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文檔簡介

1、超聲波傳感器概述姓名:韓旭學(xué)號(hào):131221047班級(jí):13級(jí)電氣(三)班摘要:人能聽見聲音的頻率為20HZ-20KHZ,即為可聽聲波,20HZ以下的聲音稱為次聲波,超出20KHZ以上的聲波為超聲波。超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳輸及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中,對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量,保障生產(chǎn)和設(shè)備安全運(yùn)作,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率具有潛在能力。因此,我國對(duì)超聲技術(shù)和超聲波傳感器的研究十分活躍。參考文獻(xiàn):現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)林玉池、曾周末主編-北京:機(jī)械工業(yè)出版社2009.6 I版工業(yè)常用傳感器選型指南曲波、肖勝兵、呂建平編著北京:清華大學(xué)出版社.I

2、版生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)(加拿大)Iniewski等著:陳星、劉清君、王平譯北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2014.9一、聲波的多普勒效應(yīng)當(dāng)聲波和觀察者(或聲波接收器)在連續(xù)介質(zhì)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)是觀察者接收到聲波頻率與聲源發(fā)生的頻率不同,兩者靠近時(shí)頻率升高,遠(yuǎn)離時(shí)頻率降低,這種現(xiàn)象稱為聲音的多普勒效應(yīng)。當(dāng)聲源和觀測(cè)者分別以速度Vs和Vo運(yùn)動(dòng)時(shí),并且運(yùn)動(dòng)方向在同一條直線上,則觀察者接收到的聲波頻率為f為.f=(VVo/-VVs)*f1式中,f1為聲源振動(dòng)頻率;V為介質(zhì)中的聲速;當(dāng)觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí),Vo取“+”,反之取“”;聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí),Vs取“”,反之取“+”。利用聲波的多普勒效應(yīng)可以制成超聲波傳感器,

3、用以檢查人體活動(dòng)器官(如心臟,血管)的活動(dòng)等。二、超聲波與超聲波傳感器2.1超聲波的特性超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波,它的方向性好,穿透能力強(qiáng),易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠(yuǎn),可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名??茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率,它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz-20000Hz。因此,我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1兆赫茲-30兆赫茲。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振

4、動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大.在中國北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi),就可以增加室內(nèi)空氣濕度,這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位,利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎,從而減緩病痛,達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛,可以對(duì)物品進(jìn)行殺菌消毒。2.1.1超聲波的基本特性超聲波具有以下四個(gè)基本特性: 射特性:超聲波波長段,發(fā)散性能較弱

5、,可以近似集中成一束射線; 吸收特性:超聲波在空氣、液體和固體中均會(huì)被吸收。空氣中的吸收最強(qiáng)烈,固體中的吸收微弱; 高功率:由于頻率高,超聲波的功率比聲波大得多,它不僅能使所通過的介質(zhì)產(chǎn)生急速運(yùn)動(dòng),甚至?xí)茐钠浞肿咏Y(jié)構(gòu);聲壓作用:超聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用,這種由于聲波振動(dòng)引起的附加壓力現(xiàn)象叫聲壓現(xiàn)象。2.1.2超聲波在介質(zhì)中傳輸導(dǎo)致的效應(yīng)上述基本特性使超聲波在媒體中產(chǎn)生如下效應(yīng):機(jī)械效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)和生物學(xué)效應(yīng)。基于以上特性,超聲波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥衛(wèi)生和科學(xué)研究等方面得到廣泛的應(yīng)用。2.1.3超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換超聲波的波型、轉(zhuǎn)換方式以及傳輸速度等方面同

6、聲波一致。 波型:由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同,聲波的波型也不同。通常有縱波,能在固體、液體和氣體中傳播;橫波,只能在固體中傳播;表面波,質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形(其長軸垂直于傳播方向,短軸平行于傳播方向),只沿著固體表面?zhèn)鞑?,振幅隨深度增加而迅速衰減的波。 波型轉(zhuǎn)換:當(dāng)縱波以某一角度入射到第二種固體介質(zhì)的界面上時(shí),除有縱波的反射、折射以外,還發(fā)生橫波的反射及折射。在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波,各種波型都符合反射及折射定律。 傳播速度:縱波、橫波以及表面波的傳播速度,取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及密度。由于氣體和液體的剪切模量為零,所以超聲波在氣體和液

7、體中沒有橫波,只能傳播縱波。氣體中的聲速為344m/s,液體中聲速為900-1900m/s;在固體中縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關(guān)系,通??烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一般,表面波聲速約為橫波聲速的90%。2.1.4聲波在介質(zhì)中的衰減特性聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為:Px=Po*e(-ax),Ix=Io*e(-2ax)式中,Px,Ix為平面波在x處的聲壓和聲強(qiáng);Po,Io為平面波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng);a為衰減系數(shù)。聲波能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想的介質(zhì)中聲波的衰減僅僅來自聲波的擴(kuò)散,隨著聲波傳播距離的增加,在單位面積內(nèi)聲

8、能會(huì)減弱。散射衰減指聲波在介質(zhì)的導(dǎo)熱性、黏滯性及彈性滯后等因素造成的,如介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能,吸收隨聲波頻率的升高而增高。因此,衰減系數(shù)a因介質(zhì)材料的性質(zhì)而異,晶粒越粗、頻率越高衰減愈大,衰減系數(shù)往往會(huì)限制最大探測(cè)厚度。2.2超聲波傳感器以超聲波作為檢測(cè)手段,必須有能產(chǎn)生和接收超聲波功能的裝置,這個(gè)人裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器,或超聲波探頭。超聲波傳感器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測(cè)技術(shù)中最常用的是壓電式超聲波探頭。壓電式超聲波傳感器的敏感元件一般用壓電晶體,可發(fā)射和也可接收超聲波。超聲波傳感器因其結(jié)構(gòu)和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探

9、頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。1. 直探頭直探頭有壓電晶片、吸收塊和保護(hù)膜組成,基本結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電晶片多為圓片形,其厚度與超聲波頻率成反比,直徑與半擴(kuò)散角成反比。晶片的兩面鍍有銀層,作為導(dǎo)電極板。為避免晶片磨損,通常黏有硬質(zhì)材料作為保護(hù)膜。吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂和固化劑等澆注,可吸收聲能,降低機(jī)械品質(zhì)因素,從而可限制脈沖寬度、減小盲區(qū)和提高分辨能力。2斜探頭斜探頭可發(fā)射和接收橫波,主要有壓電晶片、吸收塊和斜楔塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖所示。晶片產(chǎn)生縱波,經(jīng)斜楔塊傾斜入射到被檢工件中轉(zhuǎn)換為橫波。若斜楔為有機(jī)玻璃,工件為鋼,斜探頭的入射角在28-61之間時(shí),在鋼中可產(chǎn)生橫波。

10、斜楔塊形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)在使超聲在斜楔塊中傳播時(shí)不得返回晶片,以免出現(xiàn)雜波。斜探頭折射角的正切值稱為斜探頭的K值。斜探頭角度規(guī)格是按K值為簡單數(shù)值而系列化的,如K等于1,1.5,2,2.5,。利用K值在探傷中進(jìn)行缺陷定位、定量計(jì)量十分簡便。3.可變角探頭可變角探頭可以連續(xù)改變?nèi)肷浣牵援a(chǎn)生縱波、橫波、表面波和板波,其結(jié)構(gòu)如圖所示。使用時(shí)可根據(jù)需要調(diào)整角度,以產(chǎn)生不同的波型。4.雙晶探頭雙晶探頭又稱為組合式或分割式探頭。兩塊壓電晶片裝在一個(gè)探頭架內(nèi),一個(gè)晶片發(fā)射,另一個(gè)晶片接受。它們發(fā)射和接受縱波,其結(jié)構(gòu)如圖所示。晶片下的延遲塊(有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂)使聲波延遲一段時(shí)間后射入工件,從而可檢測(cè)近表面缺陷,

11、減小了盲區(qū),并可提高分辨力。兩晶片之間用隔聲層分開,晶片間的傾角通常為3-8。兩晶片聲場(chǎng)的重疊部分是檢測(cè)靈敏度的最高區(qū)域,此區(qū)域一般呈菱形。5.水浸探頭的結(jié)構(gòu)與直探頭相似,但不需要保護(hù)膜。由于結(jié)構(gòu)密封,它可浸在水中探傷,通常用水耦合。其結(jié)構(gòu)如圖所示。6.聚焦探頭聚焦探頭可將超聲波聚焦成細(xì)束(線狀或點(diǎn)狀),在焦點(diǎn)處聲能集中,可提高檢測(cè)靈敏度和分辨力。聚焦探頭發(fā)射縱波,在水浸法探傷中,調(diào)整入射角可在工件中產(chǎn)生橫波、表面波或蘭姆波。超聲波的聚焦有兩種方法,一種將壓電晶片做成凹面,發(fā)射的聲波直接聚焦;另一種是用透鏡的方法將聲束聚焦。實(shí)際上應(yīng)用后一種方法較多。點(diǎn)聚焦探頭靈敏度高,探傷速度慢;線聚焦探頭靈

12、敏度低一些,但增大了掃盲面積。接觸式聚焦探頭已投入使用。主要有三種類型,即球面振子式點(diǎn)聚焦斜探頭、反射式點(diǎn)聚焦斜探頭和透鏡式點(diǎn)聚焦斜探頭。近年來對(duì)探頭的研制發(fā)展很快,目前已能分辨出0.250.15mm板厚的多次反射波。還研制了縱波斜探頭、分隔式斜探頭、頻率可變探頭、多頻探頭、噴水探頭和各種專業(yè)探頭等。在高溫檢測(cè)方面,研制了鈮酸鋰高溫探頭和非接觸式電磁高溫探頭等,可在700下進(jìn)行檢測(cè)。2.3超聲波傳感器的工作原理超聲波能直線傳播,頻率越高,繞線能力越弱,但反射能力越強(qiáng),利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。另外,超聲波在空氣中傳播速度較慢,約為340m/s。超聲波傳感器的敏感元件多用壓電晶體

13、,依據(jù)的原理是壓電效應(yīng)。敏感元件從結(jié)構(gòu)上分為兩種:一種既有發(fā)送元件也有接受元件;另一種敏感元件同時(shí)具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,即為可逆元件。它們構(gòu)成的傳感器分別稱為專用型和兼用型超聲波傳感器。諧振頻率變高,則檢測(cè)距離變短,分解力也變高。壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng),超聲波發(fā)送器就是利用逆壓電效應(yīng)的原理工作的。逆效應(yīng)如圖所示,在壓電元件上施加交變電壓,元件變形,即應(yīng)變。若在圖()所示的已極化的壓電陶瓷上施加圖()所示極性的電壓,外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥,同時(shí),外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用,壓電陶瓷在厚度方向上縮短,在長度方向上伸長。若外部施加電壓的極性變反,如圖()所示那

14、樣,壓電陶瓷在厚度方向上伸長,在長度方向上縮短。這種現(xiàn)象叫電致伸縮。由于敏感元件的伸縮,引起介質(zhì)的振動(dòng),形成聲波。如圖(一)所示是超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它采用雙晶振子,即把雙壓電片以相反極化方向黏在一起,在長度方向上,一片伸長,另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極,分別用引線接到兩個(gè)電極上。雙晶振子為正方形,正方形的左右兩邊有圓弧形凸起部分支撐著,這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子,發(fā)送超聲波時(shí),圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性,高效率地發(fā)送超聲波。接收超聲波是,超聲波的震動(dòng)集中于振子的中心,產(chǎn)生高頻電壓。如圖(二)所示是雙晶振子超聲波傳感器的工作原理示意圖。若在雙晶振子

15、上施加的高頻電壓,根據(jù)逆壓電效應(yīng),壓電陶瓷片、就隨所加的高頻電壓極性伸長與縮短,于是就發(fā)送頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播,送給超聲波接收器。圖(二)接收器中也有與發(fā)射器結(jié)構(gòu)相同的雙晶振子,若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波,振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng),由于壓電效應(yīng)的原理,即在壓電元件的特定方向上施加壓力,元件就產(chǎn)生壓電效應(yīng),一面產(chǎn)生正電荷,另一方面產(chǎn)生負(fù)電荷;于是。就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓,當(dāng)然這種電壓非常小,要用放大器進(jìn)行放大。2.超聲波傳感器的分類2.4.1通用性超聲波傳感器超聲波傳感器的貸款一般為幾千赫茲,并有選頻特性。如圖列出(接收傳感器)與(發(fā)送傳感器)的頻率特性。開路時(shí)

16、,傳感器輸出電壓較高,但阻抗也高,易受噪聲的影響,通常要接入幾千歐姆到幾百千歐姆的電阻。通用型超聲波傳感器的頻帶窄,但靈敏度較高,抗干擾性強(qiáng)。它的接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的。2.4.2寬帶性超聲波傳感器在多通道中使用時(shí),采用寬頻帶傳感器較為方便,寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有兩個(gè)諧振頻率。如圖表示MA23L3(發(fā)送接收共用)傳感器的頻率特性。由圖可見,其頻率特性就相當(dāng)于兩種傳感器的組合。因此,在很寬頻帶范圍內(nèi),具有較高的靈敏度。因?yàn)閷拵鞲衅骶哂袃蓚€(gè)諧振點(diǎn),所以,一個(gè)傳感器可兼作接收傳感器與發(fā)送傳感器。2.4.3密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng),可應(yīng)用于汽車后

17、方檢測(cè)物體的裝置及待時(shí)計(jì)算器等。如圖為MA40E1R(接收)與MA40E1S(發(fā)送)傳感器的頻率特性。2.4.4高頻性超聲波傳感器如下圖表示MA200A1(發(fā)送與接收共用)傳感器的規(guī)格,其中心頻率高達(dá)200KHZ,可以進(jìn)行較高分辨率的測(cè)量。由圖可知傳感器的方向性,它的反射角較窄。2.5超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用較廣泛,例如追中通信裝置、各種防盜裝置、超聲波探傷儀、超聲波測(cè)厚儀、超聲波物位儀流量計(jì)、超聲波洗滌機(jī)、超聲波加濕器、超聲波治療儀、驅(qū)蟲裝置、超方向性喇叭等。2.5.1超聲波測(cè)厚用超聲波測(cè)量金屬零件的厚度,具有測(cè)量精度高、操作簡單、可連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法。此

18、方法的工作原理如圖所示。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸,主控制器用一定頻率的脈沖信號(hào)激勵(lì)壓電式探頭,使之產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖被傳到被測(cè)工件另一方面時(shí)被反射回來,被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速c是已知的,設(shè)工件厚度為d,脈沖波被從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測(cè)量,因此可求出工件厚度為2.5.2超聲波測(cè)物位將存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位,固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位,二者統(tǒng)稱為物位。超聲波測(cè)物位屬于非接觸連續(xù)測(cè)量,安裝方便,不受被測(cè)介質(zhì)影響。在物位儀表中越來越受到重視。如圖示為脈沖回波式測(cè)量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過介質(zhì)到達(dá)液面,

19、經(jīng)液面發(fā)射后又被探頭接收。測(cè)量發(fā)射與接收超聲脈沖的時(shí)間間隔和介質(zhì)中的傳播速度,即可求探頭與液面之間的距離。根據(jù)傳聲介質(zhì)和使用探頭數(shù)量的不同,可以分為(a)單探頭液介式,(b)單探頭氣介式,(c)單探頭固介式,(d)雙探頭液介式等數(shù)種。有時(shí)需要知道液面是否升到或降到某個(gè)或幾個(gè)固定高度,可采用如圖所示的超聲波定點(diǎn)式液位計(jì),實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)報(bào)警或液面控制。圖(a)、(b)為連續(xù)波阻抗式液位計(jì)示意圖。由于氣體和液體的聲抗差別很大,當(dāng)探頭發(fā)射面分別于氣體或液體接觸時(shí),發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個(gè)超聲波探頭,就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖(c)、(d)為連續(xù)波透射式液位計(jì)示意圖。

20、圖中相對(duì)安裝的兩個(gè)探頭之間有液體時(shí),接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達(dá)到探頭的高度。2.5.3超聲波測(cè)流量超聲流量計(jì)的形式有七八種,但在工業(yè)上常用的主要有兩種,一種是傳播時(shí)間差式,一種是多普勒式,這兩種流量計(jì)都用于液體?;趥鞑r(shí)間差原理的流量計(jì)可用于干凈的液體,對(duì)于含有微粒的液體則可采用多普勒反射式流量計(jì),這是因?yàn)樾盘?hào)反射正需要微粒物質(zhì)。1、傳播時(shí)間式的超聲流量計(jì)聲波在流動(dòng)著的液體中傳播時(shí),如順流方向傳播,則聲波的速度會(huì)增大,當(dāng)逆流方向傳播時(shí),則聲波的速度會(huì)減小,從而有不同的傳播時(shí)間。這種流量計(jì)正是根據(jù)這樣一個(gè)基本的物理現(xiàn)象而工作的。通過測(cè)量兩種不同的傳播時(shí)間,就可以推算管道中

21、流體的流速。在工程實(shí)際中,為了更好地估算平均流速和平均體積流量,采用的傳聲通道已多達(dá)四個(gè)。這種超聲流量傳感器的工作原理如下圖所示,超聲波脈沖由裝在管道上游的電壓式發(fā)射器發(fā)出。這種脈沖以聲速通過液體,由裝載下游的接收器檢測(cè)出,實(shí)際上,這里上游的發(fā)射器TR1和下游的接收器TR2是輪流交替地被用作發(fā)射器和接收器的,通過一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān),可以把超聲波的傳播途徑倒過來。2、多普勒式超聲流量計(jì)這種流量計(jì)是利用流體中的散射體(微粒物質(zhì))對(duì)聲能的反射原理工作的,即將超聲波射束放射于與同一速度流動(dòng)的微粒子,并由接收器接收從微粒子反射回來的超聲波信號(hào),通過測(cè)量多普勒頻移來求出流速,從而求出體積流量??梢杂冒l(fā)射器本身,

22、寄同一個(gè)換能器作接收器,也可以用另一個(gè)單獨(dú)的換能器作接收器。因?yàn)槎嗥绽粘暳髁坑?jì)是利用頻率來測(cè)量流速的,故不易受信號(hào)接收波振幅變化的影響,即使是含有大量雜質(zhì)的流體也能測(cè)量,適合測(cè)量比較臟污的流體。與超聲波傳輸時(shí)間差的測(cè)量方式相比,其最大的特點(diǎn)是相對(duì)于流速變化的靈敏非常之大。工業(yè)用超聲波流量計(jì)是按照一個(gè)總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。一次裝置包括兩個(gè)或兩個(gè)以上的換能器,一種方案是將它們永久地裝在一段短管上;另一種方案是將它們固定在現(xiàn)有的工藝管道上。二次裝置的功能是進(jìn)行時(shí)間或頻率的測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、進(jìn)行雷諾數(shù)據(jù)校正或其它校正的運(yùn)算并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。2.5.4超聲波探傷1、透射式透射式探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。透射法將兩個(gè)探頭分別置于工件相對(duì)兩面,一個(gè)發(fā)射

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