CN108593421B - 一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置和方法 - Google Patents
一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置和方法,属于土工试验技术领域。该反向标定装置在中型三轴试验仪基础上增设两个独立可移动式环形线圈系统,其包括伺服电机、丝杠螺母组合、导环、环形线圈、信号放大器、滤波器、电压积分器、电脑等。在高压水环境条件下,试样静止,伺服电机带动环形线圈上下移动切割磁感线,获得电压信号,经信号放大器、滤波器、电压积分器获得位移信号;将位移信号与伺服电机输出轴移动位移对比得到标定系数,完成对量测装置的标定。本发明装置结构简单、操作方便,解决水环境高压条件下的量测装置的现场标定;每次试验前都可进行标定,保证量测结果准确性;为土工试验和土力学发展提供更便利有效的量测手段。
Description
技术领域
本发明属于土工试验技术领域,涉及土工三轴试验试样局部应变的测量,尤其涉及一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置。
背景技术
在砂砾料动态三轴试验工程中,由于刚性试样帽和底座与试样之间存在摩擦力,限制试样的端部轴向和侧向变形的发展,而试样的中间部分不受此摩擦力的约束,随着试验的进行,试样或是被压成鼓形或是被挤成颈状形,试样整体轴向应变发展不够均匀。同时,在试验过程中,试样加载杆与试样帽之间以及试样两端的试样帽、透水石、滤纸和试样之间的接触面会产生压密变形,这种变形叠加到试样的变形上必然会影响轴向变形测量结果的准确性和可信度。在一般三轴试验中,使用外置位移计测量其应变发展,测量试样平均应变值,因各局部应变是不一致,使用平均应变值作为参考量是不合理的。由于试样中部是不受到端部效应的影响,且试样中部的受力状态与实际工程中土体单元受力状态更为一致,因此需要精确地测量试样中部各局部的轴向变形。
目前,很多学者针对局部变形测量的方法做了相关研究,主要采用两类测量方法:接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法可采用直线位移传感器(LVDT)、悬臂式局部位移计(Cantilever-LDT)、局部位移计(LDT)等;非接触式测量方法一般采用激光量测系统(PSD)、数字图像测量技术(PIV)等。
接触式测量主要是在试样体表面布置局部位移计、应变片或者激光装置,进行直接测量。非接触式测量主要是采用图像测量技术,测量试样体表面场局部应变。以上两种测试方法均存在各自的缺陷与不足,接触式测量需要在试样体表面相应位置安装一定数量位移计,应变片等,来测量该部位的变形,在试验过程一定程度上干扰试样变形的发展,通常是不适用在试样发生大变形的场合。同时,由于动态试验情况下对测试设备会有扰动,测量准确性和精度会受到影响。非接触式测量在试验过程中不会对试样体产生干扰,但是非接触式测量是利用图像分析试样表面应变的发展状况,由于试样体表面颗粒与乳胶膜之间存在摩擦错位的现象,因而表面应变发展与实际试样体内部应变发展不一致,测量准确性和精度存在一定的不确定性。
由此,提出一种利用电磁感应技术准确测量试样内部局部应变的方法,针对该方法的测量方式提出一种反向标定的装置及方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明为现有试验测量装置提供一种结构合理、装配简单、操作方便且适用性强的反向标定的装置,解决三轴试验中精准测试样内部局部应变测量的问题。
为了达到上述目的,本发明的技术方案为:
一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置,所述的反向标定装置在传统的中型三轴试验仪的基础上,增设两个独立可移动式的线圈系统A、B,两个可移动式的线圈系统串联上下布置,所述可移动式线圈系统包括伺服电机、丝杠螺母组合、导环、环形线圈、信号放大器、滤波器、电压积分器。
所述的可移动式的线圈系统A包括伺服电机A2、丝杠A5、螺母A6、导环A7、环形线圈A8、导环B9,可移动式的线圈系统B包括伺服电机B3、丝杠B11、螺母B12、导环C13、环形线圈B14、导环D15。所述压力室内部设有三个压力室柱,压力室柱A20从上至下架设导环A7和导环D15,压力室柱B21从上至下架设导环B9和导环C13;将导环A7与导环B9置于同一水平面,将环形线圈A8与导环A7和导环B9连接,通过螺母A6将导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体与丝杠A5下端连接;将导环C13和导环D15置于同一水平面,通过螺母B12将导环C13、导环D15和环形线圈B14组合体与丝杠B11下端连接;丝杠A5上端与伺服电机A2输出轴连接;丝杠B11上端与伺服电机B3输出轴连接;所述伺服电机A2、伺服电机B3设在压力室上盘4上方指定位置;将环形线圈A8和环形线圈B14依次与信号放大器、滤波器、电压积分器及电脑连接,信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号(速度信号)进行积分处理得到位移信号。
所述的伺服电机采用高精度位置控制式伺服电机,脉冲数为10000个/圈。丝杠的螺距采用0.1mm,具有较高的运动速度和位置控制精度,能够满足测量要求。信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号(速度信号)进行积分处理得到位移信号。
在高压水环境条件下,控制单片机输入脉冲信号,伺服电机的输出轴带动环形线圈上下移动,试样保持静止状态,磁场稳定,线圈移动切割磁感线,获得电压信号,经信号放大器,滤波器,电压积分器获得最终位移信号。将获取的位移信号,与实际伺服电机输出轴移动的位移进行对比,得到标定系数。完成对量测装置的标定。
一种基于上述装置的动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定方法,该反向标定方法采用电磁感应原理,基于中型三轴试验仪进行可移动式环形线圈量测装置的反向标定。
该装置基于的电磁感应原理简单介绍如下:电磁感应原理:闭合电路在磁场里做切割磁感线的运动时,电路中就会产生电动势,产生的电动势称为感应电压。
利用计算电动势的公式:
E=B·L·V (1)
其中,B表示磁场强度,由于使用磁场强度较大,且在测量过程中,位移相对较小,可以认为磁场强度为定值;L为线圈的长度(闭合电路的长度);V表示磁球移动的速度(实际表示试验内部应变发展的速度);E表示感应电动势,即电压值。
由获取电压信号(速度信号),经电压积分器获得位移信号,电压积分器处理原理如公式(2)(3)所示:
其中,B表示磁场强度,由于使用磁场强度较大,且在测量过程中,位移相对较小,可以认为磁场强度为定值;L为线圈的长度(闭合电路的长度);v表示颗粒状磁体移动的速度(实际表示试验内部应变发展的速度);E表示感应电动势,即电压值;S(t)表示位移;t0、t1表示时间点;v(t)表示速度,与上述颗粒状磁体移动速度相同。
具体实施过程,包括:
(1)采用中型三轴试验设备,按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法制备三轴试样。在需量测部位上端中心位置埋置颗粒状磁体A10,下端中心埋置颗粒状磁体B16,至制样完毕。
(2)在压力室柱A20从上至下架设导环A7和导环D15,压力室柱B21从上至下架设导环B9和导环C13;将导环A7与导环B9置于同一水平面,将环形线圈A8与导环A7和导环B9连接,通过螺母A6将导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体与丝杠A5下端连接,旋拧螺母A6,可以调整上述组合体位置;导环C13和导环D15置于同一水平面,通过螺母B12将导环C13、导环D15和环形线圈B14组合体与丝杠B11下端连接,旋拧螺母B12,可以调整上述组合体位置;丝杠A5上端与伺服电机A2输出轴连接;丝杠B11上端与伺服电机B3输出轴连接;所述伺服电机A2、伺服电机B3设在压力室上盘4上方指定位置;将环形线圈A8和环形线圈B14依次与信号放大器、滤波器、电压积分器、电脑连接,完成设备组装。信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号(速度信号)进行积分处理得到位移信号。
(3)在试样18安装前,旋拧螺母A6,移动导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体,将上述组合体置于试样帽17上方;旋拧螺母B12,移动导环D15、导环C13和环形线圈B14组合体,将上述组合体置于试样帽17上方。在试样18外套置乳胶膜,将试样18放置在底座19上,在试样18上端放置试样帽17,绑扎乳胶膜上下端,完成试样安装。
(4)根据试样体内颗粒状磁体A10和颗粒状磁体B16的具体位置,旋拧螺母A6,移动导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体,使环形线圈A8中心位置与颗粒状磁体A10位置重合,拧紧螺母A6,限定环形线圈A8位置;旋拧螺母B12,移动导环D15、导环C13和环形线圈B14组合体,使环形线圈B14中心位置与颗粒状磁体B16位置重合,拧紧螺母B12,限定环形线圈B14位置。
(5)在压力室外套置压力室罩,将压力室上盘4和压力室下盘23与压力室罩密封连接,向压力室内注水至充满压力室,连接轴1与液压加压装置连接,加压至30kPa,按《土工试验规程》(SL237-1999)中方法对试样进行通气、饱和,完成上述环节,控制液压加压装置加压至试验要求的围压,固结试样。
(6)固结完成后,对动态三轴试验试样内部局部应变测量装置进行现场反向标定,如图4。两套可移动式环形线圈系统,系统A包括:伺服电机A2、丝杠A5、螺母A6、导环A7、环形线圈A8、导环B9;系统B包括:伺服电机B3、丝杠B11、螺母B12、导环C13、环形线圈B14、导环D15。以其中系统A为例,进行反向标定过程说明。控制单片机给伺服电机A2脉冲信号,伺服电机A2输出端带动丝杠A5,丝杠A5带动环形线圈A8以恒定速度沿试样18长轴方向上下移动扫描试样18局部,环形线圈A8切割磁感线,获得电压信号,经信号放大器、滤波器、电压积分器获得最终位移信号。将获取的位移信号与伺服电机A2输出端移动的实际位移进行对比,得到拟合曲线,得到最终标定系数。
上述的标定过程称为反向标定过程:试验过程中,试样变形,颗粒状磁体随之移动;在标定过程中,试样静止,沿试样长轴向移动环形线圈。
为实现三轴试验试样内部局部应变的精准测量,设计了可移动式环形线圈量测系统,本发明的有益效果是:
(1)在线标定:每次试验之前都可以进行标定,可以有效地保证测量的精确性。
(2)能够在高压水环境条件下进行在线反向标定,与试验环境相同(常规传感器无法实现耐压和防水)。在高压水环境条件下,利用伺服电机输出端带动丝杠移动环形线圈,实现量测装置的反向移动,对量测装置的现场标定,为试验结果提供更为可靠的参考标准,从而实现试样内部局部应变的实时精准测量。
(3)本发明可以移动线圈进行反向标定,在试验过程中移动颗粒状磁体进行量测。
(4)本发明装置结构简单精巧、布局合理、,操作方便,解决了高压水环境条件下的量测装置的现场标定。为土工试验和土力学的发展提供了更便利、更有效的量测手段,具有良好的推广价值。
附图说明
图1中型三轴仪及动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置轴测图;
图2中型三轴仪及动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置正视图;
图3中型三轴仪及动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置俯视图;
图4标定过程与试验过程对比图;
图中:1连接轴;2伺服电机A;3伺服电机B;4压力室上盘;5丝杠A;6螺母A;7导环A;8环形线圈A;9导环B;10颗粒状磁体A;11丝杠B;12螺母B;13导环C;14环形线圈B;15导环D;16颗粒状磁体B;17试样帽;18试样;19底座;20压力室柱A;21压力室柱B;23压力室底盘。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图1~4详细叙述本发明的具体实施方式:
一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置,所述的反向标定装置在传统的中型三轴试验仪的基础上,增设两个独立可移动式的线圈系统A、B,两个可移动式的线圈系统串联上下布置,所述可移动式线圈系统主要由伺服电机、丝杠螺母组合、导环、环形线圈、信号放大器、滤波器、电压积分器等组成。
所述的可移动式的线圈系统A包括伺服电机A2、丝杠A5、螺母A6、导环A7、环形线圈A8、导环B9,可移动式的线圈系统B包括伺服电机B3、丝杠B11、螺母B12、导环C13、环形线圈B14、导环D15。所述压力室内部设有三个压力室柱,压力室柱A20从上至下架设导环A7和导环D15,压力室柱B21从上至下架设导环B9和导环C13;将导环A7与导环B9置于同一水平面,将环形线圈A8与导环A7和导环B9连接,通过螺母A6将导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体与丝杠A5下端连接;将导环C13和导环D15置于同一水平面,通过螺母B12将导环C13、导环D15和环形线圈B14组合体与丝杠B11下端连接;丝杠A5上端与伺服电机A2输出轴连接;丝杠B11上端与伺服电机B3输出轴连接;所述伺服电机A2、伺服电机B3设在压力室上盘4上方指定位置;环形线圈A8和环形线圈B14依次与信号放大器、滤波器、电压积分器及电脑连接,信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号(速度信号)进行积分处理得到位移信号。
一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置和方法,该装置采用的基本原理是电磁感应原理,基于中型三轴试验仪进行可移动式环形线圈量测装置的反向标定。
该装置基于的电磁感应原理简单介绍如下:电磁感应原理:闭合电路在磁场里做切割磁感线的运动时,电路中就会产生感应电动势,产生的电动势称为感应电压。
利用计算电动势的公式:
E=B·L·V (1)
其中,B表示磁场强度,由于使用磁场强度较大,且在测量过程中,位移相对较小,可以认为磁场强度为定值;L为线圈的长度(闭合电路的长度);v表示磁球移动的速度(实际表示试验内部应变发展的速度);E表示感应电动势,即电压值。
具体实施过程,包括:
(1)采用中型三轴试验设备,按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法制备三轴试样。在需量测部位上端中心位置埋置颗粒状磁体A10,下端中心埋置颗粒状磁体B16,至制样完毕。
(2)在压力室柱A20从上至下架设导环A7和导环D15,压力室柱B21从上至下架设导环B9和导环C13;将导环A7与导环B9置于同一水平面,将环形线圈A8与导环A7和导环B9连接,通过螺母A6将导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体与丝杠A5下端连接;将导环C13和导环D15置于同一水平面,通过螺母B12将导环C13、导环D15和环形线圈B14组合体与丝杠B11下端连接;丝杠A5上端与伺服电机A2输出轴连接,丝杠B11上端与伺服电机B3输出轴连接;所述伺服电机A2、伺服电机B3设在压力室上盘4上方指定位置;将环形线圈A8和环形线圈B14依次与信号放大器、滤波器、电压积分器、电脑连接,完成设备组装。信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号(速度信号)进行积分处理得到位移信号。
(3)在试样18安装前,旋拧螺母A6,移动导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体,将上述组合体置于试样帽17上方;旋拧螺母B12,移动导环D15、导环C13和环形线圈B14组合体,将上述组合体置于试样帽17上方。在试样18外套置乳胶膜,将试样18放置在底座19上,在试样18上端放置试样帽17,绑扎乳胶膜上下端,完成试样安装。
(4)根据试样体内颗粒状磁体A10和颗粒状磁体B16的具体位置,旋拧螺母A6,移动导环A7、导环B9和环形线圈A8组合体,使环形线圈A8中心位置与颗粒状磁体A10位置重合,拧紧螺母A6,限定环形线圈A8位置;旋拧螺母B12,移动导环D15、导环C13和环形线圈B14组合体,使环形线圈B14中心位置与颗粒状磁体B16位置重合,拧紧螺母B12,限定环形线圈B14位置。
(5)在压力室外套置压力室罩,将压力室上盘4和压力室下盘23与压力室罩密封连接,向压力室内注水至充满压力室,连接轴1与液压加压装置连接,加压至30kPa,按《土工试验规程》(SL237-1999)中方法对试样进行通气、饱和,完成上述环节,控制液压加压装置加压至试验要求的围压,固结试样。
(6)固结完成后,对动态三轴试验试样内部局部应变测量装置进行现场反向标定,如图4。两套可移动式线圈系统,系统A包括:伺服电机A2、丝杠A5、螺母A6、导环A7、环形线圈A8、导环B9;系统B包括:伺服电机B3、丝杠B11、螺母B12、导环C13、环形线圈B14、导环D15。以其中系统A为例,进行反向标定过程说明。控制单片机给伺服电机A2脉冲信号,伺服电机A2输出端带动丝杠A5,丝杠A5带动环形线圈A8以恒定速度沿试样18长轴方向上下移动扫描试样18局部,环形线圈A8切割磁感线,获得电压信号,经信号放大器,滤波器,电压积分器获得最终位移信号。将获取的位移信号,与伺服电机A2输出端移动的实际位移进行对比,得到拟合曲线,得到最终标定系数。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式,但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置,其特征在于,所述的反向标定装置在传统的中型三轴试验仪的基础上,增设两个独立可移动式环形线圈系统A、B,两个可移动式环形线圈系统A、B并联上下布置;该反向标定装置能够在高压水环境条件下进行在线反向标定,具体结构如下:
所述的可移动式环形线圈系统A包括伺服电机A(2)、丝杠A(5)、螺母A(6)、导环A(7)、环形线圈A(8)、导环B(9),可移动式环形线圈系统B包括伺服电机B(3)、丝杠B(11)、螺母B(12)、导环C(13)、环形线圈B(14)、导环D(15);压力室内部设有三个压力室柱,压力室柱A(20)从上至下架设导环A(7)和导环D(15),压力室柱B(21)从上至下架设导环B(9)和导环C(13);将导环A(7)与导环B(9)置于同一水平面,将环形线圈A(8)与导环A(7)和导环B(9)连接,通过螺母A(6)将导环A(7)、导环B(9)和环形线圈A(8)组合体与丝杠A(5)下端连接;导环C(13)和导环D(15)置于同一水平面,通过螺母B(12)将导环C(13)、导环D(15)和环形线圈B(14)组合体与丝杠B(11)下端连接;丝杠A(5)上端与伺服电机A(2)输出轴连接;丝杠B(11)上端与伺服电机B(3)输出轴连接;所述伺服电机A(2)、伺服电机B(3)设在压力室上盘(4)上方指定位置;所述环形线圈A(8)和环形线圈B(14)依次与信号放大器、滤波器、电压积分器、电脑连接;
三轴试样需量测部位上端中心位置埋置颗粒状磁体A(10),下端中心埋置颗粒状磁体B(16)。
2.采用权利要求1所述的动态三轴试验试样内部局部应变测量的反向标定装置的反向标定方法,其特征在于,所述的反向标定方法能够在线标定,每次试验之前都可以进行标定,保证测量的精确性;能够在高压水环境条件下进行在线反向标定,与试验环境相同,利用伺服电机A (2)、B (3)带动丝杠A(5)、B(11)移动环形线圈A(8) 、B(14),实现量测装置的反向移动,对量测装置进行现场标定,实现试样内部局部应变的实时精准测量;在试验过程中,试样(18)变形,颗粒状磁体A(10) 、B(16)移动;在标定过程中,试样(18)静止,沿试样(18)长轴向移动环形线圈A(8)、B(14);具体包括以下步骤:
1)采用中型三轴试验设备,按编号为SL237-1999的《土工试验规程》中常规试验方法制备三轴试样,在需量测部位上端中心位置埋置颗粒状磁体A(10),下端中心埋置颗粒状磁体B(16),至制样完毕;
2)在压力室柱A(20)从上至下架设导环A(7)和导环D(15),压力室柱B(21)从上至下架设导环B(9)和导环C(13);将导环A(7)与导环B(9)置于同一水平面,将环形线圈A(8)与导环A(7)和导环B(9)连接,通过螺母A(6)将导环A(7)、导环B(9)和环形线圈A(8)组合体与丝杠A(5)下端连接,旋拧螺母A(6),可以调整上述组合体位置;导环C(13)和导环D(15)置于同一水平面,通过螺母B(12)将导环C(13)、导环D(15)和环形线圈B(14)组合体与丝杠B(11)下端连接,旋拧螺母B(12),可以调整上述组合体位置;丝杠A(5)上端与伺服电机A(2)输出轴连接;丝杠B(11)上端与伺服电机B(3)输出轴连接;所述伺服电机A(2)、伺服电机B(3)设在压力室上盘(4)上方指定位置,将环形线圈A(8)和环形线圈B(14)依次与信号放大器、滤波器、电压积分器、电脑连接,完成设备组装,信号放大器将采集获取的电压值信号进行放大处理,滤波器是对信号中的噪声进行有效滤除,得到一个特定频率的电压信号;电压积分器是对电压信号或速度信号进行积分处理得到位移信号;
3)在试样(18)安装前,旋拧螺母A(6),移动导环A(7)、导环B(9)和环形线圈A(8)组合体,使上述组合体置于试样帽(17)上方;旋拧螺母B(12),移动导环D(15)、导环C(13)和环形线圈B(14)组合体,使上述组合体置于试样帽(17)上方,试样(18)外套置乳胶膜,将试样(18)放置在底座(19)上,在试样(18)上端放置试样帽(17),绑扎乳胶膜上下端,完成试样安装;
4)根据试样体内颗粒状磁体A(10)和颗粒状磁体B(16)的具体位置,旋拧螺母A(6),移动导环A(7)、导环B(9) 和环形线圈A(8)组合体,使环形线圈A(8)中心位置与颗粒状磁体A(10)位置重合,拧紧螺母A(6),限定环形线圈A(8)位置;旋拧螺母B(12),移动导环D(15)、导环C(13) 和环形线圈B(14)组合体,使环形线圈B(14)中心位置与颗粒状磁体B(16)位置重合,拧紧螺母B(12),限定环形线圈B(14)位置;
5)在压力室外套置压力室罩,将压力室上盘(4)和压力室下盘(23)与压力室罩密封连接,向压力室内注水至充满压力室,连接轴1与液压加压装置连接,加压至30kPa,按编号为SL237-1999的《土工试验规程》中方法对试样进行通气、饱和,完成上述环节,控制液压加压装置加压至试验要求围压,固结试样;
6)固结完成后,对动态三轴试验试样内部局部应变测量装置进行现场反向标定;两套可移动式环形线圈系统,系统A包括:伺服电机A(2)、丝杠A(5)、螺母A(6)、导环A(7)、环形线圈A(8)、导环B(9);系统B包括:伺服电机B(3)、丝杠B(11)、螺母B(12)、导环C(13)、环形线圈B(14)、导环D(15),系统A的反向标定过程是控制单片机给伺服电机A(2)脉冲信号,伺服电机A(2)输出端带动丝杠A(5),丝杠A(5)带动环形线圈A(8)以恒定速度沿试样(18)长轴方向上下移动扫描试样(18)局部,环形线圈A(8)切割磁感线,获得电压信号,经信号放大器,滤波器,电压积分器获得最终位移信号,将获取的位移信号,与伺服电机A(2)输出端移动的实际位移进行对比,得到拟合曲线,得到最终标定系数。
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