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张佩涛论文
典型航空仪表的分析及维修方案
摘要
本论文主要阐述了飞机上的各种航空仪表及其相关系统的组成、原理及功用,航空仪表是用来测量飞行数据并准确显示,使飞行员能及时得到飞行数据,确保飞机的安全飞行。
论文中分别具体阐述了大气数据仪表、全静压系统、大气数据计算机、飞行数据记录器、陀螺及陀螺特性、航向系统等。
本论文充分利用了各种示图的方法,更加有效直观的了解航空仪表,有利于航空仪表的进一步认识。
关键词:
航空仪表;全飞行;航向;示图
Abstract:
Thecaptionmainlyexpoundstheplaneonthevariousaircraftinstrumentsandrelevantsystemofcomponentfunctionandprinciple,Aviationmeterisusedformeasuringtheflightdataandaccuratelydisplay,itisapilotcangetthetimelyflightdatafromflightsafety.Makesuretheshuttle'sPaperexpoundedrespectivelyatmosphericdatainstruments,allthehydrostaticsystem,atmosphericdatacomputer,flightrecorders,gyroscopeandgyrocharacteristics,coursesystem,etc.Thisthesismakesfulluseofvariousdiagramsofmethod,moreeffectiveintuitionistknowledgeaircraftinstruments,behelpfulforbetterunderstandingoftheaircraftinstruments.
Keywords:
Aircraftinstruments;lightsafety;heading;Diagramsof
第一章引言
1.1航空仪表简介及分类
航空仪表是为飞行人员提供有关飞行器及其分系统信息的设备。
飞行器仪表与各种控制器一起形成-机接口,使飞行人员能按飞行计划操纵飞行器。
仪表提供的信息既是飞行人员操纵飞行器的依据,同时又反映出飞行器被操纵的结果。
航空仪表是飞机上全部仪表的总和,它的种类繁多,分别用来测量或计算飞机在运动状态中的各种飞行参数,以及飞机发动机和其他一些设备的工作状态参数。
随着航空事业的飞速发展,飞机的飞行速度、飞行高度和气象标准的提高,使飞机自动化程度越来越高。
而且在飞行中飞行员需要不断地了解飞机的飞行状态、发动机的工作状态和其他分系统如座舱环境系统、电源系统等的工作状况,以便按飞行计划操纵飞机完成飞行任务;各类自动控制系统需要检测控制信息以便实现自动控制。
这些信息都是由航空仪表以及相应的传感器和显示系统提供的。
飞机要测量的参数很多,归纳起来可以分为飞行参数、发动机参数和系统状态参数(如座舱环境参数、飞行员生理参数、飞行员生命保障系统参数等)。
与之相应,航空仪表按功用可分为飞行仪表、发动机仪表和系统状态仪表等。
同一个参数的测量原理和测量方法也很多,几乎涉及机械、电气、电子、无线电、光学等领域,本文概要介绍一些重要参数的测量原理这类仪表反映飞机运动状态和飞行参数,使驾驶员能正确地驾驶飞机。
主要可分为全静压系统仪表、指示飞行姿态和航向的仪表等
航空仪表安功用分为:
驶领航仪表、发动机仪表、其它设备仪表。
1.1.1驾驶领航仪表
驾驶领航仪表又称飞行仪表,用来反映或调节飞机运动状态的仪表,一般分为:
大气数据、姿态、航向仪表、自动飞行系统等,其中包括:
高度表、空速表、地平仪、磁罗盘、陀螺半罗盘、陀螺磁罗盘、罗盘系统、惯性导航系统、自动飞行系统等。
1.1.2发动机仪表
发动机仪表是用来检查或调节飞机动力装置的仪表其中包括:
燃油(滑油)压力表、推力表、温度表、转速表、油量表、振动指示器等。
1.1.3其它设备仪表
其它设备仪表又称辅助仪表,用来检查液压、冷气、氧气、座舱增压系统等其它设备工作状态的仪表,其中包括:
弹簧管压力表、指位表、座舱高度表、时钟等。
1.2发展历程
航空仪表的发展与科学技术和飞机的发展是分不开的。
在被世纪飞机刚问世时,因本身结构简单,飞行高度和速度都很低,机上没有航空仪表。
后来,随着飞行时间和飞行距离的增加,才开始安装时钟、航速计和指南针等简陋的仪表设备。
随着航空事业的发展,飞机上开始安装速度表、高度表、磁罗盘、发动机转速表和滑油压力表的等。
到了30年代,为使飞机能在云中或夜间飞行,又增添了升降速度表、转弯侧滑仪、陀螺地平仪和陀螺方向仪等飞行仪表。
整体上看,我们将航空仪表的发展分为五个阶段。
1.2.1机械仪表阶段
这个阶段是仪表的初创时期,多数仪表为单位整体直读式结构,即传感器和指示器组装在一起的单一参数测量仪表。
表内敏感元件,信号传送和指示部分均为机械结构。
这种表的最大优点是结构简单、工作可靠、成本低廉,至今仍有不少机型在使用。
它的缺点是因推动指针移动的能量来自敏感元件的信号源,能量很小,所以表的灵敏度较低,指示误差较大。
随着飞机性能的不断提高和使用范围的日益增大,需要测量的参数也越来越多,精度越来越高,机械式仪表早已不能满足航空发展的需要。
1.2.2电气仪表阶段
从30年代起,航空仪表已由机械化逐步走向电气化,发展成电气仪表,如远读磁罗盘,远读地平仪,热电偶温度,压力表和油量表等。
所谓“远读”,是指仪表传感器和指示器没有组装在同一个表肯内,他们之间的工作关系是通过电信息传递来实现的,因相距较远,故称为远读。
用电气传输代替机械传动,可以提高仪表的反应速度、准确程度和传输距离。
减小仪表体积,改变了因仪表数量增多而出现的仪表板拥挤状况。
另外,一些表的敏感元件因远离驾驶舱,减少了干扰,提高了敏感元件的测量精度。
当然,远读式也带来了一些缺点,使整套仪表结构复杂、部件增多、重量增加、工作可靠性降低。
1.2.3机电式伺服仪表阶段
为提高仪表的灵敏度和精度,40年代后出现了能够自动调节的小功率伺服系统仪表,即机电式伺服仪表。
对仪表信号,采用伺服系统方式来传送,信号能量得到放大,提高了仪表的指示精度和负载能力,可以实现一个传感器带动几个指示器,有利于仪表的综合化和自动化。
目前大多数航空仪表均采用伺服系统来传递各种信号。
1.2.4综合指示仪表阶段
40年代后,由于飞机行能迅速提高,各种系统设备日益增多,所需指示和监控仪表大量增加,有的飞机上已多达上百种,仪表和座舱无法安装,驾驶员也目不暇接,眼花缭乱。
另外,飞机的飞行速度和机动性能的提高,又使驾驶员观察仪表的时间相对缩短,容易出错。
因此把功能相同或相关的仪表指示器有机地组合在一起,形成统一指示的综合仪表,已成为航空仪表发展的必然趋势。
1.2.5电子显示仪表阶段
随着电子技术的迅速发展,60年代开始出现电子屏幕显示仪表,逐步在取代指针式机电仪表,使仪表结构进入革新的年代。
到70年代中期,电子显示仪表又进一步向综合化、数字化、标准化和多功能方向发展,并出现了高度综合又相互补充、交换显示的综合电子显示系列。
驾驶员可以通过控制板对飞机进行控制和安全监督,初步实现了人—机“对话”。
目前,座舱仪表、惯性导航系统、大气数据系统、自动飞行控制系统、性能管理系统和飞机管理系统等已成为重要的航空电子。
在一些先进机型的驾驶舱,主要仪表的现实部分已广泛采用衍射平视仪和彩色多功能显示器。
第二章大气数据仪表
大气数据仪表是指飞行仪表中的高度表、升降速度表、空速表、马赫数表、和温度指示器等。
目前,大气数据仪表在结构上有分立式、组合式和系统式等多种形式。
上述仪表之所以称之为大气数据仪表,是因为这些仪表不能直接测量出飞机所学要的飞行参数,而是通过测量飞机与大气之间的作用力及飞机所在位置的大气参数再根据大气参数与飞机飞行参数的特定关系进行换算,才能在相应的仪表上指示出所需要的飞行参数。
所以把这样的一些仪表叫做大气数据仪表。
用大气数据系统的一些转换成相应的电信号,再送到相应的仪表分别指示飞机的飞行参数。
2.1气压式高度表
2.1.1大气温度、高度和压强理论关系
大气温度、高度和压强关系
气体的密度(ρ)、温度(T)和压强(Ρ)是说明气体状态的主要参数,三者之间不是独立的,而是相互联系的。
对于理想气体,其状态方程为
Ρ=ρRT
式中Ρ压强,Pa
ρ密度,kg/m3
R气体常数,空气为287.05287J/(kg*K)
T温度,K。
在平流层内,气温不随高度变化,T等于-56.5°C(或216.5K)
H-P关系(对流层、平流层):
当H上升时T下降ρ下降,同时,当H上升P下降如图2-1所示。
图2-1高度、温度和压强的关系图
2.1.3气压式高度表的原理和组成
(1)气压式高度表是根据标准大气条件下高度与静压的对应关系,利用真空膜盒测静压,从而表示飞行高度。
(2)气压式高度表由真空膜盒组、传动机构、指示部分、表壳和气压调整机构的组成(如图2-2所示),当高度改变时,气压也改变,真空膜盒膨胀或收缩,经过传动机构中的连杆、转轴、扇形齿轮、增速齿轮使长指针转动;长指针转动的同时,又经过一套减速齿轮使短指针转动。
长、短指针协调工作,指示出相应的高度。
图2-2气压式高度表的结构
2.1.2气压式高度表的功用
气压式高度表是用来测量相对高度、标准气压高度、绝对高度或海压高度(如图2-3所示)。
图2-3飞行高度种类图
飞机的飞行高度是飞机在空中距某一个基准面的垂直距离。
测量飞机高度的基准面不同,得出来的飞行高度也不同。
飞机在飞行中使用的飞行高度有四种:
相对高度、真实高度、绝对高度、标准气压高度。
相对高度是飞机到某一机场场面的距离,真实高度是飞机到正下方地面的距离,绝对高度是飞机到平均海平面的距离,标准气压高度是飞机到标准气压平面的距离。
2.2升降速度表
飞机在飞行中,有事飞行高度会发生变化,例如飞机爬高或下降就是高度变化典型例子。
飞机在单位时间内高度的变化量,叫做升降速率或叫做升降速度。
升降速度表就是测量飞机升降速度的仪表。
2.2.1升降速度表的工作原理
当飞机高度变化时,大气压力也随着变化,因此,测量气压变化的快慢,就能表示飞机上升或下降的垂直速度即升降速度。
升降速度表基本原理参见图2-4,根据飞机升降速度与气压变化率的对应关系,利用毛细管把压力变化率转变为开口膜盒内外压力差,从而测量升降速度。
飞机平飞,膜盒内外没有压力差,仪表指示为零;飞机下降,由于毛细管阻滞作用,膜盒外压力小于内压力,指示上升;飞机由上升改为平飞时,表壳中的空气逐渐向外流动,指针逐渐回零。
飞机上升时,相反。
图2-4升降速度表的基本原理
2.2.2升降速度表的功用
升降速度表除了用来测量飞机升降速度之外,因为它的指示很灵敏,所以还能够反映出微小的高度变化,因此根据它是否指示在“0”位能准确地判断出飞机是否保持平飞状态,作为地平仪的辅助仪表。
如果它指示在“0”,说明飞机在平飞状态,指示“0”以上,说明飞机在上升;指示“0”以下,说明飞机在下降。
2.2.3升降速度表的组成
升降速度表由毛细管、开口膜盒、传动部分、指示部分、和调整部分组成(如图2-5所示)。
升降速度表属于测量相对压力表示飞机升降速度的机械仪表,因此,在结构上有一些地方与同类的机械仪表有相似的地方,例如都有膜盒、机械传送机构等。
它也有自己的一些特点,例如他的开口膜盒非常灵敏;刻度盘分为上下对称的两部分,;传送部分中有轴向平行式拨杆机构或弹簧片。
图2-5升降速度表组成结构
2.3空速表
飞机相对于空气的运动速度叫做空速。
空速表是测量飞机空速的仪表,它是重要的飞行仪表之一。
空速是重要的飞行参数之一。
飞行员根据空速的大小可判断作用在飞机上的空气动力情况,以便正确的操作飞机。
另外,根据空速、风速、风向还可以计算地速。
由地速和飞行时间计算出飞行距离。
飞机的飞行速度有真空速、指示空速和地速。
2.3.2空速表的工作原理
2.3.2.1测量真空速的原理
测量真空速的原理:
如图2-6所示,测量真空速的原理是根据真空速与动压、静压、气温的关系,要求真空表的指示随动压的增大而增大,随静压的减小而增大,随气温的降低而减小来工作,只要仪表的指示能按照上述关系而变化,便可准确地指示出飞机的真空速。
所以,测量真空速的仪表需要三个感受部分,分别感受动压、静压和气温。
并将它们的输出通过传送机构共同控制仪表的指示。
图2-6通过感受动压、静压、气温测量真空速的原理
(2)测量指示空速的原理:
指示空速是根据海平面标准大气条件下,空速与动压的关系,利用开口膜盒测动压,从而表示指示空速。
2.3.3空速表的组成
空速表由开口膜盒、传动部分、指示部分、和表壳组成(如图2-7所示)。
图2-7空速表的基本结构
2.4马赫数表
马赫数M是真空速与飞机所在高度的音速之比。
飞机在高空飞行时,当飞机速度超过临界M数时,飞机的空气动力特性要发生显著的变化,飞机的安全性、操纵性出现一系列特点。
马和数表利用一个开口膜盒感受动压,利用真空膜盒感受静压,指针的指示安马赫数与动压、静压的关系式所表示的关系,随动压的增大而增大,随静压的增大而减小工作的。
根据M和动压、静压的关系,利用开口膜盒测动压、真空膜盒测静压,从而间接表示M。
马赫数表由开口膜盒、传动部分、指示部分、和表壳组成(如图2-8所示)。
其结构与空速表的真空速部分大致相同,但是二者测量的依据是不一样的。
原理上的不同反映到结构上区别有①从理论上说,M数表与真空速表的真空膜盒的特性曲线是不相同的。
在标准条件下的对流层中,高度增加时,气温降低,但M的测量原理与气温无关,而真空速则与气温有关(气温降低,空速将减小)所以在动压保持不变的条件下,按相同的数值减小静压时,M数比真空速增大的要多一些。
②M数表没有气温方法误差,而真空速则有气温方法误差,因为M数与气温无关。
图2-8马赫数表结构
2.5温度指示器
温度指示器一般有全温表和静温表,全温表是用于显示空气全温探头所感受的空气全受阻温度,静温表用于显示大气数据计算机系统计算出来的空气静温。
2.5.1全温表的工作原理
空气全温在三位数字鼓轮计数器上读出。
指示器发生故障时,一个黄色的断开故障警告旗便在表盘一个窗口出现。
指示器的输入是从全受阻温度探头的电阻,该电阻随着全温变化而改变。
仪表将电阻的变化转化为温度显示出来。
该表的伺服系统使计器随着来自全温探头的输入信号而变化为计数器提供连续变化的全受阻温度显示。
2.5.2静温表的工作原理
静温表在四位数字的鼓轮计算器上读出,计数器左边两个鼓轮显示零上温度,右边两个鼓轮显示零下温度。
正在显示的温度的标志把不用的另一对鼓轮遮盖住。
当系统或指示器发生故障时,一个黄色的断开故障警告旗把读出计数器遮盖住。
静温表的输入信号时一个模拟电压,它是由大气数据计算机运算放大器提供的。
经该表的伺服系统使鼓轮计数器随大气数据计算机来的直流模拟输入信号变化,这样,静温表便可显示出连续变化的静温。
第三章全静压系统
全静压系统可用来收集气流的全压和静压,并把它们输送给需要全压、静压的仪表及其有关设备。
全静压系统一般由全静压管(也称空速管)、应急全压管、应急静压孔、转换开关、沉淀槽盒导管等组成。
3.1全静压管
全静压管是用来在飞行中收集气流的全压和静压的。
全静压管收集的全压和静压经过导管输送给全静压系统仪表及有关设备,保证这些仪表和设备的工作。
全静压管主要由全压部分、静压部分、加温装置等组成。
全压部分用来收集气流的全压。
全压口位于全静压管的头部正对气流方向。
空气流至全压口时,完全受阻,流速为零,因而得到气流的全压。
全压经全压室、全压接头盒全压导管进入仪表。
全压室下部有排水孔,全压室中凝结的水,可由排水孔漏掉。
静压部分用来收集气流的静压。
静压孔位于全静压管周围没有紊流的地方。
静压经静压室、静压接头盒静压导管进入仪表。
全静压管是一流线型的管子,表面十分光滑,其目的是减少对气流的扰动,以便准确地收集静压。
加温部分用来给全静压管加温。
加温电阻通电时,能使全静压内部保持一定的温度,防止气流中的水气因气温降低而在全静压管内结冰,影响全静压管和有关仪表及设备的正常工作。
3.2应急全静压管和应急静压孔
在某飞机上除装有全静压管以外,还装有应急全压管和应急静压孔。
当全静压管一旦失效时,应急全静压管和应急静压孔仍能分别哦供给有关仪表设备的全压和静压,保证其正常工作,
应急全压管一般装在气流平稳能正确收集全压的地方,例如有的飞机装在机身前段的右上方。
应急全压管包括全压部分和加温部分等。
应急静压孔一般选在机身表面没有紊流的地方。
如有的飞机有两个应急静压孔,它们处在机身下面并对称于飞机的对称面。
对两个应急静压孔是为了减小飞行姿态变化时可能出现的误差。
3.3沉淀槽、转换开关和导管
3.3.1沉淀槽
为保证系统管路通畅,在全静压管路和应急全压管路中各装有一个沉淀槽,沉淀槽是将进入管路中的水分灰尘的沉积在此处,以防管路堵塞或水分进入仪表及设备而造成指示或工作不正常。
有些飞机装的沉淀槽构造是:
上部是铝制接头,下部是一个透明的杯体,如有积水,杯内的浮子浮起,便于维护中查看,及时排掉积水。
3.3.2转换开关
全静压管与应急全静压管之间的转换由转换开关控制。
转换开关实质上是一个可以人工控制的三角接头。
在正常情况下,它使全静压管与有关仪表设备相同,而把同应急全压管和应急静压孔德管路关闭;一旦全静压管不正常工作时,可将转换开关人工地转到备用位置。
此时,便将应急全压管和应急静压孔与有关仪表设备连通,而把全静压管的管路关闭。
平时开关与柄放在“工作”(正常)位置,管路与全静压管相通。
当全静压管失效时,将开关手柄转到“应急”位置,管路便于应急全压管相通。
3.3.3导管
全静压、应急全压管、应急静压孔感受到的全压和静压,是通过导管传送给有关仪表设备的。
远距传送的管路,一般都采用硬铝管;考虑到便于拆装和保护作用,一般与仪表及其有关设备连接处,都采用橡胶软管。
第四章大气数据计算机
大气数据计算机是一种自动计算设备。
它既可以作为知识仪表,指示出飞机的高度、空速、M数、大气温度等供飞行人员判读;又可作为信号传感器,向自动飞行控制、惯性导航、空中交通管制、高度警戒、近地警告、飞行数据等系统输送信号。
4.1模拟式大气数据计算机
模拟式大气数据计算机采用机电模拟式计算装置,压力传感器均采用伺服式。
一般由伺服式压力传感器、总温传感器、迎角传感器和机电模拟式解算装置。
伺服式静压传感器可直接输出高度和高度变化率;伺服式动压传感器可直接输出指示空速;马赫数、真实空速、大气静温和大气密度的解算通过伺服式解算机构实现。
迎角传感器输出的局部迎角信号(局部受扰动气流处的迎角),经马赫数修正后得到真实迎角,真实迎角信号用作静压源误差修正信号,修正静压源误差。
模拟式大气数据计算机机构复杂,可靠性差;解算机构的误差大;加工装配、调试和维护工作量大;体积、重量和功耗大。
4.2数字式大气数据计算机
数字式大气数据计算机采用微型计算机,压力传感器采用体积小、结构简单、精度高的新型压力传感器,如电容式、压阻式、振膜式等。
数字式大气数据计算机工作时首先由传感器收集总压、静压、总温、迎角各原始参数,然后输入数字计算机内,按照一定的解算方式进行计算和处理,再输送到各设备。
由于全压、静压和迎角传感器处都存在空气扰动,从而会造成测量参数的误差。
其中静压误差会影响到各飞行参数的计算,影响最大,所以要在系统中进行静压源误差校正(SSEC)。
静压源误差和飞机外形、传感器安装位置及马赫数、迎角大小等有关。
为了提高大气数据计算机的适应能力,在它的机壳后装有一个插座,用来连接飞机对应的SSEC、MMO、VMO存储矩阵(或称编排矩阵)。
在不同的飞机上,大气数据计算机插入了相应的常数存储器。
第五章飞行数据记录器
航空法规定,大型商业飞机必须安装飞行数据记录器。
飞行数据记录器(FDR)会自动记录飞行中最近25小时的主要参数,供飞行事故分析和飞机状态监控用。
包括航班号/日期、飞行高度、空速、航向、垂直加速度、发动机参数及其他状态参数等。
在飞行开始时利用发动机燃油压力和空速信号等自动工作,落地后自动停止。
飞行数据记录器在利用发动机燃油压力和空速信号在飞机飞行开始时自动工作,飞机落地后自动停止。
来自各个不同系统和传感器的模拟和数字信号首先送到位于电子舱里的数字式飞行数据采集组件,并将模拟信号变成固定格式的数字信号,经数据处理后传送给位于后客舱顶部的飞行数据记录器,记录器将其记录在固态存储器上;在驾驶舱内有一个测试开关,地面人员利用它可以对飞行数据记录器的工作状态进行测试。
第六章航向系统
由两个以上不同原理的罗盘所组成的测量航向的系统,叫做航向系统或罗盘系统。
它可以将飞机的航向以目视信号形式反应映给飞行人员,也可将飞机对方的航向以其他信号形式(如电信号)输送给自动驾驶仪、自动领航仪等自动化设备。
6.1航向系统的功用
飞机上测量航向的仪表,由单一的罗盘发展到诸罗盘综合的航向系统,是有一个过程的,是和飞机战术性能的不断提高密切联系着的。
飞机的飞行速度越快,要求罗盘测出的航向越准确。
否则,就会差之毫厘,失之千里。
飞机的航程越远,不仅要求罗盘在某一地区能测出航向,而且要求罗盘在地球各处均能测出航向。
但是,各种单一的罗盘,很难满足这种要求。
例如:
磁罗盘在高纬度地区和强磁区就很难准确地测出航向,甚至根本不能使用。
6.2航向系统的基本组成
航向系统主要由航向传感器、航向信号转化机构、指示器、操纵台、放大器和无线电罗盘等组成。
航向传感器的作用是测量飞机的航向。
在航向系统中,一般有三种航向传感器:
一种是磁传感器;另一种是天文航向传感器(即天文罗盘的航向传感器);再一种是陀螺航向传感器(实质是以个陀螺半罗盘)。
为了消除陀螺航向器的误差,航向系统还与地垂直陀螺仪和常数式角速度传感器连接。
航向信号转换机的主要作用是,把各航向传感器输出给航向信号加以转换,然后输送给指示器或其他部件中。
指示器的作用是,将航向系统测出的航向信号,以目视的形式反映给飞行员。
操纵台的作用是,转换航向系统的工作状态,并向陀螺航向传感器输送给方位修正信号,以及操纵陀螺航向传感器中随动系统的协调速度等。
放大器的作用是,放大航向系统中各种需要放大的信号。
航向系统各部分的联系都是通过随动系统来实现的,各随动系统的信号,主要由放大器进行功率放大的。
在航向系统中,无线电罗盘的工作室独立的,它的指示器装在航向系统的指示器中,以便配合使用。
6.3航向
航向分为真航向、磁航向、罗航向,真航向是真经线与飞机纵轴在水平面上的夹角;磁航向是磁经线与飞机纵轴在水平面上的夹角;罗航向是罗经线与飞机纵轴在水平面上的夹角。
6.4直读式磁罗盘
直读式磁罗盘利用自由旋转的磁条跟踪罗经线的特性来指示飞机的罗航向。
由罗牌、罗盘油、外壳和航向标线、罗差修正器等组成。
罗牌是敏感部分(保持水平,重心通常偏在支点的南面)。
罗盘油用于增加阻尼和减小罗牌对轴承的压力。
罗差修正器用于抵消飞机磁场影响,减小罗差。
6.5航向系统怎样指示航向
陀螺半罗盘能够长时间地稳定基准线,磁罗盘和天文罗盘能够较准确
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