自动检测技术书热电偶测温系统.docx
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自动检测技术书热电偶测温系统
课题:
自动化检测技术
项目:
热电偶测温系统
班级:
指导老师:
小组成员:
完成日期:
20年月号
目录
第一章热电偶传感器
1.1热电偶测温原理
1.2热电偶的种类及结构形成
1.3热电偶的正确使用
第二章系统元件的介绍
2.1LED介绍
2.2LM324介绍
2.3ICL7107介绍
2.4电位器介绍
第三章实验过程及数据
3.1调试前期工作及注意事项
3.2调试步骤
附录
4.1实验数据表
4.2元器清单表
4.3热电偶测温系统原理图
4.4热电偶测温系统设计图
4.5实训心得4篇
第一章热电偶传感器
热电偶是一种感温元件,是一种仪表。
它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckeffect)。
两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。
1.1热电偶测温原理
这就要从热电偶测温原理说起,热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。
因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。
热电偶工作原理:
两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题:
1:
热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;
2:
热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的材料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;
3:
当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
常用的热电偶材料有:
热电偶分度号热电极材料正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍
1.2热电偶的种类及结构形成
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,如图所示。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
常用的热电偶材料有
热电偶分度号热电极材料
正极负极
S铂铑10纯铂
R铂铑13纯铂
B铂铑30铂铑6
K镍铬镍硅
T纯铜铜镍
J铁铜镍
N镍铬硅镍硅
E镍铬铜镍
热电偶的种类
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路,如两连接端温度不同,则在回路内产生热电流的物理现象。
其优点是:
①测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
②测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
③构造简单,使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
按热电偶结构划分,可以分为普通型(固定螺纹型、无固定装置型、固定法兰型、活动法兰型、角型)、铠装、多点型、微型、薄膜型、表面型、浸入型、测气流温度型(屏罩型、抽气型)等基本类型。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1998年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。
必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。
因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
热电偶传感器测温系统的设计应用
下面介绍一个典型的单片机控制的测温系统,它由三大部分组成:
(1)测量放大电路;
(2)A/D转换电路;(3)显示电路。
它广泛应用于发电厂、化工厂的测温及温度控制系统中。
1、硬件设计
(1)热电偶温度传感器
本系统使用镍铬—镍硅热电偶,被测温度范围为0~655℃,冷端补偿采用补偿电桥法,采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。
不平衡电桥由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、Rcu(铜丝绕制)四桥臂和桥路稳压源组成,串联在热电偶回路中。
Rcu与热电偶冷端同处于±0℃,而R1=R2=R3=1Ω,桥路电源电压为4V,由稳压电源供电,Rs为限流电阻,其阻值因热电偶不同而不同,电桥通常取在20℃时平衡,这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=Rcu,a、b端无输出。
当冷端温度偏离20℃时,例如升高时,Rcu增大,而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。
Uab与热电势减小量相等,Uab与热电势迭加后输出电势则保持不变,从而达到了冷端补偿的自动完成。
(2)测量放大电路
实际电路中,从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏(<30mV),且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰,对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗,因此宜采用测量放大电路。
测量放大器又称数据放大器、仪表放大器和桥路放大器,它的输入阻抗高,易于与各种信号源匹配,而它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小,并且温漂较小。
由于时间温漂小,因而测量放大器的稳定性好。
由三运放组成测量放大器,差动输入端R1和R2分别接到A1和A2的同相端。
输入阻抗很高,采用对称电路结构,而且被测信号直接加到输入端,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。
A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。
测量放大器的放大倍数为:
AV=V0/(V2-V1),AV=Rf/R(1(Rf1Rf2)/RW)。
在此电路中,只要运放A1和A2性能对称(主要指输入阻抗和电压增益),其漂移将大大减小,具有高输入阻抗和共模抑制比,对微小的差模电压很敏感,适宜于测量远距离传输过来的信号,因而十分易于与微小输出的传感器配合使用。
RW是用来调整放大倍数的外接电阻,在此用多圈电位器。
实际电路中A1、A2采用低漂移高精度运放OP-07芯片,其输入失调电压温漂αVIOS和输入失调电流温漂αIIOS都很小,OP-07采用超高工艺和“齐纳微调”技术,使其VIOS、IIOS、αVIOS和αIIOS都很小,广泛应用于稳定积分、精密加法、比校检波和微弱信号的精密放大等。
OP-07要求双电源供电,使用温度范围0~70℃,一般不需调零,如果需要调零可采用RW进行调整。
A3采用741芯片,它要求双电源供电,供电范围为±(3~18)V,典型供电为±15V,一般应大于或等于±5V,其内部含有补偿电容,不需外接补偿电容。
(3)A/D(模数)转换电路
经过测量放大器放大后的电压信号,其电压范围为0~5V,此信号为模拟信号,计算机无法接受,故必须进行A/D转换。
实际电路中,选用ICL7109芯片。
ICL7109是一种高精度、低噪声"kyb'/;、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。
由于目前12位逐次逼近式A/D转换器价格较高,因此在要求速度不太高的场合,如用于称重测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时,可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。
ICL7109主要有如下特性:
(1)高精度(精确到1/212=1/4096);
(2)低噪声(典型值为15μVP-P);(3)低漂移(<1μV/℃);(4)高输入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(<20mW);(6)转换速度最快达30次/秒,当采用3.58MHz晶振作振源时,速度为7.5次/秒;(7)片内带有振荡器,外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路;(8)12位二进制输出,同时还有一位极性位和一位溢出位输出;(9)输出与TTL兼容,以字节方式(分高低字节)三态输出,并且具有VART挂钩方式,可以用简单的并行或串行口接到微处理系统;(10)可用RVNHOLD(运行/保持)和STATUS(状态)信号监视和控制转换定时;(11)所有输入端都有抗静电保护电路。
ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器,同时可以很方便地与各种微处理器直接连接,而无需外部加额外的锁存器。
ICL7109有两种接口方式,一种是直接接口,另一种是挂钩接口。
在直接接口方式中,当ICL7109转换结束时,由STATUS发出转换结束指令到单片机,单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。
在挂钩接口方式时,ICL7109提供工业标准的数据交换模式,适用于远距离的数据采集系统。
ICL7109为40线双列直插式封装,各引脚功能参考相关文献。
(4)ICL7109与89C51的接口
本系统采用直接接口方式,7109的MODE端接地,使7109工作于直接输出方式。
振荡器选择端(即OS端,24脚)接地,则7109的时钟振荡器以晶体振荡器工作,内部时钟等于58分频后的振荡器频率,外接晶体为6MHz,则时钟频率=6MHz/58=103kHz。
积分时间=2048×时间周期=20ms,与50Hz电源周期相同。
积分时间为电源周期的整数倍,可抑制50Hz的串模干扰。
在模拟输入信号较小时,如0~0.5伏时,自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍,以减小噪声,CAZ的值越大,噪声越小,如果CINT选为0.15μF,则CAZ=2CINT=0.33μF。
由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0~5V,这时噪声的影响不是主要的,可把积分电容CINT选大一些,使CINT=2CAZ,选CINT=0.33μF,CAZ=0.15μF,通常CINT和CAZ可在0.1μF至1μF间选择。
积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20μA、输入电压=4.096V时,RINT=200kΩ),此时基准电压VRI和V-RI之间为2V,由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。
本电路中,CE/LOAD引脚接地,使芯片一直处于有效状态。
RUN/HOLD(运行/保持)引脚接5V,使A/D转换连续进行。
A/D转换正在进行时,STATUS引脚输出高电平,STATUS引脚降为低电平时,由P2.6输出低电平信号到ICL7109的HBEN,读高4位数据、极性和溢出位;由P2.7输出低电平信号到LBEN,读低8位数据。
本系统中尽管CE/LOAD接地,RUN/HOLD接5V,A/D转换连续进行,然而如果89C51不查询P1.0引脚,那么就不会给出HBEN、LBEN信号,A/D转换的结果不会出现在数据总线D0~D7上。
不需要采集数据时,不会影响89C51的工作,因此这种方法可简化设计,节省硬件和软件。
(5)显示电路
采用3位LED数码管显示器,数码管的段控用P1口输出,位控由P3.0、P3.1、P3.2控制。
7407是6位的驱动门,它是一个集电极开路门,当输入为“0”时输出为“0”;输入为“1”时输出断开,须接上位电路。
共用两片7407,分别作为段控和位控的驱动。
数码管选共阳极接法,当位控为“1”时,该数码管选通,动态显示用软件完成,节省硬件开销。
2、软件设计
ICL模块:
从A/D转换器读取结果的模块,它连续读3次,读出3个结果分别存放于内部30H~35H单元(双字节存放)。
WAVE数字滤波模块:
它是将ICL模块输出的3个结果排序,取中间的数作为选用的测量值。
此模块可以避免因电路偶然波动而引起的脉冲量的干扰,使显示数据平稳。
MODIFY模块:
它是补偿热电偶冷端器25℃时的量值,相当于仪表中的零点调到25℃,称此模块为零点校正模块(此温度为室温)。
YA查表模块:
它是核心模块。
表格数据是按一定规律增长的数据(0~655℃),表格中电压值与温度值一一对应,表格中的电压值是热电偶输出信号乘以放大倍数(150)以后的结果,变成十六进制数进行存放,低位在前,高位在后,因而它的数据地址可以代表温度值,用查找的内容的地址减去表格首地址0270H后再除以2(双字节存放)即为温度值。
此数据为十六进制数还需进行二十进制转换(CLEAN),再送显示器显示。
查表法:
采用二分查找法,DP先找对半值(MIDDLE)同转换数据比较(COMPARE),看属哪一半,修改表格上下限值,再进行对半比较,经过若干次后,直到找到数据为止,如果找不到,也就是说被转换数据介于表格中两相邻值之间,则再调用取近值模块(NEAR),选择与被转换数据接近的那个数据作为查找到的数据,然后调用温度值模块(FIND),整个查表模块就完成了从输入到输出的变化。
DIR:
采用动态3位显示,显示时间由实验测定,各模块设计完成后要进行测试,尽量使其内聚性强、模块间耦合性强,并采用数据耦合。
1.3热电偶的正确使用
正确使用热电偶不但可以准确得到温度的数值,保证产品合格,而且还可节省热电偶的材料消耗,既节省资金又能保证产品质量。
安装不正确,热导率和时间滞后等误差,它们是热电偶在使用中的主要误差。
1、安装不当引入的误差
如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等,换句话说,热电偶不应装在太靠近门和加热的地方,插入的深度至少应为保护管直径的8~10倍;热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入,因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性;热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃;热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场,所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差;热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内,当用热电偶测量管内气体温度时,必须使热电偶逆着流速方向安装,而且充分与气体接触。
2、绝缘变差而引入的误差
如热电偶绝缘了,保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良,在高温下更为严重,这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰,由此引起的误差有时可达上XX。
3、热惰性引入的误差
由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化,在进行快速测量时这种影响尤为突出。
所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。
测温环境许可时,甚至可将保护管取去。
由于存在测量滞后,用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。
测量滞后越大,热电偶波动的振幅就越小,与实际炉温的差别也就越大。
当用时间常数大的热电偶测温或控温时,仪表显示的温度虽然波动很小,但实际炉温的波动可能很大。
为了准确的测量温度,应当选择时间常数小的热电偶。
时间常数与传热系数成反比,与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比,如要减小时间常数,除增加传热系数以外,最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。
使用中,通常采用导热性能好的材料,管壁薄、内径小的保护套管。
在较精密的温度测量中,使用无保护套管的裸丝热电偶,但热电偶容易损坏,应及时校正及更换。
4、热阻误差
高温时,如保护管上有一层煤灰,尘埃附在上面,则热阻增加,阻碍热的传导,这时温度示值比被测温度的真值低。
因此,应保持热电偶保护管外部的清洁,以减小误差。
第二章系统元件介绍
2.1LED介绍
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电能转化为光能。
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附着在一个支架上,是负极,另一端连接电源的正极,整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
而光的波长(光的颜色),是由形成P-N结材料决定的。
LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。
据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。
白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可超过150lm/W(2010年)。
将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比,结果显示:
普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/W,寿命小于8000小时,T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W,寿命可大于100000小时。
有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。
然而,LED灯的工作原理使得在大功率LED照明行业里散热问题变得非常突出,许多LED照明方案不够重视散热,或者是技术水平有限,所以目前量产的大功率LED灯普遍存在实际使用寿命远远不如理论值,性价比低于传统灯具的尴尬情况。
为了提高LED灯具的使用寿命,真正做到适合商业化的量产,LED照明行业正在独立或者和专业的导热材料供应商合作加紧研制新型导热材料,比如导热塑料等等。
大功率LED,一般指大于0.65W,这一点不同公司内部也会有不同的标准,因为目前在大功率LED领域还没有形成大家一致认可的行业标准。
光强与流明比小功率大,但同样散热也很大,现在大功率大多是单颗应用,加上有效散热面积很大的散热片,也出现了集成在一起的LED灯矩阵,但是散热效果不是很好。
小功率一般是0.06W左右的。
现在LED手电一般是用小功率用的,光散不散,取决于LED的发光角度,有大角度小角度之分,小角度不散,大角度才散。
市面上的手电筒一般是用草帽头做的。
效果很好。
现在就担心有些厂家不重质量,拿的次品LED做电筒,用不了多久就有死灯。
LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高,没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的,如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的,只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片.如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了,亮度相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有.
⑴LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。
此外,在一定条件下,它还具有发光特性。
在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。
假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即
λ≈1240/Eg(nm)
式中Eg的单位为电子伏特(eV)。
若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。
⑵LED重要参数
1.正向工作电流If:
它是指发光二极体正常发光时的正向电流值。
在实际使用中应根据需要选择IF在0.6•IFm以下。
2.正向工作电压VF:
参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。
一般是在IF=20mA时测得的。
发光二极体正向工作电压VF在1.4~3V。
在外界温度升高时,VF将下降。
3.V-I特性:
发光二极体的电压与电流的关系,在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。
当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。
4.发光强度IV:
发光二极体的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。
若在该方向上辐射强度
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