CN107478860B - 一种光纤光栅加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅加速度传感器,属于光纤传感器技术领域。该光纤光栅加速度传感器包括:壳体和置于所述壳体内的质量块、杠杆臂、支点弹性片、光栅支座和光纤光栅。所述支点弹性片的一端固定于所述壳体内底部,所述支点弹性片的另一端与所述杠杆臂的一端连接。所述光栅支座与靠近所述支点弹性片的所述杠杆臂连接。所述杠杆臂的另一端与所述质量块连接。所述光纤光栅用于测量振动激励的加速度,其两端平行于所述杠杆臂表面延伸至所述壳体外部。该光纤光栅加速度传感器结构简单,一致性好,从根本上解决传统悬臂梁型传感器的灵敏度与频率范围相矛盾的问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域,具体涉及一种光纤光栅加速度传感器。
背景技术
当今各行各业对振动检测都有着巨大需求,如机械系统的运行监测,复合材料的结构性能检测,桥梁、大坝的安全监测,油、气田、煤炭和各种矿藏的开采勘探,岩石、岩土结构的振动监测等。与传统的电子类振动传感器相比,光纤Bragg光栅(FBG)振动传感器在工作过程中无需电源驱动,适宜在易燃易爆的场合中使用(比如油、气井),安全可靠;FBG具有良好的化学稳定性,可在各种腐蚀环境中正常工作;FBG振动传感过程中的光波频率比电磁波高很多,具有良好的抗电磁干扰特性;使用光纤传输信号,损耗小,可实现远距离控制测试;利用波分复用(DWDM)、时分复用(OTDM)等技术实现多点分布式测量。这些优势使得FBG振动传感器具有巨大的应用潜能和推广价值。
传感器的灵敏度越高,对微弱的振动信号的探测能力则越强。传感器的谐振频率决定了其可测量振动信号的频率范围,谐振频率越高,其可测量的频率范围越宽。目前,FBG振动传感器主要包括:HB系列高灵敏度FBG振动传感器和HD系列宽频率范围FBG振动传感器。HB系列传感器对高频振动信号的探测能力不足,而HD系列传感器灵敏度较低,对微弱振动信号的探测能力不足,同时易受环境的扰动。这些不足严重阻碍了FBG振动传感器的推广和工程化应用。
发明内容
鉴于此,本发明的目的在于提供一种光纤光栅加速度传感器,以有效地改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的:
本发明实施例提供了一种光纤光栅加速度传感器,包括:壳体和置于所述壳体内的质量块、杠杆臂、支点弹性片、光栅支座和光纤光栅。所述支点弹性片的一端固定于所述壳体内底部,所述支点弹性片的另一端与所述杠杆臂的一端连接,用于固定所述杠杆臂。所述光栅支座与靠近所述支点弹性片的所述杠杆臂连接,用于固定所述光纤光栅。所述杠杆臂的另一端与所述质量块连接,用于固定所述质量块。所述光纤光栅用于测量振动激励的加速度,其两端平行于所述杠杆臂表面延伸至所述壳体外部。其中,所述质量块、所述杠杆臂、所述支点弹性片和所述光栅支座按照杠杆结构进行设计。
在本发明较佳的实施例中,所述质量块包括:第一凸起端,所述质量块通过所述第一凸起端与所述杠杆臂连接。
在本发明较佳的实施例中,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第一限位柱,所述质量块设置有与所述第一限位柱相匹配的第一孔,所述第一限位柱置于所述第一孔内,通过调节所述第一限位柱与所述壳体的第一内侧壁之间的高度来限制所述质量块的位移,以限制所述质量块的偏移量。
在本发明较佳的实施例中,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第二限位柱,所述壳体的内侧壁设置有与所述第二限位柱相匹配的第二孔,所述第二限位柱置于所述第二孔内,通过调节所述第二限位柱与所述质量块之间的高度来限制所述质量块的位移,以限制所述质量块的偏移量。
在本发明较佳的实施例中,所述光纤光栅加速度传感器还包括:基座,所述基座与所述支点弹性片相对设置于所述质量块的两侧,所述质量块包括:第二凸起端,所述基座用于限制所述第二凸起端的位移,以限制所述质量块的偏移量。
在本发明较佳的实施例中,所述基座包括:限位孔,所述限位孔的直径大于所述第二凸起端的直径,所述第二凸起端置于所述限位孔内。
在本发明较佳的实施例中,所述基座包括:第一限位部和第二限位部,所述第一限位部和所述第二限位部间隔相对设置,所述第二凸起端置于所述第一限位部和所述第二限位部之间。
在本发明较佳的实施例中,所述基座还包括:第一限位钉和第二限位钉,所述第一限位钉设置于所述第一限位部上,所述第二限位钉设置于所述第二限位部上。
在本发明较佳的实施例中,所述光纤光栅的光栅位于所述光栅支座靠近所述支点弹性片的一侧。
在本发明较佳的实施例中,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第一出纤穿越保护部和第二出纤穿越保护部,所述第一出纤穿越保护部和所述第二出纤穿越保护部相对设置于所述壳体的两侧,所述光纤光栅的一端经所述第一出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部,所述光纤光栅的另一端经所述第二出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部。
本发明实施例提供的光纤光栅加速度传感器,与现有技术相比,该光纤光栅加速度传感器中的质量块、杠杆臂、支点弹性片和光栅支座按照杠杆结构进行设计,利用杠杠效应对惯性力进行放大,以增大传感器的灵敏度,或者频率范围。此外,该光纤光栅加速度传感器结构简单,一致性好,从根本上解决传统悬臂梁型传感器的灵敏度与频率范围相矛盾的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示,本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图,重点在于示出本发明的主旨。
图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤光栅加速度传感器的结构示意图。
图2示出了本发明第二实施例提供的一种光纤光栅加速度传感器的结构示意图。
图3示出了本发明第三实施例提供的一种光纤光栅加速度传感器的结构示意图。
图4示出了本发明第四实施例提供的一种光纤光栅加速度传感器的结构示意图。
图5示出了本发明第四实施例提供的图4中的基座的结构示意图。
图标:10A-光纤光栅加速度传感器;10B-光纤光栅加速度传感器;10C-光纤光栅加速度传感器;10D-光纤光栅加速度传感器;11-壳体;111-第二孔;112-第二限位柱;12-支点弹性片;13-杠杆臂;14A-质量块;14B-质量块;14C-质量块;141-第一凸起端;142-第二凸起端;143-第一孔;144-第一限位柱;15-光栅支座;16-光纤光栅;17-基座;171-第一限位部;172-第二限位部;173-第一限位钉;174-第二限位钉;18-第一出纤穿越保护部;19-第二出纤穿越保护部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”、“垂直”等术语并不表示要求部件绝对水平或垂直,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
本发明实施例提供了一种光纤光栅加速度传感器10A,如图1所示。该光纤光栅加速度传感器10A包括:壳体11和置于所述壳体11内的质量块14A、杠杆臂13、支点弹性片12、光栅支座15和光纤光栅16。
所述壳体11用作该光纤光栅加速度传感器10A的支撑结构,用于固定支点弹性片12。所述壳体11的形状可以有多种,例如,可以是呈“U”字型,也可以是长方形,还可以是梯形等形状,于本实施例中,优选地,所述壳体11的形状可以是长方形。本实施例中,优选地,该壳体11可以由热膨胀系数较小的材料制成。
所述支点弹性片12的一端固定于所述壳体11内底部,所述支点弹性片12的另一端与所述杠杆臂13的一端连接,用于固定所述杠杆臂13。由于所述支点弹性片12在振动激励的作用下发生形变,以实现对惯性力的放大作用,以提高该光纤光栅加速度传感器10A的灵敏度,即需要该支点弹性片12由弹性材质制成。其中,该支点弹性片12的材质可以有多种,例如,可以是钢或铜材质。
其中,优选地,该支点弹性片12是竖直固定于所述壳体11内底部。其中,所述支点弹性片12的形状可以有多种,例如,可以是圆柱体形,可以是长方体形,还可以是多棱柱形等,于本实施例中,优选地,该支点弹性片12的形状可以是长方体形。
其中,支点弹性片12与杠杆臂13的连接方式可以有多种,例如,可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接,也可以是通过粘合、焊接等方式连接,还可以是通过凹槽与凸块等组合方式连接等。于本实施例中,优选地,该杠杆臂13安装于支点弹性片12另一端的侧面处。
其中,优选地,该杠杆臂13是水平安装于支点弹性片12上,水平放置于该壳体11内的,即该杠杆臂13与支点弹性片12相垂直。
所述杠杆臂13还与所述光栅支座15和所述质量块14A连接,用于固定所述质量块14A和支撑光栅支座15。优选地,该杠杆臂13的一端固定于支点弹性片12上,另一端与质量块14A连接,用于固定该质量块14A。所述杠杆臂13的形状可以有多种,例如,长方体、圆柱体、多棱柱体等形状,本实施例中,所述杠杆臂13的形状可以为长方体形。
所述质量块14A与所述杠杆臂13连接,用于调整光纤光栅加速度传感器10A的灵敏度和自振频率。本实施例中,优选地,所述质量块14A的形状可以是长方体形。该质量块14A与杠杆臂13连接,优选地,该质量块14A包括:第一凸起端141,该第一凸起端141与杠杆臂13连接。该第一凸起端141与杠杆臂13的连接方式可以有多种,例如,可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接,也可以是通过粘合、焊接等方式连接。本实施例中,优选地,该第一凸起端141与杠杆臂13通过中间件连接,即第一凸起端141与质量块14A通过中间件连接。
其中,该第一凸起端141的形状可以有多种,于本实施例中,优选地,该第一凸起端141的形状为长方形。
其中,所述光栅支座15与靠近所述支点弹性片12的所述杠杆臂13连接,用于固定所述光纤光栅16。该光栅支座15与杠杆臂13的连接方式可以有多种,例如,可以是通过螺钉、螺杆和螺母等中间件连接,也可以是通过粘合、焊接等方式连接,还可以是一体成型等。例如,当光栅支座15与杠杆臂13为一体成型时,此时该杠杆臂13呈“倒T”状。本实施例中,优选地,该光栅支座15与杠杆臂13通过中间件连接。所述光栅支座15的形状可以有多种,例如,本实施例中,该光栅支座15的形状可以是长方体形。当所述光纤光栅加速度传感器10A受到振动激励时,该光栅支座15用于将质量块14A在激励加速度方向上起振而产生的位移传递给光纤光栅16。
所述光纤光栅16用于测量加速度,其两端平行于所述杠杆臂13表面延伸至所述光纤光栅加速度传感器10A的壳体11外部。优选地,该光纤光栅16与光栅支座15连接,且该光纤光栅16的光栅位于所述光栅支座15靠近所述支点弹性片12的一侧,在光栅支座15的作用下,以使该光纤光栅16远离该杠杆臂13的表面,即与杠杆臂13之间存在间隙。该光纤光栅16的两端平行于所述杠杆臂13表面延伸至所述光纤光栅加速度传感器10A的壳体11外部。优选地,该壳体11上设置有与该光纤光栅16的尺寸相匹配的通孔,以使该光纤光栅16的两端穿过该通孔延伸至所述光纤光栅加速度传感器10A的壳体11外部。
其中,所述质量块14A、所述杠杆臂13、所述支点弹性片12和所述光栅支座15按照杠杆结构进行设计,当外界有加速度a输入时,惯性力ma经杠杆机构放大为Nma,其中N为杠杆机构放大系数,m为质量块14A质量。理想情况下,经过杠杆机构的放大作用,传感器的灵敏度可增大N倍。若保持传感器灵敏度不变,传感器频率范围可变为原来的倍。
第二实施例
本实施例提供的光纤光栅加速度传感器10B,如图2所示,与第一实施例相比,其不同之处在于:质量块14B的结构不同,此外还包括:第一出纤穿越保护部18、第二出纤穿越保护部19以及用于限制质量块14B的运动范围的第一限位柱144。
所述质量块14B设置有与所述第一限位柱144相匹配的第一孔143,所述第一限位柱144置于所述第一孔143内,通过调节所述第一限位柱144与所述壳体11的第一内侧壁之间的高度来限制所述质量块14B的位移,以限制所述质量块14B的偏移量。
其中,作为一种实施方式,设置在质量块14B上的第一孔143可以是从质量块14B的上表面贯穿至下表面的通孔,该第一限位柱144置于该通孔内,且从上表面贯穿至下表面。为了精确限制质量块14B的运动范围,该通孔内还可以设置第一螺纹,该第一限位柱144上设置有与第一螺纹相匹配的第二螺纹。通过调节第一限位柱144露出质量块14B下表面的部分与壳体11内底部的高度,来限制质量块14B的偏移量。
作为另一种实施方式,设置在质量块14B上的第一孔143可以是从质量块14B的下表面沿质量块14B的上表面延伸的孔,但不贯穿上表面,调节第一限位柱144置于该第一孔143内。相应地,也可以在该第一孔143中设置第一螺纹,在该第一限位柱144上设置有与第一螺纹相匹配的第二螺纹。通过调节第一限位柱144与壳体11内底部的高度,来限制质量块14B的偏移量。
所述第一出纤穿越保护部18和所述第二出纤穿越保护部19相对设置于所述壳体11的两侧,所述光纤光栅16的一端经所述第一出纤穿越保护部18引出至所述壳的外部,所述光纤光栅16的另一端经所述第二出纤穿越保护部19引出至所述壳体11的外部。其中,优选地,所述第一出纤穿越保护部18与第二出纤穿越保护部19相同,为了避免累赘,只对第一出纤穿越保护部18进行详细介绍,第二出纤穿越保护部19的结构或者其原理请参阅对第一出纤穿越保护部18的结构或者其原理的介绍。
其中,优选地,该第一出纤穿越保护部18采用三段式结构,分别为穿越座、光缆固定结构和光缆抗弯折线圈。穿越座与壳体11通过螺纹固定,穿越座中空,供光缆穿越。光缆固定结构与穿越座通过螺纹连接,光缆固定结构内部有弹性光缆卡死机构,将光缆外皮固定,起到保护光缆内部光纤的作用。光缆抗弯折线圈与光缆固定结构通过螺纹连接,防止光缆弯折损坏。
第三实施例
本实施例提供的光纤光栅加速度传感器10C,如图3所示,与第二实施例相比,其不同之处在于:质量块14A的结构不同,此外,将第一限位柱144替换为设置于壳体11内侧壁的第二限位柱112。
所述壳体11的内侧壁设置有与所述第二限位柱112相匹配的第二孔111,所述第二限位柱112置于所述第二孔111内,通过调节所述第二限位柱112与所述质量块14A之间的高度来限制所述质量块14A的位移,以限制所述质量块14A的偏移量。其中,该第二孔111朝向质量块14A的下表面,为了精确限制质量块14A的运动范围,可以在该第二孔111内设置第三螺纹,在该第二限位柱112上设置于该第三螺纹相匹配的第四螺纹。
其中,应当理解的是,在第二限位柱112的基础上,还可以保留第一限位柱144,即通过第一限位柱144和第二限位柱112共同来限制质量块14A的运动范围,此时,第一限位柱144和第二限位柱112相对设置。
第四实施例
本实施例提供的光纤光栅加速度传感器10D,如图4所示,与第二实施例相比,其不同之处在于:质量块14C的结构不同,此外,还包括基座17。
所述基座17与所述支点弹性片12相对设置于所述质量块14C的两侧,通过该基座17限制质量块14C的振幅幅度,可以提高该光纤光栅16加速度计的抗冲击性能。于本实施中,优选地,该质量块14C还包括:第二凸起端142。所述基座17用于限制所述第二凸起端142的位移,以限制所述质量块14C的偏移量。
其中,该第二凸起端142的形状可以有多种,于本实施例中,优选地,该第二凸起端142的形状为长方形。优选地,该第二凸起端142与第一凸起端141相对。
其中,作为一种实施方式,优选地,该基座17包括:限位孔。所述限位孔的尺寸大于所述第二凸起端142的尺寸,所述第二凸起端142置于所述限位孔内,这样以保证该第二凸起端142可以在该限位孔内偏移,同时又限制了其偏移的位移。其中,所述限位孔的形状可以有多种,例如,可以是圆形,也可以是长方形等。
其中,作为另一种实施方式,如图5所示,该基座17包括:第一限位部171和第二限位部172。所述第一限位部171和所述第二限位部172间隔相对设置,所述第二凸起端142置于所述第一限位部171和所述第二限位部172之间。这样以保证该第二凸起端142可以在该第一限位部171和所述第二限位部172之间活动,同时又限制了其偏移的位移。其中,该第一限位部171的形状可以有多种,于本实施例中,优选地,该第一限位部171的形状可以为长方体形。其中,该第二限位部172的形状可以有多种,于本实施例中,优选地,该第二限位部172的形状可以为长方体形。
其中,第一限位部171的形状尺寸与第二限位部172的形状尺寸可以相同,也可以不同,例如,第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同,但是其尺寸不同,也可以是第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同,且两者的尺寸也相同。本实施例中,优选地,第一限位部171与第二限位部172相匹配,即第一限位部171的形状与第二限位部172的形状相同,且两者的尺寸也相同。其中,为了进一步限制其第二凸起端142的偏移量,优选地,该基座17还包括:第一限位钉173和第二限位钉174。其中,所述第一限位钉173设置于所述第一限位部171上,所述第二限位钉174设置于所述第二限位部172上。
其中,第一限位钉173的形状尺寸与第二限位钉174的形状尺寸可以相同,也可以不同,例如,第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同,但是其尺寸不同,也可以是第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同,且两者的尺寸也相同。本实施例中,优选地,第一限位钉173与第二限位钉174相匹配,即第一限位钉173的形状与第二限位钉174的形状相同,且两者的尺寸也相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤光栅加速度传感器,其特征在于,包括:壳体和置于所述壳体内的质量块、杠杆臂、支点弹性片、光栅支座和光纤光栅;
所述支点弹性片的一端固定于所述壳体内底部,所述支点弹性片的另一端与所述杠杆臂的一端连接,用于固定所述杠杆臂;
所述光栅支座与靠近所述支点弹性片的所述杠杆臂连接,用于固定所述光纤光栅;
所述杠杆臂的另一端与所述质量块连接,用于固定所述质量块;
所述光纤光栅用于测量振动激励的加速度,其两端平行于所述杠杆臂表面延伸至所述壳体外部;
其中,所述质量块、所述杠杆臂、所述支点弹性片和所述光栅支座按照杠杆结构进行设计,所述光纤光栅与所述质量块位于所述光栅支座的两侧。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述质量块包括:第一凸起端,所述质量块通过所述第一凸起端与所述杠杆臂连接。
3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第一限位柱,所述质量块设置有与所述第一限位柱相匹配的第一孔,所述第一限位柱置于所述第一孔内,通过调节所述第一限位柱与所述壳体的第一内侧壁之间的高度来限制所述质量块的位移,以限制所述质量块的偏移量。
4.根据权利要求1或2所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第二限位柱,所述壳体的内侧壁设置有与所述第二限位柱相匹配的第二孔,所述第二限位柱置于所述第二孔内,通过调节所述第二限位柱与所述质量块之间的高度来限制所述质量块的位移,以限制所述质量块的偏移量。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述光纤光栅加速度传感器还包括:基座,所述基座与所述支点弹性片相对设置于所述质量块的两侧,所述质量块包括:第二凸起端,所述基座用于限制所述第二凸起端的位移,以限制所述质量块的偏移量。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述基座包括:限位孔,所述限位孔的直径大于所述第二凸起端的直径,所述第二凸起端置于所述限位孔内。
7.根据权利要求5所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述基座包括:第一限位部和第二限位部,所述第一限位部和所述第二限位部间隔相对设置,所述第二凸起端置于所述第一限位部和所述第二限位部之间。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述基座还包括:第一限位钉和第二限位钉,所述第一限位钉设置于所述第一限位部上,所述第二限位钉设置于所述第二限位部上。
9.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述光纤光栅的光栅位于所述光栅支座靠近所述支点弹性片的一侧。
10.根据权利要求1所述的光纤光栅加速度传感器,其特征在于,所述光纤光栅加速度传感器还包括:第一出纤穿越保护部和第二出纤穿越保护部,所述第一出纤穿越保护部和所述第二出纤穿越保护部相对设置于所述壳体的两侧,所述光纤光栅的一端经所述第一出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部,所述光纤光栅的另一端经所述第二出纤穿越保护部引出至所述壳体的外部。
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