CN108303240A - 一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置 - Google Patents

一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置 Download PDF

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CN108303240A CN201711380865.5A CN201711380865A CN108303240A CN 108303240 A CN108303240 A CN 108303240A CN 201711380865 A CN201711380865 A CN 201711380865A CN 108303240 A CN108303240 A CN 108303240A
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    • G01L5/24Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed

Abstract

一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,它由包括钢丝、螺栓松动探测器组成,钢丝一头焊接在钢轨接头联结零件的螺栓的头部,另一头与螺栓松动探测器的负极导线连接在一起,螺栓松动探测器安装在远离钢轨一侧的夹板表面,且处于夹板上相邻的两个通孔之间,用于探测螺栓的松动及提醒铁路工人该处螺栓发生松动,钢丝将钢轨接头联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器连接在一起,当螺栓松动时,会对钢丝产生拉力,钢丝的拉力使得螺栓松动探测器的松动传感器的输出值发生变化,主控板根据松动传感器的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提示灯为铁路工人报警。

Description

一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置
技术领域
[0001] 本发明涉及钢轨上的螺栓松动检测、自动报警装置,尤其是涉及一种钢轨接头联 结零件的螺栓松动检测与报警装置。
背景技术
[0002] 钢轨接头是指轨道上钢轨与钢轨之间用夹板和螺栓联结,使列车能连续运行的构 造。钢轨接头处轮轨动力作用大,养护维修工作量大,是轨道结构的薄弱环节之一。钢轨作 为引导机车车辆的车轮前进,承受车轮的巨大压力,且随着车辆的经过,相应的钢轨也会产 生振动,钢轨发生震动时,钢轨接头联结零件也会发生相应的震动,进而使得钢轨接头联结 零件的螺栓发生松动,造成钢轨接头移位,严重时会导致列车爬轨事故。
[0003] 现有技术中,铁路工人通过铁锤敲击钢轨后从异常的声音中发现钢轨接头联结零 件松动的螺栓,即铁路工人用铁锤敲击铁轨时,螺栓松动改变了物体细微处的结构,那么根 据它们发出声音的音色不同,就可以判断出钢轨接头联结零件的螺栓有无松动,然而这种 检测方式不仅工作量大、误检率高,而且需经常检测每一颗钢轨接头联结零件松动的螺栓。
发明内容
[0004] 为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检 测与报警装置,其目的在于通过钢丝将钢轨接头联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器 连接在一起,当螺栓松动时,会对钢丝产生拉力,钢丝的拉力使得螺栓松动探测器的松动传 感器的输出值发生变化,主控板根据松动传感器的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提 示灯为铁路工人报警,当铁路工人拧紧该螺栓时,按下螺栓松动探测器的复位开关即可时 螺栓松动探测器继续监测螺栓的松动情况。钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置 能实时监测钢轨接头联结零件的螺栓的松动情况,误检率低,铁路工人根据螺栓松动探测 器上的提示灯即可知道松动的螺栓。
[0005] 为实现上述目的,本发明提供的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置是 这样实现的:
[0006] —种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,特征是:包括钢丝、螺栓松动 探测器,钢丝一头焊接在钢轨接头联结零件的螺栓的头部,另一头与螺栓松动探测器的负 极导线连接在一起,螺栓松动探测器安装在远离钢轨一侧的夹板表面,且处于夹板上相邻 的两个通孔之间,用于探测螺栓的松动及提醒铁路工人该处螺栓发生松动,钢丝将钢轨接 头联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器连接在一起,当螺栓松动时,会对钢丝产生拉 力,钢丝的拉力使得螺栓松动探测器的松动传感器的输出值发生变化,主控板根据松动传 感器的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提示灯为铁路工人报警。
[0007] 本发明的螺栓松动探测器由金属铝盒、复位开关、指示灯、负极导线、松动传感器、 主控板、蓄电池、电源开关组成,复位开关、指示灯、电源开关镶嵌在金属铝盒上表面,电源 开关用于控制螺栓松动探测器的工作状态,指示灯提醒铁路工人该处的螺栓的松动情况, 当铁路工人将该处松动的螺栓拧紧后,按下复位开关使螺栓松动探测器重新检测,负极导 线、松动传感器、主控板、蓄电池安装在金属铝盒内,负极导线与钢丝连接,用于改变松动传 感器的输出值,松动传感器用于感应钢丝是否产生拉力,主控板用于处理松动传感器发送 来的信息,并控制指示灯的工作状态,蓄电池用于为松动传感器、主控板、指示灯提供电能。
[0008] 本发明的松动传感器由第一导线、塑料盒、第一电极板、正极导线、负极极板、第二 电极极板组成,第一导线连接第一电极板和第二电极极板,用于导通第一电极板和第二电 极极板,第一电极板、负极极板、第二电极极板水平竖立在塑料盒内部,第一电极板与负极 极板之间组成第一电容Cxl,第二电极极板与负极极板之间组成第二电容Cx2,第一电极板与 第二电极极板之间组成待测电容Cx,正极导线与第一电极板连接,作为松动传感器的正极, 负极导线与负极极板连接,作为松动传感器的负极,第一电容Cxi、第二电容Cx2的介电质均 为空气,第一电极板、负极极板、第二电极极板皆采用宽度和厚度相同铝片制成。
[0009] 本发明的松动传感器的输出值的计算公式如下:
[0010] 待测电容Cx的值即为第一电容Cxl与第二电容Cx2之和,S卩:Cx=Cxl+Cx2,其中:
Figure CN108303240AD00051
[0012]式中:|rl为空气相对介电系数;
[0013] 心为负极极板相对于第一电极板的有效面积;
[0014] X1为第一电极板与负极极板之间的距离。
[0015] 其中:
Figure CN108303240AD00052
[0017]式中:m为负极极板在松动传感器中的有效长度;
[0018] η为负极极板的宽度。
Figure CN108303240AD00053
[0020] 式中:Irl为空气相对介电系数;
[0021] 知为负极极板相对于第二电极板的有效面积;
[0022] X2为第二电极板与负极极板之间的距离。
[0023] 其中:
Figure CN108303240AD00054
[0025] 式中:m为负极极板在松动传感器中的有效长度;
[0026] η为负极极板的宽度。
[0027] 则待测电容
Figure CN108303240AD00055
即为所求。
[0028] 本发明的主控板上设有电容三点式振荡电路、差动放大电路、二阶滤波电路、A/D 转换电路、STC89C52RC单片机最小系统电路,电容三点式振荡电路用于得出松动传感器的 待测电容Cx的振荡频率,SP
Figure CN108303240AD00061
'由差动放大电路将该信息放大后传送给二 阶滤波电路滤波处理,之后再传送给A/D转换电路进行模数转换为数字信号后发送给 STC89C52RC 单片机。
[0029] 由于本发明通过判断链接在螺栓的头部与螺栓松动探测器之间的钢丝是否产生 拉力来判断螺栓是否松动,从而可以得到以下有益效果:
[0030] 1.本发明能实时监测钢轨接头联结零件的螺栓的松动情况。
[0031] 2.本发明误检率低,铁路工人根据螺栓松动探测器上的提示灯即可知道松动的螺 栓。
附图说明
[0032] 图1为本发明的安装结构示意图;
[0033] 图2为本发明的螺栓松动探测器结构示意图;
[0034] 图3为本发明的松动传感器结构示意图;
[0035] 图4为本发明的工作原理图;
[0036] 图5为本发明的电容三点式振荡电路和差动放大电路图;
[0037] 图6为本发明的二阶滤波电路和A/D转换电路图;
[0038] 图7为本发明的STC89C52RC单片机最小系统电路图。
[0039] 主要元件符号说明。
[0040]
Figure CN108303240AD00062
具体实施方式
[0042] 下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
[0043] 请参阅图1至7,所示为本发明第一实施例中的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测 与报警装置,包括钢丝I、螺栓松动探测器2。
[0044] 如图1所示,所述的钢丝1 一头焊接在钢轨接头联结零件的螺栓的头部,另一头与 螺栓松动探测器2的负极导线6连接在一起,螺栓松动探测器2安装在远离钢轨一侧的夹板 表面,且处于夹板上相邻的两个通孔之间,用于探测螺栓的松动及提醒铁路工人该处螺栓 发生松动,钢丝将钢轨接头联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器2连接在一起,当螺栓 松动时,会对钢丝1产生拉力,钢丝1的拉力使得螺栓松动探测器2的松动传感器7的输出值 发生变化,主控板8根据松动传感器7的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提示灯5为铁路 工人报警。
[0045] 如图2所示,所述的螺栓松动探测器2由金属铝盒3、复位开关4、指示灯5、负极导线 6、松动传感器7、主控板8、蓄电池9、电源开关10组成,复位开关4、指示灯5、电源开关10镶嵌 在金属铝盒3上表面,电源开关10用于控制螺栓松动探测器2的工作状态,指示灯5采用高亮 红色LED灯珠,以提醒铁路工人该处的螺栓的松动情况,当铁路工人将该处松动的螺栓拧紧 后,按下复位开关4使螺栓松动探测器2重新检测,负极导线6、松动传感器7、主控板8、蓄电 池9安装在金属铝盒3内,负极导线6与钢丝1连接,用于改变松动传感器7的输出值,松动传 感器7用于感应钢丝1是否产生拉力,主控板8用于处理松动传感器7发送来的信息,并控制 指示灯5的工作状态,蓄电池9用于为松动传感器7、主控板8、指示灯5提供电能。
[0046] 如图3所示,所述的松动传感器由第一导线11、塑料盒12、第一电极板13、正极导线 14、负极极板15、第二电极极板16组成,第一导线11连接第一电极板13和第二电极极板16, 用于导通第一电极板11和第二电极极板16,第一电极板13、负极极板15、第二电极极板16水 平竖立在塑料盒12内部,第一电极板13与负极极板15之间组成第一电容Cxl,第二电极极板 16与负极极板15之间组成第二电容Cx2,第一电极板13与第二电极极板16之间组成待测电容 Cx,正极导线14与第一电极板13连接,作为松动传感器7的正极,负极导线6与负极极板15连 接,作为松动传感器7的负极,第一电容Cxi、第二电容Cx2的介电质均为空气,第一电极板13、 负极极板15、第二电极极板16皆采用宽度和厚度相同铝片制成。
[0047] 所述的松动传感器7的输出值的计算公式如下:
[0048] 待测电容Cx的值即为第一电容Cxl与第二电容Cx2之和,S卩:Cx = Cxl+Cx2,其中:
Figure CN108303240AD00071
[0050] 式中:|rl为空气相对介电系数;
[0051] A1为负极极板15相对于第一电极板13的有效面积;
[0052] ή为第一电极板13与负极极板15之间的距离。
[0053] 其中:
Figure CN108303240AD00072
[0055]式中:m为负极极板15在松动传感器7中的有效长度;
[0056] η为负极极板15的宽度。
Figure CN108303240AD00073
[0058] 式中:Irl为空气相对介电系数;
[0059] A2为负极极板15相对于第二电极板16的有效面积;
[0060] X2为第二电极板16与负极极板15之间的距离。
[0061] 其中:
Figure CN108303240AD00081
[0063]式中:m为负极极板15在松动传感器7中的有效长度;
[0064] η为负极极板15的宽度。
[0065] 则待测电容
Figure CN108303240AD00082
即为所求。
[0066] 所述的主控板8上设有电容三点式振荡电路、差动放大电路、二阶滤波电路、A/D转 换电路、STC89C52RC单片机最小系统电路,电容三点式振荡电路用于得出松动传感器7的待 测电容Cx的振荡频率,Sf
Figure CN108303240AD00083
'由差动放大电路将该信息放大后传送给二阶 滤波电路滤波处理,之后再传送给A/D转换电路进行模数转换为数字信号后发送给 STC89C52RC 单片机。
[0067] 如图5所示,电容三点式振荡电路由第一电阻Rl、待测电容Cx、第一电容Cl、电感L、 LM358双运算放大器Ul组成,第一电阻Rl串联在待测电容Cx的一端和LM358双运算放大器Ul 的反向输入端2脚之间,第一电容Cl串联在5V稳压电源的GND与LM358双运算放大器Ul的信 号输出端1脚之间,待测电容Cx的另一端与LM358双运算放大器Ul的同相输入端3脚接5V稳 压电源的GND,电感L串联在待测电容Cx的一端与LM358双运算放大器Ul的信号输出端1脚之 间;
[0068] 差动放大电路由第2—8电阻:R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8,第一晶体三极管Ql、第二晶 体三极管Q2组成、第一电位器Rwl、第二电位器Rw2,第二电阻R2串联在LM358双运算放大器 Ul的信号输出端1脚与第一晶体三极管Q1的基极之间,第三电阻R3串联在第一晶体三极管 Ql的基极与12V稳压电源的VCC之间,第四电阻R4串联在第一晶体三极管Q1的集电极与12V 稳压电源的VCC之间,第五电阻R5串联在第二电位器Rw2的调节端与-12V稳压电源的VCC之 间,第六电阻R6串联在第二晶体三极管Q2的集电极与12V稳压电源的VCC之间,第七电阻R7 串联在第二晶体三极管Q2的基极与12V稳压电源的VCC之间,第八电阻R8串联在第二晶体三 极管Q2的基极与12V稳压电源的GND之间,第一电位器Rwl的两个定值端连接在第一晶体三 极管Ql的集电极与第二晶体三极管Q2的集电极之间,第二电位器Rw2两个定值端连接在第 一晶体三极管Ql的发射极和第二晶体三极管Q2的之间;
[0069] 如图6所示,所述的二阶滤波电路由第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、二 极管Dl、第二电容C2、第三电容C3、LM324四运算放大器U2、反馈电阻Rf组成,第九电阻R9串 联在LM324四运算放大器U2的反向输入端2脚与5V稳压电源的GND之间,第十电阻RlO与第十 一电阻Rll串联在第一电位器Rwl的调节端与LM324四运算放大器U2的同向输入端3脚之间, 二极管Dl与反馈电阻Rf并联在LM324四运算放大器U2的反向输入端2脚与信号输出端1脚之 间,第二电容C2串联在第^^一电阻Rl 1的一端与5V稳压电源的GND之间,第三电容C3串联在 LM324四运算放大器U2的同向输入端3脚与5V稳压电源的GND之间。
[0070] A/D转换电路由ADC0804模数转换器U3、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电 阻R14、第四电容C4、第五电容C5组成,第十二电阻R12与第四电容C4并联在5V稳压电源的 VCC和GND之间,第十三电阻R13串联在5V稳压电源的VCC与ADC0804模数转换器U3的参考电 源输入端9脚之间,第十四电阻R14串联在ADC0804模数转换器U3时钟输入端19脚与4脚之 间,第五电容C5串联在ADC0804模数转换器U3时钟输入端4脚与5V稳压电源的GND之间, ADC0804模数转换器U3的输入信号电压的负极端7脚、模拟电源的地线端8脚、数字电源的地 线端10脚连接后接5V稳压电源的GND,C17ADC0804模数转换器U3的5V电源引脚端20脚接5V 稳压电源的VCC,ADC0804模数转换器U3的模拟信号输入端6脚与LM324四运算放大器U2的信 号输出端连接。
[0071] 如图7所示,所述的STC89C52RC单片机最小系统电路由第十五电阻R15、第十六电 阻R16、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、晶振YUSTC89C52RC单片机U4组成,晶振Yl串 联在STC89C52RC单片机U4的外接时钟引脚端18脚和19脚之间,第六电容C6串联在 STC89C52RC单片机U4的外接时钟引脚端19脚与5V稳压电源的GND之间,第七电容C7串联在 STC89C52RC单片机U4的外接时钟引脚端18脚与5V稳压电源的GND之间,STC89C52RC单片机 U4的内外ROM选择端31脚接5V稳压电源的VCC,开关Sl与第十五电阻R15串联在STC89C52RC 单片机U4的复位引脚端9脚与5V稳压电源的VCC之间,第八电容C8串联在STC89C52RC单片机 U4的复位引脚端9脚与5V稳压电源的VCC之间,第十六电阻R16、串联在STC89C52RC单片机U4 的复位引脚端9脚与电源负极端20脚之间后连接5V稳压电源的GND,STC89C52RC单片机U4的 电源正极端40脚接5V稳压电源的VCC,STC89C52RC单片机U4的I/O 口 21脚、22脚、23脚、24脚、 25脚、26脚、27脚、28脚分别与ADC0804模数转换器U3的具有三态特性数字信号输出端11脚、 12脚、13脚、14脚、15脚、16脚、17脚、18脚连接,STC89C52RC单片机U4的I/O 口 1脚与ADC0804 模数转换器U3的片选信号输入端1脚连接,STC89C52RC单片机U4的I/O 口 2脚与ADC0804模数 转换器U3的读信号输入端2脚连接,STC89C52RC单片机U4的I/O 口 3脚与ADC0804模数转换器 U3的写信号输入端3脚连接,STC89C52RC单片机U4的I/O 口 4脚与ADC0804模数转换器U3的转 换完毕中断提供端5脚连接,指示灯5串联在STC89C52RC单片机U4的I/O 口 5脚与5V稳压电源 的GND之间。
[0072] 本发明的工作原理与工作过程如下:
[0073] 如图4所示,钢丝1将钢轨接头联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器2连接在 一起,当螺栓松动时,会对钢丝1产生拉力,钢丝1的拉力使得螺栓松动探测器2的松动传感 器7的输出信号的频率发生变化,差动放大电路将该信号放大后传送给二阶滤波电路滤波 处理,之后再传送给A/D转换电路进行模数转换为数字信号后发送给STC89C52RC单片机, STC89C52RC单片机根据松动传感器7的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提示灯5为铁路 工人报警。

Claims (6)

1. 一种钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,特征是:包括钢丝、螺栓松动探 测器,钢丝一头焊接在钢轨接头联结零件的螺栓的头部,另一头与螺栓松动探测器的负极 导线连接在一起,螺栓松动探测器安装在远离钢轨一侧的夹板表面,且处于夹板上相邻的 两个通孔之间,用于探测螺栓的松动及提醒铁路工人该处螺栓发生松动,钢丝将钢轨接头 联结零件的螺栓的头部与螺栓松动探测器连接在一起,当螺栓松动时,会对钢丝产生拉力, 钢丝的拉力使得螺栓松动探测器的松动传感器的输出值发生变化,主控板根据松动传感器 的变化值判断出松动的螺栓,同时点亮提示灯为铁路工人报警。
2. 根据权利要求1所述的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,其特征在于: 螺栓松动探测器由金属铝盒、复位开关、指示灯、负极导线、松动传感器、主控板、蓄电池、电 源开关组成,复位开关、指示灯、电源开关镶嵌在金属铝盒上表面,电源开关用于控制螺栓 松动探测器的工作状态,指示灯提醒铁路工人该处的螺栓的松动情况,当铁路工人将该处 松动的螺栓拧紧后,按下复位开关使螺栓松动探测器重新检测,负极导线、松动传感器、主 控板、蓄电池安装在金属铝盒内,负极导线与钢丝连接,用于改变松动传感器的输出值,松 动传感器用于感应钢丝产生的拉力,主控板用于处理松动传感器发送来的信息,并控制指 示灯的工作状态,蓄电池用于为松动传感器、主控板、指示灯提供电能。
3. 根据权利要求2所述的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,其特征在于: 松动传感器由第一导线、塑料盒、第一电极板、正极导线、负极极板、第二电极极板组成,第 一导线连接第一电极板和第二电极极板,用于导通第一电极板和第二电极极板,第一电极 板、负极极板、第二电极极板水平竖立在塑料盒内部,第一电极板与负极极板之间组成第一 电容Cxl,第二电极极板与负极极板之间组成第二电容Cx2,第一电极板与第二电极极板之间 组成待测电容Cx,正极导线与第一电极板连接,作为松动传感器的正极,负极导线与负极极 板连接,作为松动传感器的负极,第一电容Cxi、第二电容Cx2的介电质均为空气,第一电极 板、负极极板、第二电极极板皆采用宽度和厚度相同铝片制成。
4. 根据权利要求2所述的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,其特征在于: 松动传感器的输出值的计算公式如下: 待测电容Cx的值即为第一电容Cxl与第二电容Cx2之和,S卩:Cx=Cxl+Cx2,其中:
Figure CN108303240AC00021
式中:Li为空气相对介电系数; ^为负极极板相对于第一电极板的有效面积; X1为第一电极板与负极极板之间的距离。 其中:
Figure CN108303240AC00022
式中:m为负极极板在松动传感器中的有效长度; η为负极极板的宽度。
Figure CN108303240AC00023
式中:Li为空气相对介电系数; A2为负极极板相对于第二电极板的有效面积; X2为第二电极板与负极极板之间的距离。 其中:
Figure CN108303240AC00031
式中:m为负极极板在松动传感器中的有效长度; η为负极极板的宽度。 则待测电容
Figure CN108303240AC00032
即为所求。
5. 根据权利要求2所述的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,其特征在于: 主控板上设有电容三点式振荡电路、差动放大电路、二阶滤波电路、A/D转换电路、 STC89C52RC单片机最小系统电路,电容三点式振荡电路用于得出松动传感器的待测电容Cx 的振荡频率,g卩
Figure CN108303240AC00033
由差动放大电路将该信息放大后传送给二阶滤波电路 滤波处理,之后再传送给A/D转换电路进行模数转换为数字信号后发送给STC89C52RC单片 机。
6. 根据权利要求2所述的钢轨接头联结零件的螺栓松动检测与报警装置,其特征在于: 电容三点式振荡电路由第一电阻Rl、待测电容Cx、第一电容CU电感L、LM358双运算放大器 Ul组成,第一电阻Rl串联在待测电容Cx的一端和LM358双运算放大器Ul的反向输入端2脚之 间,第一电容Cl串联在5V稳压电源的GND与LM358双运算放大器Ul的信号输出端1脚之间,待 测电容Cx的另一端与LM358双运算放大器Ul的同相输入端3脚接5V稳压电源的GND,电感L串 联在待测电容Cx的一端与LM358双运算放大器Ul的信号输出端1脚之间;差动放大电路由第 2—8电阻:1?2、1«、1?4、1?5、1?6、1?7、1?8,第一晶体三极管叭、第二晶体三极管〇2组成、第一电位 器Rwl、第二电位器Rw2,第二电阻R2串联在LM358双运算放大器Ul的信号输出端1脚与第一 晶体三极管Q1的基极之间,第三电阻R3串联在第一晶体三极管Q1的基极与12V稳压电源的 VCC之间,第四电阻R4串联在第一晶体三极管Ql的集电极与12V稳压电源的VCC之间,第五电 阻R5串联在第二电位器Rw2的调节端与-12V稳压电源的VCC之间,第六电阻R6串联在第二晶 体三极管Q2的集电极与12V稳压电源的VCC之间,第七电阻R7串联在第二晶体三极管Q2的基 极与12V稳压电源的VCC之间,第八电阻R8串联在第二晶体三极管Q2的基极与12V稳压电源 的GND之间,第一电位器Rwl的两个定值端连接在第一晶体三极管Ql的集电极与第二晶体三 极管Q2的集电极之间,第二电位器Rw2两个定值端连接在第一晶体三极管Ql的发射极和第 二晶体三极管Q2的之间。
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