CN104948628A - 直流电磁负刚度装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流电磁负刚度装置，属于精密减振技术领域，其结构包括铁芯、永磁体或电磁体、导线板和电压板，电压板可用位移感应器和电流控制器代替。永磁体或电磁体作为磁源散发的磁感线由铁芯束缚，并在铁芯间形成匀强磁场；导线板由数股并联导线组成，放置在匀强磁场中，电压板加载有直流电压，每股导线两端均连接有可作为滑动接触件的电刷，当电刷与电压板相接触时，导线通电，产生安培力；导线板固定在安装轴上，振动通过安装轴传送到导线板上，从而引起导线与电压板的接触与断开。本发明结构紧凑而且简单，可以实现线性、非线性的安培力与位移关系，以及启动的阈值，若采用位移感应器和电流控制器的技术方案，其功能也可通过模拟电路实现。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种精密减振装置，具体地说是一种直流电磁负刚度装置。
(二)背景技术
动态荷载可以造成很多危害，小至车辆的舒适度，大至地震造成的结构损坏坍塌。针对如何保护主体结构抵抗动态荷载所引起的强振动，各种振动控制技术应运而生。振动控制技术可以大致分为被动模式，半主动模式和主动模式三大类。依据这三大类的振动控制技术，人们已经发明出各种用于减轻主体结构振动的阻尼器，例如粘性流体阻尼器、粘弹性阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、调谐质量阻尼器、磁流变(magnetorheology，MR)阻尼器、可变孔阻尼器、可变摩擦阻尼器和主动质量驱动器等。各式的阻尼器已经广泛应用在土木、机械和航空航天领域。相比于被动控制技术，半主动和主动控制技术往往可以取得更好的振动控制效果。在主动控制技术中，线性二次调节器(LQR)算法作为一种普遍采用的最优控制理论，可以产生一种具有显著负刚度特性的阻尼力-变形关系。这一结论激发了研究人员寻求一种能够与主动阻尼器一样产生相同的滞回特性并达到相同控制性能的被动式负刚度装置(negative-stiffness device，NSD)。
负刚度装置的优点已经在实际应用领域中得到了验证，例如土木工程领域中，受到地面运动作用的建筑物和桥梁，机械工程领域中的车辆座椅、悬架，和敏感设备的减振台等。尽管负刚度装置在振动控制领域的优越性已经得到了验证，但仍未广泛应用的原因如下：
1、半主动模式的负刚度装置需要包括传感器、控制器在内的自身调节的反馈系统，设计半主动模式的负刚度装置则需要专门的控制算法和规则。安装难度大，设计难度高阻碍了这项技术的推广。
2、被动式的负刚度装置主要利用预应力弹簧，或者利用屈曲梁的突弹跳变特性。由此制成的被动式负刚度装置往往尺寸较大，结构复杂，在实际应用中难以得到实施。
3、负刚度的安装会导致系统静态刚度下降，在静态荷载作用下，会导致系统静态位移的增大，稳定性的降低。
(三)发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的负刚度装置设计难度高、结构复杂、安装难度大的不足，提供一种结构紧凑而且简单，无需专门设计控制算法的直流电磁负刚度装置，使系统在安装本装置后，并不影响系统的静态刚度，而且能获得近似主动控制的减振效果。
为解决上述问题，本发明提供了如下两种技术方案：
技术方案一：
直流电磁负刚度装置，包括铁芯、作为磁源的永磁体或电磁体、导线板、电压板、安装轴和滑动轴承，所述永磁体或电磁体的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯束缚并在铁芯间的气隙形成匀强磁场；导线板由一股股并联的导线组成，放置在匀强磁场之中；电压板安装在铁芯上且加载有直流电压。
导线板的每股导线两端均连接有可作为滑动接触件的电刷，当电刷与电压板相接触时，导线通电，产生安培力，当电刷不与电压板接触时，导线断电，不产生安培力。
所述导线板固定在安装轴上，振动可由安装轴传送到导线板上，从而引起导线板中每股导线与电压板的接触与断开。安装轴通过设置在其上的滑动轴承与铁芯相连接。
当导线板处于零位移时，没有导线与电压板接触，产生的安培力为零；当振动通过安装轴传到导线板上时，与电压板所接触的导线股数与位移成正比例关系；根据安培力公式，产生的安培力大小也与位移成正比例关系。
带电导线在匀强磁场之中，会受到安培力的作用，使电流方向与磁场方向垂直，所受安培力的大小可用以下公式计算：
F＝N_1 N_2 BIL
其中，F(N)为通电导线所受安培力的大小；B(T)为匀强磁场的磁感应强度；I(A)为导线中电流的大小；L(m)为导线所置于磁场中的长度；N1为每股通电导线的数量；N2为导线板中与电压板接触的导线股数。
安培力的方向受导线中和电流方向以及磁场方向的控制，可以产生与位移方向相同的安培力，其反作用力方向与位移方向相反，也就是负刚度。
安培力的方向也可以与位移方向相反，其反作用力与位移方向相同，也就是常见的正刚度。
所述电压板的位置可以调节，与导线板之间的间隙，可施加一个是否工作阈值的装置，实现位移触发机制。
所述导线板中每股导线的数量可以调节，当每股导线中数量一致时，位移与安培力成线性正比例关系；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐增加时，位移与安培力成增强型性正比例关系；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐减少时，位移与安培力成减弱型性正比例关系。
技术方案二：
直流电磁负刚度装置，其电压板也可用位移感应器和电流控制器代替。具体包括铁芯、作为磁源的永磁体或电磁体、导线板、安装轴、滑动轴承、位移感应器和电流控制器。
所述永磁体或电磁体的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯束缚并在铁芯间的气隙形成匀强磁场；在技术方案二中，导线板由一股股串连的导线组成，放置在匀强磁场之中；导线板与电流控制器相连接；电流控制器主要包含一个模拟电路，可以接受位移感应器产生的信号，并输出与位移感应器的信号成比例关系的电流。
所述导线板固定在安装轴上，安装轴通过设置在其上的滑动轴承与铁芯相连接，位移可以由位移感应器测量。
位移触发机制，与增强型或者减弱型的位移与安培力关系，均可由调整电流控制器中的模拟电路参数来实现。
所述电流控制器输出的电流与位移感应器提供的位移信号之间的关系为线性正比例关系、增强型正比例关系或减弱型正比例关系。
所述位移感应器的信号大于某一特定值时，电流控制器才开始输出电流，从而形成一个是否工作的阈值，实现位移触发机制。
优选地，所述铁芯为板型或圆筒形，当铁芯为圆筒形时，铁芯中磁铁需要径向磁化。
优选地，所述永磁体或电磁体的上下面磁化。
优选地，所述永磁体或电磁体的左右两端磁化。
优选地，所述永磁体或电磁体的径向两端磁化。
优选地，所述铁芯和永磁体或电磁体之间形成的匀强磁场气隙为单缝、双缝或环形缝隙。
本发明的直流电磁负刚度装置与现有技术相比，所产生的有益效果是：
本发明结构紧凑而且简单，无需专门设计控制算法。针对负刚度会降低系统静态刚度的特点，提出一种位移触发的机制，使系统在安装本装置后，并不影响系统的静态刚度。
(四)附图说明
图1为本发明的第一实施例的主视剖面结构示意图。
图2为图1的A-A剖面示意图。
图3为图1的B-B剖面示意图。
图4为图1的C-C剖面示意图。
图5为本发明的第一实施例的磁路。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板。
图6为本发明的第二实施例的主视剖面结构示意图。
图7为图6的D-D剖面示意图。
图8为本发明的第二实施例的磁路。
图中，1、圆柱形铁芯，2、环形永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承。
图9为本发明的第一实施例与第二实施例中导线板与电压板的接触结构示意图。
图10为本发明的第一实施例与第二实施例的线性受力示意图。
图11为本发明的第一实施例与第二实施例的增强型受力示意图。
图12为本发明的第一实施例与第二实施例的减弱型受力示意图。
图13为本发明的第三实施例的主视剖面结构示意图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，d、缝隙。
图14为本发明的第四实施例的主视剖面结构示意图。
图中，1、圆柱形铁芯，2、环形永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，d、缝隙。
图15为本发明的第三实施例和第四实施例的设置阈值的线性受力示意图。
图16为本发明的第三实施例和第四实施例的设置阈值的增强型受力示意图。
图17为本发明的第三实施例和第四实施例的设置阈值的减弱型受力示意图。
图18为本发明的第五实施例的主视剖面结构示意图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板、8、电流控制器，9、位移感应器。
图19为本发明的第六实施例的主视剖面结构示意图。
图中，1、圆柱形铁芯，2、环形永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，8、电流控制器，9、位移感应器。
图20为本发明的第五实施例和第六实施例的线性受力示意图。
图21为本发明的第五实施例和第六实施例施例的设置阈值的线性受力示意图。
图22为本发明的第五实施例和第六实施例的增强型受力示意图。
图23为本发明的第五实施例和第六实施例的减弱型受力示意图。
图24为本发明的第五实施例和第六实施例的设置阈值的增强型受力示意图。
图25为本发明的第五实施例和第六实施例的设置阈值的减弱型受力示意图。
图26为本发明的第七实施例的主视剖面结构示意图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承。
图27为本发明的第七实施例的磁路。
图28为本发明的直流电磁负刚度装置的第八实施例的主视图。
图29为本发明的直流电磁负刚度装置的第八实施例的背视图。
图30为图28的E-E剖面结构示意图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板。
图31为本发明的第八实施例的磁路。
图32为本发明的第九实施例的主视图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板，8、电流控制器，9、位移感应器。
图33为本发明的第十实施例的主视图。
图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板，8、电流控制器，9、位移感应器。
(五)具体实施方式
下面结合附图1-30对本发明的直流电磁负刚度装置作以下详细地说明。
实施例1：
如附图1-5所示，本发明的直流电磁负刚度装置，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5、滑动轴承6以及连接板7。其中永磁体2的磁化方向相同(上为N极，下为S极，反之亦可)。如图5所示，永磁体2的磁力线会被铁芯束缚，在铁芯1的气隙间形成匀强磁场。导线板3由一股股并联的导线组成，中间部分放置在气隙中，每股导线两端均有滑动接触式的电刷。电压板4接通有直流电压，当导线板3上的电刷与电压板接触时，导线通电，不接触时，导线断电。导线板3固定在安装轴5上。安装轴5的振动方向受到滑动轴承6的控制。滑动轴承6则通过连接板7固定在板型铁芯1上。
实施例2：
如附图6-8所示，本发明的直流电磁负刚度装置也可为圆筒形。如其结构包括圆柱形铁芯1、环形永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5以及滑动轴承6。其中，圆柱形铁芯1需上下加盖以保证构成磁路，以在气隙间形成匀强的磁场。环形永磁体2需径向充磁(外为N极，内为S极，反之亦可)，可由多个永磁体组成，也可用电磁铁替代，。如图8所示，在永磁体2和圆筒形铁芯1的气隙间，可以形成匀强磁场。滑动轴承6可以直接固定在圆柱形铁芯1上，导线板3由相互并联的一股股并联的环形导线构成。
如图9所示，对于实施例1和实施例2来讲，由于导线板3上的导线为并联，每股导线是否通电相互独立。当处于零位移时，导线板3与电压板4不接触；随着位移的增大，与电压板接触的导线逐渐增多，从而产生更大的安培力。
如图10所示，由于导线中电流方向可以控制，所以产生安培力的方向可以与位移方向相同，其反作用力方向与位移方向相反，即为负刚度。
所述导线板3中每股导线的数量可以调节，当每股导线中数量一致时，位移与安培力成线性正比例关系，如图10所示；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐增加时，位移与安培力成增强型性正比例关系，如图11所示，相同位移下，力的增量会随着位移的增大而增大。；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐减少时，位移与安培力成减弱型性正比例关系，如图12所示，相同位移下，力的增量会随着位移的增大而减小。
实施例3：该实施例与第一实施例相同，只是增加了电压板4与导线板3的缝隙d。
如图13所示，本发明的直流电磁负刚度装置，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5、滑动轴承6以及连接板7。其中永磁体2的磁化方向相同(上为N极，下为S极，反之亦可)。如图5所示，永磁体2的磁力线会被铁芯束缚，在铁芯1的气隙间形成匀强磁场。导线板3由一股股并联的导线组成，中间部分放置在气隙中，每股导线两端均有滑动接触式的电刷。电压板4接通有直流电压，当导线板3上的电刷与电压板接触时，导线通电，不接触时，导线断电。导线板3固定在安装轴5上。安装轴5的振动方向受到滑动轴承6的控制。滑动轴承6则通过连接板7固定在板型铁芯1上。其结构中的导线板3与电压板4的位置可以调节。使本发明直流电磁负刚度装置的零位移放置在系统施加静态荷载之后的位移处。由于系统的静态荷载可能会变化，可以在电压板4与导线板3之间预留一定的缝隙d，只有当动态荷载导致的振动振幅超过d时，本发明直流电磁负刚度装置才开始工作。
实施例4：该实施例与第二实施例相同，只是增加了电压板4与导线板3的间隙d。
如附图14所示，本发明的直流电磁负刚度装置也可为圆筒形。如其结构包括圆柱形铁芯1、环形永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5以及滑动轴承6。其中，圆柱形铁芯1需上下加盖以保证构成磁路，以在气隙间形成匀强的磁场。环形永磁体2需径向充磁(外为N极，内为S极，反之亦可)，可由多个永磁体组成，也可用电磁铁替代，。如图8所示，在永磁体2和圆筒形铁芯1的气隙间，可以形成匀强磁场。滑动轴承6可以直接固定在圆柱形铁芯1上，导线板3由相互并联的一股股并联的环形导线构成。其结构中的导线板3与电压板4的位置可以调节。使本发明直流电磁负刚度装置的零位移放置在系统施加静态荷载之后的位移处。由于系统的静态荷载可能会变化，可以在电压板4与导线板3之间预留一定的缝隙d，只有当动态荷载导致的振动振幅超过d时，本发明直流电磁负刚度装置才开始工作。
如图15所示，对于实施例3和实施例4来讲，只有当位移超过d时，才会产生与位移方向相同的安培力，与之对应的外力方向与位移方向相反，即为负刚度。
所述导线板3中每股导线的数量可以调节，当每股导线中数量一致时，位移与安培力成线性正比例关系，如图15所示；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐增加时，位移与安培力成增强型性正比例关系，如图16所示；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐减少时，位移与安培力成减弱型性正比例关系，如图17所示。
实施例5：
由于每股导线有一定的宽度，所以产生的安培力随位移并不是连续变化，而是阶段性变化。只要制作精度足够，并不影响控制效果。但电压板4以及导线板3中的滑动接触式电刷，可以被位移感应器以及电流控制器所替代。
如图18所示，本发明的直流电磁负刚度装置，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、安装轴5、滑动轴承6、连接板7、电流控制器8、位移感应器9。其中永磁体2的磁化方向相同(上为N极，下为S极，反之亦可)。如图5所示，永磁体2的磁力线会被铁芯束缚，在铁芯1的气隙间形成匀强磁场。导线板3由一股股串联的导线组成，中间部分放置在气隙中，并与电流控制器相连接8。导线板3固定在安装轴5上。安装轴5的振动方向受到滑动轴承6的控制。滑动轴承6则通过连接板7固定在板型铁芯1上。位移信号可以被位移感应器9采集，传递给电流控制器8，电流控制器8产生与位移相关大小的电流，即可产生所需的安培力，并且随着位移为连续性变化，如图20所示。
实施例6：
如附图19所示，本发明的直流电磁负刚度装置也可为圆筒形。如其结构包括圆柱形铁芯1、环形永磁体2、导线板3、安装轴5、滑动轴承6、电流控制器8以及位移感应器9。其中，圆柱形铁芯1需上下加盖以保证构成磁路，以在气隙间形成匀强的磁场。环形永磁体2需径向充磁(外为N极，内为S极，反之亦可)，可由多个永磁体组成，也可用电磁铁替代，。如图8所示，在永磁体2和圆筒形铁芯1的气隙间，可以形成匀强磁场。滑动轴承6可以直接固定在圆柱形铁芯1上，导线板3由相互并联的一股股串联的环形导线构成，并与电流控制器8相连接。位移信号可以被位移感应器9采集，传递给电流控制器8，电流控制器8产生与位移相关大小的电流，即可所需的安培力，并且随着位移为连续性变化，如图20所示。
实施例5和实施例6：
电流控制器8中的模拟电路参数可以调节，当输出电流与位移信号线性相关时，为安培力与位移为线性关系，如图20所示。也可设置只有当位移大于某一值时，才输出与位移成线性关系的电流，其安培力与位移关系如图21所示。当输出电流与位移信号增强型相关时，为安培力与位移为增强型关系，如图22所示。当输出电流与位移信号减弱型相关时，为安培力与位移为增强型关系，如图23所示。非线性相关的输出电流与位移信号关系，也可施加阈值，其安培力与位移关系如图24与图25所示。
实施例7：
本发明直流电磁负刚度装置的气隙构造可以改变以适应不同的需求。当需要更大的振幅时，可以采用本发明直流电磁负刚度装置的第七实施例的构造。如所示，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5、滑动轴承6以及连接板7。其中永磁体2的磁化方向相同(上为N极，下为S极，反之亦可)。永磁体2为上下充磁(上为N极，下为S极，反之亦可)的板型磁铁，可由数个永磁体并排而成。如图27所示，并排的永磁体的磁感线由板型铁芯1束缚，形成匀强磁场。更大的长度只需增加并排永磁体2的数量即可。
实施例8：
本发明相直流电磁负刚度装置亦可采用双隙形式以增加效率。如图28所示，本发明直流电磁负刚度装置的第八实施例中，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、电压板4、安装轴5、滑动轴承6以及连接板7。永磁体2的充磁方向左右对称(如左方磁铁左为N极，右为S极，则右方磁铁左为S极，右为N极，反之亦可)。如图31所示，永磁体磁力线被铁芯束缚，形成了双缝的匀强磁场。导线板3可以环绕两个气隙，以减少电压板4的数量。
实施例9
如采用技术方案二，本发明直流电磁负刚度装置的气隙构造可以改变以适应不同的需求。当需要更大的振幅时，可以采用本发明直流电磁负刚度装置的第九实施例的构造。如所示，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、安装轴5、滑动轴承6、连接板7、电流控制器8以及位移感应器9。其中永磁体2的磁化方向相同(上为N极，下为S极，反之亦可)。永磁体2为上下充磁(上为N极，下为S极，反之亦可)的板型磁铁，可由数个永磁体并排而成。如图32所示，并排的永磁体的磁感线由板型铁芯1束缚，形成匀强磁场。更大的长度只需增加并排永磁体2的数量即可。
实施例10
如采用技术方案二，本发明相直流电磁负刚度装置亦可采用双隙形式以增加效率。如图33所示，本发明直流电磁负刚度装置的第八实施例中，其结构包括板型铁芯1、一对永磁体2、导线板3、安装轴5、滑动轴承6、连接板7、电流控制器8、位移感应器9。永磁体2的充磁方向左右对称(如左方磁铁左为N极，右为S极，则右方磁铁左为S极，右为N极，反之亦可)。如图33所示，永磁体磁力线被铁芯束缚，形成了双缝的匀强磁场。导线板3可以环绕两个气隙，以增加匀强磁场内的有效长度。
本发明的直流电磁负刚度装置其加工制作非常简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。
Claims (10)
1.直流电磁负刚度装置，包括铁芯(1)、作为磁源的永磁体或电磁体(2)、导线板(3)、电压板(4)、安装轴(5)和滑动轴承(6)，其特征在于：
所述永磁体或电磁体(2)的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯(1)束缚并在铁芯(1)间的气隙形成匀强磁场；
导线板(3)由一股股并联的导线组成，放置在匀强磁场之中；
电压板(4)安装在铁芯(1)上且加载有直流电压；
导线板(3)的每股导线两端均连接有可作为滑动接触件的电刷，当电刷与电压板(4)相接触时，导线通电，产生安培力，当电刷不与电压板接触时，导线断电，不产生安培力；
所述导线板(3)固定在安装轴(5)上，安装轴(5)通过设置在其上的滑动轴承(6)与铁芯(1)相连接。
2.直流电磁负刚度装置，包括铁芯(1)、作为磁源的永磁体或电磁体(2)、导线板(3)、安装轴(5)、滑动轴承(6)、电流控制器(8)和位移感应器(9)，其特征在于：
所述永磁体或电磁体(2)的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯(1)束缚并在铁芯(1)间的气隙形成匀强磁场；
导线板(3)由一股股串连的导线组成，放置在匀强磁场之中；
导线板(3)与电流控制器(8)相连接；
位移感应器(9)与电流控制器(8)相连接，位移感应器(9)采集并产生位移信号，电流控制器(8)接受信号，并产生与信号成关系的直流电流；
所述导线板(3)固定在安装轴(5)上，安装轴(5)通过设置在其上的滑动轴承(6)与铁芯(1)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述铁芯(1)为板型或圆筒形，且圆筒形铁芯中磁铁需要径向磁化。
4.根据权利要求1或2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，永磁体或电磁体(2)的上下面磁化。
5.根据权利要求1或2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述永磁体或电磁体(2)的左右两端磁化。
6.根据权利要求1或2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述铁芯(1)和永磁体或电磁体(2)之间形成的匀强磁场气隙为单缝、双缝或环形缝隙。
7.根据权利要求1所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述导线板(3)和电压板(4)之间具有一个可施加是否工作阈值的装置，实现位移触发机制。
8.根据权利要求1所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述导线板(3)中每股导线的数量可以调节，当每股导线中数量一致时，位移与安培力成线性正比例关系；当导线数量由两端到中央数量逐渐增加时，位移与安培力成增强型性正比例关系；当导线数量由两端到中央数量逐渐减少时，位移与安培力成减弱型性正比例关系。
9.根据权利要求2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，电流控制器(8)输出的电流与位移感应器(9)提供的位移信号之间的关系为线性正比例关系、增强型正比例关系或减弱型正比例关系。
10.根据权利要求2所述的直流电磁负刚度装置，其特征在于，所述位移感应器(8)的信号大于某一特定值时，电流控制器(9)才开始输出电流，从而形成一个是否工作的阈值，实现位移触发机制。
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