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傳感器與檢測(cè)技術(shù)試題與答案好東西第1章傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)考慮題答案.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成?說(shuō)明各部分的作用。答:一個(gè)完好的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成,分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下列圖給出了檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置,顯然,傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件,是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié),檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的,因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無(wú)法添加新的檢測(cè)信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。測(cè)量電路的作用是將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的,就需要由測(cè)量電路加以放大,以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測(cè)量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理工作。顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié),主要作用是使人們了解被測(cè)量的大小或變化的過(guò)程。.傳感器的型號(hào)有幾部分組成,各部分有何意義?依次為主稱(傳感器)被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào)主稱——傳感器,代號(hào)C;被測(cè)量——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表2;轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表3;序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記,廠家自定,用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。假設(shè)產(chǎn)品性能參數(shù)不變,僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí),其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫(xiě)字母A、B、C等,(其中I、。不用)。例:應(yīng)變式位移傳感器:CWY-YB-20;光纖壓力傳感器:CY-GQ-2。.測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的情況時(shí),應(yīng)當(dāng)采用何種測(cè)量方法?如何進(jìn)行答:測(cè)定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時(shí),最好采用微差式測(cè)量。此時(shí)輸出電壓認(rèn)可表示為U0,U0=U+4U,其中4U是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量,講為一小量。假如采用偏向法測(cè)量,儀表必須有較大量程以滿足U0的要求,因此對(duì)△這個(gè)小量造成的U0的變化就很難測(cè)準(zhǔn)。測(cè)量原理如下列圖所示:圖中使用了高靈敏度電壓表——毫伏表和電位差計(jì),Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì),凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載,E1、R1和Rw表示電位差計(jì)的參數(shù)。在測(cè)量前調(diào)整U來(lái)U,R11相對(duì)好東西使電位差計(jì)工作電流I1為標(biāo)準(zhǔn)值。然后,使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1為額定值。調(diào)整RP的活動(dòng)觸點(diǎn),使毫伏表指示為零,這相當(dāng)于事先用零位式測(cè)量出額定輸出電壓U。正式測(cè)量開(kāi)始后,只需增加或減小負(fù)載電阻RL的值,負(fù)載變動(dòng)所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動(dòng)值ΔU即可由毫伏表指示出來(lái)。根據(jù)U0=U+ΔU,穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快,測(cè)量精度高,特別合適于在線控制參數(shù)的測(cè)量。4.某線性位移測(cè)量?jī)x,減至2.5V,求該儀器的靈敏度。解:該儀器的靈敏度為5.某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成,各自的靈敏度如下:鉑電阻溫度傳感器:電橋: 放大器:筆式記錄儀: 求:(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度;(2)記錄儀筆尖位移解:(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為S0.45(2)記錄儀筆尖位移上40.186.有三臺(tái)測(cè)溫儀表,量程均為500℃的溫度,要求相對(duì)誤差不超過(guò)解:2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為絕對(duì)誤差值為16℃,測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為用微差式測(cè)量方法測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm變到5.0mm時(shí),位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由S2.53.55.04.52mV/mm0.45。/℃0.02V/Q100(放大倍數(shù))0.2cm/V4cm時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。0.021000.20.18cm/℃4cm時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為2.22℃0~800℃,精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和2.5%,選那臺(tái)儀表合理?20℃,測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為4%;測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為3.2%;1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為2.4%。因此,應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。3.5V1.5級(jí),現(xiàn)要測(cè)量2.0級(jí)時(shí)的最大12℃,2好東西.什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差?正確度和精密度的含義是什么?它們各反映何種誤差?答:系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下,多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí),誤差的大小和符號(hào)保持不變,或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差那么是指在相同條件下,多次測(cè)量同一量時(shí),其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見(jiàn)的方式變化的誤差。正確度是指測(cè)量結(jié)果與理論真值的一致程度,它反映了系統(tǒng)誤差的大小,精密度是指測(cè)量結(jié)果的分散程度,它反映了隨機(jī)誤差的大小。.服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差有哪些特性?答:服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差的特性有:對(duì)稱性隨機(jī)誤差可正可負(fù),但絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。也就是說(shuō)f(δ)-δ曲線對(duì)稱于縱軸。有界性在一定測(cè)量條件下,隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定的范圍,即絕對(duì)值很大的隨機(jī)誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性在相同條件下,當(dāng)測(cè)量次數(shù)n→∞時(shí),全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零,即limni1ni0。單峰性絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多,即前者比后者的概率密度大,在δ=0處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。.等精度測(cè)量某電阻10次,得到的測(cè)量列如下:R1=167.95Ω R2=167.45Ω R3=167.60Q R4=167.60QR5=167.87ΩR6=167.88Ω R7=168.00Ω R8=167.850Ω R9=167.82QR10=167.61Q(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值,測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。(2)假設(shè)置信概率取99.7%,寫(xiě)出被測(cè)電阻的真值和極限值。解:(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值,測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差SoR1R2Rn10i17.95167.45167.60167.60167.87167.88168.00167.85167.82167.6110167.763101n(xi)2n1i11n21102vivin1i19i11(0.18720.313220.16320.10720.10820.23720.08720.05720.1532)90.1824sn0.18240.0577(2)假設(shè)置信概率取99.7%,被測(cè)電阻的真值為:R0167.7633S(167.7630.173)極限值為:Rm167.7633 (167.7630.547)3好東西10.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。答:如下圖,電橋各臂的電阻分別為R1、R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時(shí),稱為等臂電橋;當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R'(R≠R')時(shí),稱為輸出對(duì)稱電橋;當(dāng)R1=R4=R,R2=R3=R'(R≠R')時(shí),稱為電源對(duì)稱電橋。D直流電橋電路當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí),由于放大器的輸入阻抗很高,所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大,這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓,為U1R3R2R43oR(R1R(1)2)(R3R4)U 設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài),即R1為應(yīng)變片,其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量ΔRR1時(shí),由初始平衡條件R1R3=R2R4得1R4R,代入式(1),那么電橋由于2R3產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為U0R2(R)2R1UR1R2(R2(R1)U (2)1R21R2)R1對(duì)于輸出對(duì)稱電橋,此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R',當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化4區(qū)1=4區(qū),可得到輸出電壓為URR0U(RR)2(RR)U4(RR)(3)對(duì)于電源對(duì)稱電橋,R1=R4=R,R2=R3=R’。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時(shí),由式(得URR0U(RR)2(RR) (4)對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R,當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時(shí),由式(2)可得輸出電壓為URR0U(RR)2(RR)U4(RR) (5)由上面三種結(jié)果可以看出,當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí),電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ΔRR時(shí),電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下,等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大,們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步進(jìn)步靈敏度,常采用等臂電橋,四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式,R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR,將上述條件代入式(1)得R12)2)4其表達(dá)式△根據(jù)(即它好東西URRU04U4RR由式(6)看出,由于充分利用了雙差動(dòng)作用,它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍,所以大大進(jìn)步了測(cè)量的靈敏度。第2章 電阻式傳感器考慮題答案.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答:金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的,半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)那么主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。.直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別?答:它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源,只適用于直流元件,交流電橋用交流電源,適用于所有電路元件。.熱電阻測(cè)量時(shí)采用何種測(cè)量電路?為什么要采用這種測(cè)量電路?說(shuō)明這種電路的工作原理。答:通常采用電橋電路作為測(cè)量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下列圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路,熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中,假如RttIR2,那么由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被互相抵消。.采用阻值為120。靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120。的固定電阻組成電橋,供橋電壓為4V,并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓,并比較三種情況下的靈敏度。解:?jiǎn)伪蹠r(shí)UKUKU4210604,所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)U0442106/V,應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為UKU044210342103/丫;雙臂時(shí)UKU02,所以應(yīng)變?yōu)闀r(shí)UKU421060 410622/V,應(yīng)變?yōu)?000時(shí)15時(shí),試應(yīng)為好東西KU42103U04103/V;全橋時(shí)U0KU,所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)22U08106/V,應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為U08103/V。從上面的計(jì)算可知:?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低,雙臂時(shí)為其兩倍,全橋時(shí)最高,為單臂的四倍。5.采用阻值區(qū)=120。靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋,供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí),假設(shè)要使輸出電壓大于10mV,那么可采用何種工作方式(設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大)?解:由于不知是何種工作方式,可設(shè)為)故可得:KU210103U0nn10mV得n要小于2,故應(yīng)采用全橋工作方式。6.如下圖為一直流電橋,供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V,R3=R4=100Ω,R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片,其電阻均為50。,靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000,試求此時(shí)電橋輸出端電壓U0。R2題6圖解:此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋,故UKU23510302215/mV7.光敏電阻有哪些重要特性,在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的?答:光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作,利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無(wú)光照時(shí)阻值非常大,相當(dāng)于斷路,有光照時(shí)阻值變得很小,相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過(guò)光的變化來(lái)各種電路的控制。第3章 電容式傳感器考慮題答案1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了進(jìn)步傳感器的靈敏度可采取什6好東西么措施并應(yīng)注意什么問(wèn)題?答:如下圖是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當(dāng)動(dòng)極板挪動(dòng)^x后,覆蓋面積就發(fā)生變化,電容量也隨之改變,其值為C=εb(a-△x)/d=C0-εb183;Ax/d (1)電容因位移而產(chǎn)生的變化量為CCC0其靈敏度為KbdxC0xaCbxd可見(jiàn)增加b或減小d均可進(jìn)步傳感器的靈敏度。 Xd.為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的答:下列圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起挪動(dòng)時(shí),了兩極板之間的電容量設(shè)極板面積為A,其靜態(tài)電容量為當(dāng)Xd時(shí) 由式(1)可以看出電容量關(guān)系。同時(shí)還可以看出,要進(jìn)步靈敏度,應(yīng)減小起始間隙直線位移型電容式傳感器采取什么措施可改善其非線性特征1為固定極板,2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)兩極板間的距離dC。CAd,當(dāng)活動(dòng)極板挪動(dòng)X后,其電容量為CA1XdXC0 (1)1X221那么CC0(1d)(2)C與X不是線性關(guān)系,只有當(dāng)Xd時(shí),才可認(rèn)為是最近似線形d過(guò)小時(shí)。但當(dāng)d過(guò)小時(shí),又容易7?發(fā)生變化,從而改變好東西引起擊穿,同時(shí)加工精度要求也高了。為此,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)改善這種情況。在實(shí)際應(yīng)用中,為了進(jìn)步靈敏度,減小非線性,可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。.有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋,結(jié)構(gòu)組成如下圖。電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=200mm,a1=a2=20mm極距d=2mm,極間介質(zhì)為空氣,測(cè)量電路u1=3sinωtV,且u=u0。試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量4X=5mm時(shí),電橋輸出電壓u0。d ui2題3圖1X2解:根據(jù)測(cè)量電路可得uu0Cx5uiui3sint750sint/mVC0a20.變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路,如下圖。C0=200pF,傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動(dòng)極板距離d0=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器(即K→∞,Zi-∞),Rf極大,輸入電壓u1=5sinωtV°求當(dāng)電容傳感動(dòng)極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d0減小時(shí),電路輸出電壓u0為多少?*
i解:由測(cè)量電路可得u0C0C0200uiui5sint45sin/VCd201.5Cxx001.50.15d0x8好東西5.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長(zhǎng)度a=4cm,極板間距離δ=0.2mm.假設(shè)用此變面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫(huà)出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,1208.8510-F/m。解:這是個(gè)變面積型電容傳感器,共有4個(gè)小電容并聯(lián)組成。C20a4161048.85101204210328.32/pFC0a(ax)x4C0kx28.3270.8x(x的單位為米CC40ax)xC0C2KxC040a48.851012410x210370.8cm第四章電感式傳感器考慮題答案.影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么?)/pF9好東西答:影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是:傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。.電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響?它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么?答:電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀,線圈的幾何參數(shù),激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng),特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。.試說(shuō)明圖4.12所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。答:如下圖,設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí),Z1=Z2=Z,電橋處于平衡狀態(tài),C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位,電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移,上部線圈阻抗增大,Z1=Z+^Z,那么下部線圈阻抗減少,輸入交流電壓為正半周,那么A點(diǎn)電位為正,B點(diǎn)電位為負(fù),二極管V1止。在A-E-C-B支路中,C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)的C點(diǎn)電位降低;支中中,D點(diǎn)電位由于Z2的降低而比平衡時(shí)口點(diǎn)的電位增高,所以D點(diǎn)電位高于直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。假如輸入交流電壓為負(fù)半周,A點(diǎn)電位為負(fù),B點(diǎn)電位為正,二極管V4截止,那么在A-F-C-B支中中,C點(diǎn)電位由于Z2減少而比平衡時(shí)降低(平衡時(shí),輸入電壓假設(shè)為負(fù)半周,即B點(diǎn)電位為正,A點(diǎn)電位為負(fù),C點(diǎn)相對(duì)于8點(diǎn)為負(fù)電位,點(diǎn)電位更負(fù));而在A-E-D-B支路中,D點(diǎn)電位由于Z1的增加而比平衡時(shí)的電位增高,所以仍然是D點(diǎn)電位高于。點(diǎn)電位,電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果:當(dāng)銜鐵下移時(shí),電壓表總是反向偏轉(zhuǎn),輸出為負(fù)。2.如下圖的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路,L1、L2為傳感器的兩差動(dòng)電感線圈的電感,其初始值均為L(zhǎng)0。R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻,U為電源電壓。試寫(xiě)出輸出電壓化量41間的關(guān)系。解:輸出與輸入的關(guān)系是22=2-42。假如丫4導(dǎo)通,V2、V3截而在A-F-D
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