,結(jié)露也嚴(yán)重影響電子儀器地正常工作,需要予以注意。測(cè)量露點(diǎn)地儀器露點(diǎn)傳感器(二)濕敏傳感器地主要參數(shù)及特性
1感濕特性每種濕度傳感器都有其感濕特征量,如電阻,電容等,通常用電阻比較多。以電阻為例,在規(guī)定地工作濕度范圍內(nèi),濕度傳感器地電阻值隨環(huán)境濕度變化地關(guān)系特性曲線,簡(jiǎn)稱阻濕特性。有地濕度傳感器地電阻值隨濕度地增加而增大,這種為正特性濕敏電阻器,如Fe3O4濕敏電阻器。有地阻值隨著濕度地增加而減小,這種為負(fù)特性濕敏電阻器,如TiO2-SnO2陶瓷濕敏電阻器。2濕度量程濕度量程是指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范所規(guī)定地感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0~100)%RH表示3感濕靈敏度感濕靈敏度簡(jiǎn)稱靈敏度,又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi),相對(duì)濕度改變1%RH時(shí),濕度傳感器電參量地變化值或百分率。4.感濕溫度系數(shù)感濕溫度系數(shù)反映濕度傳感器溫度特性地一個(gè)比較直觀,實(shí)用地物理量。它表示在兩個(gè)規(guī)定地溫度下,濕度傳感器地電阻值(或電容值)達(dá)到相等時(shí),其對(duì)應(yīng)地相對(duì)濕度之差與兩個(gè)規(guī)定地溫度變化量之比,稱為感濕溫度系數(shù)5.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指在一定溫度下,當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí),濕度傳感器地電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量地規(guī)定比例所需要地時(shí)間,它是反映濕度傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí),其反應(yīng)速度地快慢。單位是秒(s)。6.濕滯回線濕度傳感器在升濕與降濕往返變化時(shí)地吸濕與脫濕特性曲線不重合,所構(gòu)成地曲線叫濕滯回線。7.電壓特性濕度傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間地關(guān)系稱為電壓特性。當(dāng)交流電壓較大時(shí),由于產(chǎn)生焦耳熱,對(duì)濕度傳感器地特性會(huì)帶來較大影響。8.頻率特性濕度傳感器地阻值與外加測(cè)試電壓頻率有關(guān)。在各種濕度下,當(dāng)測(cè)試頻率小于一定值時(shí),阻值不隨測(cè)試頻率而變化,該頻率被確定為濕度傳感器地使用頻率上限。當(dāng)然,為防止水分子地電解,測(cè)試電壓頻率也不能太低。9.其它特性與參數(shù)精度:是指濕度量程內(nèi),濕度傳感器測(cè)量濕度地相對(duì)誤差。穩(wěn)定性:是指濕度傳感器在各種使用環(huán)境,能保持原有性能地能力。一般用相對(duì)濕度地年變化率表示,即±%RH/年。壽命:是指濕度傳感器能夠保持原來地精度,能夠連續(xù)工作地最長(zhǎng)時(shí)間。(三)濕敏傳感器地分類
下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟地幾類濕敏電阻傳感器。1.電解質(zhì)式(氯化鋰)濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成地測(cè)濕元件,該元件地結(jié)構(gòu)如圖5-10所示,由引線,基片,感濕層與電極組成。2023/4/30傳感器原理及應(yīng)用氯化鋰濕敏傳感器利用濕敏元件在吸濕與脫濕過程,水分子分解出地H+離子地傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生變化,從而使元件地電阻值發(fā)生變化地傳感器。結(jié)構(gòu):在條狀絕緣基片(如無堿玻璃)地兩面,用真空蒸鍍法或化學(xué)沉積法做上電極,再浸漬一定比例配制地氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液,經(jīng)老化處理而制成。氯化鋰濕敏元件地濕度—電阻特性曲線2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻
(1)MgCr2O4--TiO2濕敏元件。氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型"濕-電"轉(zhuǎn)換器件,它是負(fù)特性半導(dǎo)體陶瓷。MgCr2O4為P型半導(dǎo)體,為了減少測(cè)量誤差,在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成地加熱線圈,以便對(duì)器件加熱清洗,排除惡劣氣體對(duì)器件地污染。電阻一濕度特性響應(yīng)時(shí)間(2)ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度,而無須加熱除污裝置,因此功耗低于0.5W,體積小,成本低,是一種常用測(cè)濕傳感器。3.金屬氧化物膜型濕敏傳感器二氧化鐵,三氧化二鋁,氧化鎂等金屬氧化物地細(xì)粉吸附水分后有極快地速干特性,利用這種現(xiàn)象可以研制生產(chǎn)出多種金屬氧化物膜型濕敏電阻式傳感器。濕敏電阻外形來源于廣州西博臣科技有限公司濕敏電阻:水是一種強(qiáng)極性地電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部,引起半導(dǎo)體地電阻值降低,因此可以利用多孔陶瓷,三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。濕敏電阻外形結(jié)構(gòu)濕度傳感器
及其封裝電子濕度計(jì)模塊封裝后地外形電子數(shù)字式溫濕度計(jì)4.高分子濕敏電容傳感器濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成,與金屬氧化物膜型濕敏傳感器結(jié)構(gòu)相似,當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí),濕敏電容地介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對(duì)濕度成正比電容值與相對(duì)濕度地關(guān)系響應(yīng)特性特點(diǎn):由于電容器地上電極是多孔地透明金薄膜,水分子能順利地穿透薄膜,且感濕膜只有一層呈微孔結(jié)構(gòu)地薄膜,因此吸濕與脫濕容易,因此響應(yīng)速度快。5.MOSFET濕敏器件這種濕敏器件是在MOS型場(chǎng)效應(yīng)管地柵極上涂覆一層感濕薄膜,在感濕薄膜上增加另一電極而構(gòu)成地新型濕敏器件。6.結(jié)型濕敏器件利用肖特基結(jié)或PN結(jié)二極管地反向電流或者反向擊穿電壓隨環(huán)境相對(duì)濕度地變化,可以制成一種結(jié)型濕度敏感器件。在二極管處于反向偏壓狀態(tài)時(shí),在雪崩擊穿區(qū)附近,其反向電流直接與環(huán)境地相對(duì)濕度有關(guān),或者說,其反向擊穿電壓隨環(huán)境相對(duì)濕度而改變,即使二極管具有了感濕特性。(四)電阻式濕度傳感器測(cè)量電路
電阻式濕度傳感器,其測(cè)量電路主要有兩種形式:1.電橋電路電橋測(cè)濕電路框圖如圖5-20所示。振蕩器對(duì)電路提供交流電源。電橋地一臂為濕度傳感器,2.歐姆定律電路3.帶溫度補(bǔ)償?shù)貪穸葴y(cè)量電路在實(shí)際應(yīng)用,需要同時(shí)考慮對(duì)濕度傳感器進(jìn)行線性處理與溫度補(bǔ)償,常常采用運(yùn)算放大器構(gòu)成濕度測(cè)量電路,濕度測(cè)量電路Rt是熱敏電阻器,RH為H204C濕度傳感器項(xiàng)目實(shí)施一,酒精氣敏傳感器(一)酒精氣敏傳感器地工作原理(二)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1.基本原理氣敏傳感器是由微型AL2O3陶瓷管SnO2敏感層,測(cè)量電極與加熱器構(gòu)成。在正常情況下,SnO2敏感層在一定地加熱溫度下具有一定地表面電阻值(10μΩ左右),當(dāng)遇有一定含量地酒精成分氣體時(shí),其表面電阻可迅速下降。2.需用器件與單元?dú)饷魝鞲衅?氣敏傳感器實(shí)訓(xùn)模塊,酒精,酒精棉球(自備),電壓表,15V直流電源。3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)將+15V電源接入"氣敏傳感器實(shí)訓(xùn)模塊"。(2)打開電源開關(guān),給氣敏傳感器預(yù)熱數(shù)分鐘,(按正常地工作標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為24小時(shí))若時(shí)間較短可能產(chǎn)生較大地測(cè)試誤差。(3)將模塊上Vo連接到主控箱地電壓表表,用棉簽沾少許酒精靠近氣敏傳感器,觀察電壓表地變化,隨著傳感器內(nèi)酒精濃度地升高,數(shù)字指示將越來越大,同時(shí)模塊上發(fā)光管點(diǎn)亮地?cái)?shù)目成上升趨勢(shì),越來越多。(4)拿掉棉簽,隨著酒精地?fù)]發(fā),發(fā)光管點(diǎn)亮地?cái)?shù)目慢慢減少,電壓也隨之降低。(5)在已知所測(cè)酒精濃度地情況下,調(diào)整Rw可進(jìn)行實(shí)訓(xùn)模塊地輸出標(biāo)定。二,濕敏電阻傳感器(一)ZHG型濕敏電阻傳感器(一)ZHG型濕敏電阻傳感器圖5-24所示電路為應(yīng)用ZHG濕敏電阻地濕度檢測(cè)電路圖。(二)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1,基本原理濕敏電阻是高分子薄膜濕敏電阻,其感測(cè)機(jī)理是在絕緣基板上濺射了一層高分子電解質(zhì)濕敏膜,其阻值地對(duì)數(shù)與相對(duì)濕度呈近似地線性關(guān)系,通過電路予以修正后,可得出與相對(duì)溫度呈線性關(guān)系地電信號(hào)。2.需用地器件與單元實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需
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