CN110531408A - 一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统及方法。本发明将地震检波器安装在巷道壁一定深度的钻孔内并利用碳素弹簧钢丝完成地震检波器贴壁推靠,使检波器和钻孔壁实现紧密耦合,极大的降低了地震检波器反复拆装的施工难度及成本,解决了地震检波器受安装环境的噪声影响和浅孔内安装时的贴壁耦合问题,通过皮带支架自供电装置合理有效地收集煤矿井下皮带支架的机械振动能量,并将能量提供给与之相连的地震监测系统使用,保证节点持续有效地工作。用较小的成本解决了煤矿井下有缆供电方式布线困难,电池供电方式经常更换电池维护成本高的缺点,使地震监测系统的移动性和适应性得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震监测系统及方法,属于矿井地震勘探技术领域,具体是涉及一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统及方法。
背景技术
煤矿自动化、智能化开采技术的推广及应用,要求掘进工作面前方进行频繁、动态、精准探测。
目前常用的地震超前探测仪器及方法还处在现场采集数据、地面处理解释阶段。煤矿现场应用时经常存在探测成果周期长,无法实现探、掘协调作业和掘进工作面前方构造信息获取不及时等因素严重影响矿井工作面巷道掘进的速度,越来越难以适应矿井生产任务要求。
矿井掘进工作面空间有限,各种地面物探设备应用于矿井长期监测,小型化、轻便化、智能化设计是首要条件。煤矿井下掘进工作面物探设备首先需要具备滚动探测的能力,其次是配套可供长期监测的电源和便捷的数据回收方式。传统的被动地震监测系统多采用有线的方式进行监测及数据传输,因此在矿井下就会出现布线困难的情况。另一方面传统的被动地震监测系统采用有线电缆供电,这种供电方式具有布线困难,成本昂贵等缺点;而采用电池供电的方式由于电池电量有限,随着节点的工作,电池电量逐渐消耗殆尽,需要频繁更换供电电池,这就增加了监测节点的维护成本,并且不能保证节点的持续工作。
因此开发一套易布置、易操作、易维护的地震监测系统,实现矿井掘进工作面智能探测,不仅可以提高生产效率,而且可以保障掘进生产安全,达到安全高效采煤的目的。
发明内容
本发明的目的是针对煤矿井下掘进超前探测施工复杂的不足,随巷道掘进需反复多次进行施工探测、探掘作业不协调、成果周期长的问题,提供一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统及方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,包括:
皮带支架自供电装置,包括固定在皮带支架上的压电材料支撑的悬臂梁,用于将所述皮带机的机械振动能量转化为电能供给采集分站;
采集分站,通过数传电缆接入地震监测系统进行地震数据采集,每个采集分站至少包括一个浅孔地震检波器。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述皮带支架自供电装置进一步包括:
H型钢转接机壳,包括在底座上相对设置的两个L型长梁,所述L型长梁和底座构成一个中间开口的安装槽,皮带机的H型钢的一边嵌入所述安装槽中;
振动能量收集管理装置,包括振动压电模块,该振动压电模块包括之字形悬臂梁以及设置于所述之字形悬臂梁上的压电材料;所述之字形悬臂梁通过所述H型钢转接机壳连接于所述皮带机的H型钢上。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述振动能量收集管理装置还包括:
依次连接的振动压电模块、升压稳压整流芯片、锂电池充电芯片、本安型锂电池组、锂电池管理单元;
所述升压稳压整流芯片对由皮带运转产生的机械能量转换形成的交流电进行稳流稳压处理,并将电能存储于本安型锂电池组内;
所述本安型锂电池组通过锂电池管理单元为每个单道采集分站进行单独供电。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,
所述升压稳压整流芯片采用MC34063升压稳压芯片对发电模块转化的电能进行升压稳压处理,并将整流后的电能存储在锂电池组中。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述采集分站包括数据处理核心单元,所述数据处理核心控制单元用于控制采集分站正常运行,包括将接收的模拟信号转换成数字信号的AD转换模块和信号调理控制模块、用于地震监测系统中各采集分站进行时间校准的时钟同步模块、用于为地震监测系统中各采集分站提供定位的相对位置服务模块、用于向其他采集分站之间传送采集信号和命令的数据转发通信单元,用于回收地震监测数据的数据存储文件系统和移动存储介质;
其中,所述主控核心控制单元与皮带支架自供电装置连接,由皮带支架自供电装置为主控核心控制单元及其从属模块提供电能。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述浅孔地震检波器包括地震检波器外壳以及弹簧钢丝,所述弹簧钢丝的一端固定于所述地震检波器壳体上,另一端朝远离震检波器壳体的方向向外沿伸。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述弹簧钢丝为U形碳素弹簧钢丝。
优选的,上述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,所述地震检波器外壳尾部采用两重防水设计,机芯采用28Hz横波检波器,信号传输线缆采用两芯屏蔽线,所述信号传输线缆的一端与检波器机芯连接,信号传输线缆的另一端穿过外壳尾部防水旋套与单道采集分站连接。
一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测方法,包括:
在皮带支架上的悬臂梁上设置压电材料,利用所述压电材料将所述皮带机的机械振动能量转化为电能供给采集分站;
通过数传电缆将采集分站接入地震监测系统进行地震数据采集,每个采集分站至少包括一个浅孔地震检波器。
一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测方法,包括:
将地震监测系统中的若干分站布置在待监测区域,每个采集分站均与皮带之间自供电装置及浅孔地震检波器连接,采集分站之间通过数传电缆连接;
在已布置的任意一个采集分站中插入包含有监控系统配置参数的SD卡,激活该采集分站,并用内置程序将其定义为父采集分站,其中配置的参数包括地震信号放大倍数、AD采样率;
父采集分站通过数传电缆激活连接到地震监测系统的若干子采集分站正常运行,通过主控核心控制单元上的相对位置服务模块及数据传输通信模块获取父采集分站和子采集分站的相对位置信息,并将所有在线的采集分站相对位置信息通过数据存储文件系统保存到移动存储设备SD卡中;
父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送时间同步信号,各子采集分站主控核心控制单元上的时间同步模块处理收到的时间同步信号,再将处理后信号返回给父采集分站,实现地震监测系统中各采集分站的时间一致性;
采集分站的时间同步完成后,父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送采集命令及采集参数,地震监测系统进入正常运行状态;
地震监测系统中的子采集分站由数据转发通信模块将采集的地震数据打包、上传,通过数传电缆实时传输至父采集分站,父采集分站收到子采集分站上传的数据后,内置的数据存储文件系统按照各采集分站ID编号对数据以一定的格式文件存储在移动存储介质SD卡中。
因此,本发明具有如下优点:(1)将地震检波器安装在巷道壁一定深度的钻孔内并利用碳素弹簧钢丝完成地震检波器贴壁推靠,使检波器和钻孔壁实现紧密耦合,极大的降低了地震检波器反复拆装的施工难度及成本,解决了地震检波器受安装环境噪声影响和浅孔内安装时贴壁耦合等问题。
(2)通过皮带支架自供电装置合理有效地收集煤矿井下皮带支架的机械振动能量,并将能量提供给与之相连的地震监测系统供其使用,保证节点持续有效地工作。用较小的成本解决了煤矿井下有缆供电方式布线困难、电池供电方式频繁更换电池、维护成本高的缺点,使地震监测系统的移动性和适应性得到提高。
(3)利用压电材料把任何形式的皮带振动能转换成电能,而且与电磁式和静电式的能量收集方式相比,此方式的力电转换性能好,无需额外电源,易微型化,对有限的掘进巷道空间占用较少。
(4)摒弃了传统分布式仪器电源站及交叉站组织模式,采集分站直接由数传电缆连接,地震监测系统布局组网更加便捷,可扩展性强。
(5)随着巷道掘进不断形成,单道采集分站可随时移动到最新掘进巷道位置并在地震监测系统中实现实时更新、数据存储;
(6)可有效降低地震超前探测的施工成本并节约人力资源,降低通信故障的发生概率,提高了地震监测系统的便携性和适应性,使矿井地震数据的采集更方便。
附图说明
附图1是本发明的皮带支架自供电装置机壳结构示意图;
附图2是本发明的皮带支架自供电装置原理图;
附图3是本发明的“之字形”压电悬臂梁示意图;
附图4是本发明的主控核心控制单元系统结构图;
附图5是本发明的采集分站工作流程图;
附图6是本发明的浅孔地震检波器结构示意图。
图中,1—皮带支架H型钢,206—皮带支架自供电装置机壳,2—皮带支架自供电装置,3—地震数据采集分站,201—振动压电模块,202—升压稳压整流芯片,203—本安型锂电池组,204—锂电池管理单元,205—“之字形”悬臂梁,4—主控核心控制单元,5—数传电缆,6—移动存储介质SD卡,7—浅孔地震检波器,401—AD转换模,402—信号调理控制模块,403—时钟同步模块,404—相对位置服务模块,405—数据转发通信单元,406—数据存储文件系统,701—外壳,702—U形碳素弹簧钢丝,703—顶部螺丝,704—异形垫片,705—机芯,706—信号传输线缆。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
本发明的实施例提供了一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统。
下面将结合附图图1-6对本实施例进行说明。
本实施例的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,包括皮带支架自供电装置、采集分站、数传电缆、浅孔地震检波器;下面对几个组成部件进行详细说明。
(1)皮带支架自供电装置
请参考图1-2,皮带支架自供电装置将压电材料支撑的悬臂梁通过机壳固定在皮带支架上,皮带机在进行物料运输时带动皮带支架产生的机械振动能量驱动压电材料发生形变,利用压电材料将煤矿井下掘进环境中普遍存在的皮带支架振动能量转化为电能并储存起来,为地震监测系统提供不竭电力。这种解决方案的供电寿命理论上之取决于组成能量收集器的电子器件的寿命,没有额外的能源消耗。振动发电单元结构简单,对掘进巷道普遍存在的皮带振动进行能量收集,不需要配套其他电气装置及维护人员的投入,不需要通过重新布置电源电缆外接固定供电设备或定时更换供电电池。每个采集分站供电系统独立,使用时若其中一台发生故障,并不影响其他采集分站正常工作,监测过程人力参与较少,对巷道掘进施工作业影响也不大,有利于地震监测系统长久稳定运行。
所述皮带支架自供电装置包括振动能量收集管理装置2和H型钢转接机壳206,所述H型钢转接机壳206由聚酰胺(PA)尼龙塑料材料制成。该材料具有低比重、高抗拉强度、耐磨、加工简便的特点,降低自供电装置重量的同时为皮带支架自供电装置内部元器件提供可靠有效的机械保护。机壳上部设置有两个L形长梁,其作用是将皮带支架自供电装置通过上部设置的6个螺丝孔紧紧固定于皮带支架的H型钢之上,并与皮带支架形成统一振动系统。
所述振动能量收集管理装置2包括振动压电模块201,升压稳压整流芯片202,本安型锂电池组203和锂电池管理单元204。
所述振动发电模块201与升压稳压整流芯片202、本安型锂电池组203、和锂电池管理单元204依次连接,锂电池管理单元204与地震数据采集分站3连接。升压稳压整流芯片202与振动压电模块201连接,对由皮带运转产生的机械能量转换形成的交流电进行稳流稳压处理,并将电能存储于本安型锂电池组203内。本安型锂电池组203通过锂电池管理单元204为每个单道采集分站进行单独供电,锂电池管理单元204可直观地反映锂电池内电量存储情况,并通过内置安全电路保证监测设备的稳定运行。所述升压稳压整流芯片202,采用MC34063升压稳压芯片对发电模块进行整流。
所述锂电池管理单元204包含锂电池组保护板和锂电池组电量显示模块。锂电池组保护板旨在为锂电池组提供过放保护、过充保护、短路保护、过电流保护。
请参考图3,所述振动压电模块201上设置“之字形”悬臂梁205,并在悬臂梁上下覆盖压电材料。压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。皮带机运转时将机械振动能传递到皮带支架及与之紧密依附的压电材料支撑悬臂梁结构,通过压电材料的压电转换机理,将“之字形”悬臂梁变形引起的应变转化为电荷,电荷在压电材料的上下电极形成交流电压,实现将振动能量转为电能,从而进行发电,特别适用于矿井掘进巷道皮带运输引发支架振动的场合发电。
所述压电材料采用聚偏氟乙稀(PVDF)材料制成,具有良好的柔韧性,使用寿命更长。
(2)采集分站
请参考图4,采集分站是地震监测系统的核心单元,主要对掘进工作面巷道前方产生的地震信号进行采集。采集分站由皮带支架自供电装置内置的本安型锂电池组对其进行供电,动态检测本安型锂电池组电源能量状态、浅孔地震检波器在线情况等状态监视。采集分站将浅孔地震检波器传输的地震信号进行本地数字化,通过数传电缆接入地震监测系统进行地震数据采集,采集分站传送的地震信号均为数字信号,不受传输距离和环境的影响。在采集过程中,地震监测系统的多个采集分站之间通过级联数传电缆连接并实时传输采集参数及命令,数据打包和上传,路由相邻采集分站的数据包。
所述采集分站3包括数据处理核心单元4、数传电缆5、SD卡、浅孔地震检波器。
所述主控核心控制单元4用于控制采集分站正常运行,包括将接收的模拟信号转换成数字信号的AD转换模块401、信号调理控制模块402、用于地震监测系统中各采集分站进行时间校准的时钟同步模块403和用于为地震监测系统中各采集分站提供定位的相对位置服务模块404,用于向其他采集分站之间传送采集信号和命令的数据转发通信单元405,用于回收地震监测数据的数据存储文件系统406和移动存储介质SD卡。
所述主控核心控制单元4与皮带支架自供电装置2连接,由皮带支架自供电装置2为主控核心控制单元4及其从属模块提供电能。
所述浅孔地震检波器用于检测地震信号,为单一信号输出,数据处理核心单元4的AD转换模块401与之连接,用于将模拟信号转换为数字信号。
所述AD转换模块采用Σ-Δ型模数转换芯片ADS1274,用数字滤波代替传统的大量模拟滤波电路,在模拟检波器最近距离上进行数字化设计有效避免了模拟信号在传输过程中易产生的信号衰减和噪声影响,大幅度提高了采集信号的信噪比和系统动态范围。
所述数传电缆5将地震监测系统中的多个地震采集分站3逐个级联,采集分站之间通过数传电缆连接并实时传输采集数据。父采集分站通过数传电缆向地震监测系统内子采集分站发送采集、同步等命令,同步所有采集分站的系统时间,长时间无人值守自动采集,接收并保存实时地震监测数据。
请参考图5,图5是本发明实施例中构成地震监测系统的采集分站工作流程图,包括以下步骤:
1、地震监测系统中的若干分站布置在待监测区域,每个采集分站均与皮带之间自供电装置及浅孔地震检波器连接,采集分站之间通过数传电缆连接。
2、在已布置的任意一个采集分站中插入包含有监控系统配置参数的SD卡,激活该采集分站,并用内置程序将其定义为父采集分站,其中配置的参数包括地震信号放大倍数、AD采样率。
3、父采集分站通过数传电缆激活连接到地震监测系统的若干子采集分站正常运行,通过主控核心控制单元上的相对位置服务模块及数据传输通信模块获取父采集分站和子采集分站的相对位置信息,并将所有在线的采集分站相对位置信息通过数据存储文件系统保存到移动存储设备SD卡中。
4、父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送时间同步信号,各子采集分站主控核心控制单元上的时间同步模块处理收到的时间同步信号,再将处理后信号返回给父采集分站,实现地震监测系统中各采集分站的时间一致性。
5、采集分站的时间同步完成后,父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送采集命令及采集参数,地震监测系统进入正常运行状态。
6、地震监测系统中的子采集分站由数据转发通信模块将采集的地震数据打包、上传,通过数传电缆实时传输至父采集分站,父采集分站收到子采集分站上传的数据后,内置的数据存储文件系统按照各采集分站ID编号对数据以一定的格式文件存储在移动存储介质SD卡中。
7、滚动施工情景出现时,若干采集分站需从原安装位置取下,并在新掘进位置重新安装接入地震监测系统。可手动暂停父采集分站的运行状态,将其从地震监测模式进入待机模式。新接入站接入地震监测系统后继续父采集分站的运行状态,地震监测系统重新进入步骤2,主动检测自身运行状态及相邻两侧子采集分站ID编号,实时更新地震监测设备的拓扑结构信息,地震监测系统重新进入正常运行状态。
8、采集作业结束后,施工负责人从父采集分站中取出SD卡,并将其带到地面数据服务器中进行数据处理。取出SD卡的地震监测系统在等待若干时间后进入待机状态。
(3)浅孔地震检波器
请参考图6,地震监测系统根据已设定的采集参数,在工作面巷道掘进过程中,通过在巷道安装若干个浅孔地震检波器进行地震波数据采集,实时监测巷道前方可能存在的地质异常,提高矿井生产的安全。浅孔地震检波器放置在掘进巷道侧帮煤层内一定深度的钻孔中,钻孔的深度为1-2米,直径为38-56mm,孔口用专用炮泥等胶合物封严堵实,以隔绝巷道环境噪声对检波器接收信号的影响,可以提高地震监测系统数据采集质量。
所述浅孔地震检波器包括外壳、U形碳素弹簧钢丝、顶部螺丝、异形垫片、机芯、信号传输线缆。
外壳前端通过顶部螺丝703用异形垫片704固定U形碳素弹簧钢丝702的两个端头。外壳701尾部采用两重防水设计,保证机芯在潮湿环境仍能正常工作。地震检波器的外壳采用仿圆锥体流线型设计,方便地震检波器进入巷道壁的钻孔内以及弹簧钢丝受钻孔孔径约束的预留变形空间。机芯705采用28Hz横波检波器。信号传输线缆706采用两芯屏蔽线,线缆的一端与检波器机芯连接,信号传输线缆的另一端穿过外壳尾部防水旋套与单道采集分站4连接。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,包括:
皮带支架自供电装置,包括固定在皮带支架上的压电材料支撑的悬臂梁,用于将所述皮带机的机械振动能量转化为电能供给采集分站;
采集分站,通过数传电缆接入地震监测系统进行地震数据采集,每个采集分站至少包括一个浅孔地震检波器。
2.根据权利要求1所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述皮带支架自供电装置进一步包括:
H型钢转接机壳,包括在底座上相对设置的两个L型长梁,所述L型长梁和底座构成一个中间开口的安装槽,皮带机的H型钢的一边嵌入所述安装槽中;
振动能量收集管理装置,包括振动压电模块,该振动压电模块包括之字形悬臂梁以及设置于所述之字形悬臂梁上的压电材料;所述之字形悬臂梁通过所述H型钢转接机壳连接于所述带机的H型钢上。
3.根据权利要求2所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述振动能量收集管理装置还包括:
依次连接的振动压电模块、升压稳压整流芯片、锂电池充电芯片、本安型锂电池组、锂电池管理单元;
所述升压稳压整流芯片对由皮带运转产生的机械能量转换形成的交流电进行稳流稳压处理,并将电能存储于本安型锂电池组内;
所述本安型锂电池组通过锂电池管理单元为每个单道采集分站进行单独供电。
4.根据权利要求3所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,
所述升压稳压整流芯片采用MC34063升压稳压芯片对发电模块转化的电能进行升压稳压处理,并将整流后的电能存储在锂电池组中。
5.根据权利要求1所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述采集分站包括数据处理核心单元,所述数据处理核心控制单元用于控制采集分站正常运行,包括将接收的模拟信号转换成数字信号的AD转换模块和信号调理控制模块、用于地震监测系统中各采集分站进行时间校准的时钟同步模块、用于为地震监测系统中各采集分站提供定位的相对位置服务模块、用于向其他采集分站之间传送采集信号和命令的数据转发通信单元,用于回收地震监测数据的数据存储文件系统和移动存储介质;
其中,所述主控核心控制单元与皮带支架自供电装置连接,由皮带支架自供电装置为主控核心控制单元及其从属模块提供电能。
6.根据权利要求1所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述浅孔地震检波器包括地震检波器外壳以及弹簧钢丝,所述弹簧钢丝的一端固定于所述地震检波器壳体上,另一端朝远离震检波器壳体的方向向外沿伸。
7.根据权利要求6所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述弹簧钢丝为U形碳素弹簧钢丝。
8.根据权利要求6所述的一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测系统,其特征在于,所述地震检波器外壳尾部采用两重防水设计,机芯采用28Hz横波检波器,信号传输线缆采用两芯屏蔽线,所述信号传输线缆的一端与检波器机芯连接,信号传输线缆的另一端穿过外壳尾部防水旋套与单道采集分站连接。
9.一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测方法,其特征在于,包括:
在皮带支架上的悬臂梁上设置压电材料,利用所述压电材料将所述皮带机的机械振动能量转化为电能供给采集分站;
通过数传电缆将采集分站接入地震监测系统进行地震数据采集,每个采集分站至少包括一个浅孔地震检波器。
10.一种矿井掘进工作面自供电分布式地震监测方法,其特征在于,包括:
将地震监测系统中的若干分站布置在待监测区域,每个采集分站均与皮带之间自供电装置及浅孔地震检波器连接,采集分站之间通过数传电缆连接;
在已布置的任意一个采集分站中插入包含有监控系统配置参数的SD卡,激活该采集分站,并用内置程序将其定义为父采集分站,其中配置的参数包括地震信号放大倍数、AD采样率;
父采集分站通过数传电缆激活连接到地震监测系统的若干子采集分站正常运行,通过主控核心控制单元上的相对位置服务模块及数据传输通信模块获取父采集分站和子采集分站的相对位置信息,并将所有在线的采集分站相对位置信息通过数据存储文件系统保存到移动存储设备SD卡中;
父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送时间同步信号,各子采集分站主控核心控制单元上的时间同步模块处理收到的时间同步信号,再将处理后信号返回给父采集分站,实现地震监测系统中各采集分站的时间一致性;
采集分站的时间同步完成后,父采集分站通过数传电缆向连接到地震监测系统的若干子采集分站发送采集命令及采集参数,地震监测系统进入正常运行状态;
地震监测系统中的子采集分站由数据转发通信模块将采集的地震数据打包、上传,通过数传电缆实时传输至父采集分站,父采集分站收到子采集分站上传的数据后,内置的数据存储文件系统按照各采集分站ID编号对数据以一定的格式文件存储在移动存储介质SD卡中。
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