CN112098331A - 一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法,该系统包含:基座;采样试管,设置于基座上,包含燃料油、稀释剂和沉淀剂;近红外光光源,设置于采样试管的一侧向采样试管发射近红外光;红外光感应接收器,与近红外光光源相对设置,近红外光光源发射的近红外光经采样试管到红外光感应接收器;数据采集模块,分别与近红外光光源和红外光感应接收器连接采集其光强度;中心计算机,对数据采集模块采集的数据处理并存储,得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系;驱动装置,使近红外光光源和红外光感应接收器发生同步移动实现对采样试管的同步扫描。其优点是:该扫描系统结构简单,操作方便,测试过程中多处采样,测试结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及透光度测试领域,具体涉及一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法。
背景技术
重质燃料油的稳定性问题普遍存在于交通运输、发电、化工、冶金、轻工业等行业,这已成为国内外研究的热点和难点。重质燃料油的不稳定性主要是由沥青质的絮凝沉淀所导致的。目前对于检测沥青质絮凝沉淀的方法主要包括两类,一类是沥青质沉淀点的检测,另一类是沥青质沉淀量的检测。Andersen、Bartholdy及Buckley等利用光学仪器,如折光率仪等对燃料油胶体体系的稳定性进行表征。采用的方法为向稀释剂稀释后的燃料油中匀速缓慢地滴加沉淀剂,当沥青质出现絮凝沉淀时,体系的透光率、折射率(RI)等光学特性或者临界胶束浓度(CMC)等会发生突变。但是通常当沥青质的含量较低时,仪器不能够及时的响应,导致沥青质的沉淀点难于测定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法,该扫描系统通过将基座、采样试管、近红外光光源、红外光感应接收器、数据采集模块、驱动装置和中心计算机等相结合,当燃料油中沥青质的含量较低时,也能及时的响应,实现对燃料油透光度的测试,进而实现燃料油稳定性的优劣判断;另外,该系统各组成部件廉价易得,价格成本较低,经济性优良,其操作简单,检测时间较短,其对燃料油进行透光度测试,不会改变油品的性质和结构,测试结果更加客观,在测试过程中,可测试不同高度位置处的透光度,而不是只针对某一节点,多处采样,测试结果更加可靠。
为了达到上述目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种燃料油透光度感应扫描系统,该系统包含:
基座,用于承载扫描系统内的部件;
采样试管,设置于所述基座上,所述采样试管内包含燃料油、稀释剂和沉淀剂,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀;
近红外光光源,设置于所述采样试管的一侧,所述近红外光光源用于向所述采样试管发射近红外光;
红外光感应接收器,设置于所述采样试管的另一侧,所述红外光感应接收器与所述近红外光光源相对设置,所述近红外光光源发射的近红外光经采样试管到所述红外光感应接收器;
数据采集模块,分别与所述近红外光光源和所述红外光感应接收器连接,数据采集模块分别采集所述近红外光光源和所述红外光感应接收器处的光强度;
中心计算机,与所述数据采集模块连接,所述中心计算机对所述数据采集模块采集的数据处理并存储,由所述中心计算机得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系;
驱动装置,用于使所述采样试管发生晃动进而使样品混合均匀,所述驱动装置还用于使所述近红外光光源和所述红外光感应接收器发生同步移动实现对所述采样试管的同步扫描。
可选的,所述近红外光光源发射的近红外光与所述采样试管垂直。
可选的,所述驱动装置包含:
步进电机,设置于所述基座的底部;
控制模块,生成控制所述步进电机的启停、转速与方向的控制信号;
步进电机驱动设备,分别与所述步进电机和所述控制模块连接,所述步进电机驱动设备接收所述控制模块的控制信号以驱动所述步进电机。
可选的,所述控制模块包含:
PLC控制器,与所述步进电机驱动设备连接,所述PLC控制器用于控制所述步进电机的启停和转向;
数字信号发生器,与所述步进电机驱动设备连接,所述数字信号发生器用于控制所述步进电机的速度。
可选的,所述基座包含:
台座;
台架,其底部与所述台座连接,以便安装所述步进电机,所述台架的顶部一侧开设有弧形开口;
扫描托盘,其与所述台架连接,所述扫描托盘上设置有第一通孔以使所述采样试管穿过,所述扫描托盘两端相对各设置有连接耳结构,以分别连接所述近红外光光源和所述红外光感应接收器;
夹具,其一侧开设有弧形结构,所述夹具与所述台架的顶部连接,所述弧形开口和所述弧形结构形成一第二开孔,所述采样试管穿过所述第二开孔,所述夹具与所述台架共同固定所述采样试管的头部。
可选的,所述扫描托盘由弹性材料制备,所述步进电机的丝杆与所述扫描托盘连接,所述步进电机驱动带动所述扫描托盘晃动进而使所述采样试管晃动以及使所述近红外光光源和所述红外光感应接收器发生同步移动。
可选的,所述台座顶部为凹型结构,所述台架底部卡在所述凹型结构内,并与所述台座固定连接;
和/或,所述台架为C型结构;
和/或,所述扫描托盘与所述台架的中部通过螺栓组件连接;
和/或,所述采样试管为螺口试管,所述第二开孔上边缘为台阶结构,所述台阶结构与所述采样试管的顶部螺口相匹配,以固定所述采样试管。
可选的,和/或,所述数据采集模块可设置其采样频率;
和/或,所述数据采集模块为数据采集卡;
和/或,所述近红外光光源为一近红外光二极管光源;
和/或,所述稀释剂为甲苯,所述沉淀剂为正庚烷,所述数据采集模块的采样频率范围为200~2000hz,所述近红外光的波长为850nm,所述近红外光的光路为圆形光路。
可选的,一种所述的燃料油透光度感应扫描系统的测试方法,该方法包含:
将燃料油、稀释剂和沉淀剂加入采样试管中,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀;
将采样试管悬挂设置于所述基座上;
启动近红外光光源向采样试管发射近红外光,并启动红外光感应接收器接收近红外光;
启动驱动装置轻微晃动所述采样试管以使所述采样试管内的样品混合均匀,所述驱动装置使所述近红外光光源与所述红外光感应接收器发生同步位移;
采用数据采集模块采集所述近红外光光源和所述红外光感应接收器处的近红外光光强,所述中心计算机根据所述数据采集模块的数据得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系。
可选的,所述稀释剂为甲苯,所述沉淀剂为正庚烷,所述数据采集模块的采样频率范围为200~2000hz,所述近红外光的波长为850nm,所述近红外光的光路为圆形光路。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
(1)本发明提高了一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法,该扫描系统通过将基座、采样试管、近红外光光源、红外光感应接收器、数据采集模块、驱动装置和中心计算机等相结合,当燃料油中沥青质的含量较低时,也能及时的响应,实现对燃料油透光度的测试,进而实现燃料油稳定性的优劣判断;
(2)本发明的燃料油透光度感应扫描系统各组成部件廉价易得,价格成本较低,经济性优良,其操作简单,检测时间较短,其对燃料油进行透光度测试,不会改变油品的性质和结构,测试结果更加客观,在测试过程中,近红外光光源和红外光感应接收器发生位移可测试不同高度位置处的透光度,而不是只针对某一节点,多处采样,测试结果更加可靠。
附图说明
图1为本发明的一种燃料油透光度感应扫描系统示意图;
图2为本发明的基座立体结构示意图;
图3为本发明的台架截面示意图;
图4为本发明的台架顶部示意图;
图5为本发明的夹具顶部示意图。
具体实施方式
以下结合附图,通过详细说明一个较佳的具体实施例,对本发明做进一步阐述。
如图1所示,为本发明的一种燃料油透光度感应扫描系统(简称扫描系统),尤其适用于重质燃料油的扫描测试,其包含:基座1、采样试管2、近红外光光源3、红外光感应接收器4、数据采集模块5、驱动装置和中心计算机7。
所述基座1用于承载扫描系统内的部件,所述采样试管2(玻璃管)设置于所述基座1上,所述采样试管2内包含燃料油(可为重质燃料油)、稀释剂和沉淀剂,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀。所述近红外光光源3设置于所述采样试管2的一侧,所述近红外光光源3用于向所述采样试管2发射近红外光。所述红外光感应接收器4设置于所述采样试管2的另一侧与所述近红外光光源3相对设置,所述近红外光光源3发射的近红外光经采样试管2到所述红外光感应接收器4以使所述红外光感应接收器4接收近红外光。所述驱动装置驱动所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4同步移动实现对所述采样试管2的同步扫描,所述驱动装置还用于使所述采样试管2发生轻微晃动进而使样品(即燃料油、稀释剂和沉淀剂)混合均匀。所述数据采集模块5分别与所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4连接,数据采集模块5分别采集所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4处的光强度。所述中心计算机7与所述数据采集模块5连接,所述中心计算机7对所述数据采集模块5采集的数据处理并存储,由所述中心计算机7得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系。
在本实施例中,所述数据采集模块5为数据采集卡,所述数据采集模块5可设置其采样频率,可选的,所述数据采集模块5的采样频率范围为200~2000hz。在本实施例中,数据采集卡的通道数单端16路,采样频率250K,分辨率12位。
另外,所述近红外光光源3为一近红外光二极管光源(由霍尼韦尔公司生产,型号为SE5470-003),所述近红外光的波长为850nm,所述近红外光二极管光源发射的为直径3.5mm的圆形光束,即所述近红外光的光路为圆形光路。近红外光扫描的光路形状可能会影响透光度的检测结果。若使用矩形光路,随着光路宽度的减小,平均透光度的数值越来越小,甚至在宽度为0.1mm的矩形光路下的透光度数值为零,这是由于光路宽度的缩小使部分光源受到遮挡,即等同于光强被减弱,导致透光度的减小。因此,在本实施例中,近红外光的光路采用圆形光路,其光强度不会被宽度影响太大。另外,所述红外光感应接收器4是与近红外光光源3相匹配的接收二极管,同样由霍尼韦尔公司生产,型号为SD5443-003。
进一步的,所述驱动装置包含:步进电机61、控制模块和步进电机驱动设备62。
所述步进电机61(型号为LS8H2028-05-4,步长为0.04mm,最大推力为40N)设置于所述基座1的底部。所述控制模块生成控制所述步进电机61的启停、转速与方向的控制信号。所述步进电机驱动设备62(型号为Haydon DCM4010)分别与所述步进电机61和所述控制模块连接,所述步进电机驱动设备62接收所述控制模块的控制信号以驱动所述步进电机61。
在本实施例中,所述控制模块包含:PLC控制器63和数字信号发生器64。
具体地,所述PLC控制器63(由西门子公司生产,型号为S7-200PLC)与所述步进电机驱动设备62连接,所述PLC控制器63用于控制所述步进电机61的启停和转向。所述数字信号发生器64(型号为TAG-101D)与所述步进电机驱动设备62连接,所述数字信号发生器64用于控制所述步进电机61的速度。
如图2所示,在本实施例中,所述基座1包含:台座11、台架12、扫描托盘13和夹具14。
如图2、图3和图4结合所示,所述台架12为类C型结构,所述台架12底部与所述台座11连接,以便安装所述步进电机61,所述台架12的顶部一侧开设有弧形开口。所述扫描托盘13与所述台架12的中部通过螺栓组件连接,所述扫描托盘13由弹性材料制备,所述扫描托盘13上设置有第一通孔以使所述采样试管2底部穿过,所述扫描托盘13两端相对各设置一个连接耳结构,以分别连接所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4。如图5所示,所述夹具14的一侧开设有弧形结构,所述夹具14与所述台架12的顶部连接,所述弧形开口和所述弧形结构形成一第二开孔,所述采样试管2穿过所述第二开孔,所述夹具14与所述台架12共同固定所述采样试管2的头部。
可选的,所述采样试管2为螺口试管,所述第二开孔上边缘为台阶结构,所述台阶结构与所述采样试管2的顶部螺口相匹配,以使所述采样试管2的螺口卡在所述台阶结构处,进而悬挂固定所述采样试管2。具体地,所述螺口试管的外径为16mm,内径为12mm,长度为140mm,容积为15ml。试管做成螺口的原因是其可与试管帽搭配,并悬挂于基座1上,起到了保证采样试管2垂直度的作用。
在本实施例中,所述台座11顶部为凹型结构,所述台架12底部卡在所述凹型结构内,并与所述台座11固定连接。所述步进电机61的丝杆与所述扫描托盘13通过螺栓连接,所述步进电机61驱动带动所述扫描托盘13上下晃动进而使所述采样试管2轻微晃动。另外,因所述扫描托盘13的两个连接耳分别连接所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4,步进电机61驱动所述扫描托盘13时,可使两者发生同步位移,以扫描测量采样试管2不同高度的透光度,保证了扫描过程中透射光光强采集的连续性。在本实施例中,所述基座1总高度为170mm,扫描托盘13的最大晃动范围为90mm,所述采样试管2的测量范围为自底部向上10mm至55mm处,即所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4的移动扫描范围。
在本实施例中,所述稀释剂为甲苯,所述沉淀剂为正庚烷,甲苯、正庚烷和燃料油的量可使燃料油恰好发生絮凝沉淀。利用正庚烷与甲苯稀释的燃料油混合至沥青质发生絮凝沉淀,在混合过程中对采样试管2内的样品扫描并测量其透光度。在本实施例中,所述近红外光光源3发射的近红外光与所述采样试管2垂直,启动步进电机61自采样试管2底部向上10mm处至55mm处扫描测量,每分钟扫描一次,每次扫描时间为5s,进行多次扫描,扫描16次约为15min。透光度是透射光强度与入射光强度之比,在给定波长的红外光源照射下,溶液的透光度主要与单位体积的沥青质颗粒个数和颗粒粒径有关。所述中心计算机7根据所述数据采集模块5采集的数据进行数据处理,得出透光度随扫描高度的变化的透光度曲线。
在本实施例中,所述中心计算机7采用基于Labview开发的Scan模块串口调试软件,其可记录扫描过程中采集到的透射光光强值,然后将采集到的数据进行处理后输出图像。利用该串口调试软件可以采集到扫描系统检测到的透射光光强,并计算得到透光度。
另外,本发明还提供了一种所述的燃料油透光度感应扫描系统的测试方法,该方法包含:
S1、将燃料油、稀释剂和沉淀剂加入采样试管2中,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀;
S2、将采样试管2悬挂设置于所述基座1上;
S3、启动近红外光光源3向采样试管2发射近红外光,并启动红外光感应接收器4接收近红外光;
S4、启动驱动装置使所述采样试管2轻微晃动以使所述采样试管2内的样品混合均匀,所述驱动装置使所述近红外光光源3与所述红外光感应接收器4发生同步位移以测量采样试管2不同高度位置处的透光度;
S5、采用数据采集模块5采集所述近红外光光源3和所述红外光感应接收器4处的近红外光光强,所述中心计算机7根据所述数据采集模块5的数据得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系。
具体地,可设置参数如下:近红外光光源3的波长设定为850nm;采样试管2中的光强为400cd;光路设置为圆形光路;单次扫描时间为5s;利用中心计算机7串口调试软件可以处理得到的透射光光强,并计算得到透光度。
本实施例中的燃料油为重质燃料油,为了能够定量的评价重质燃料油稳定性的优劣,建立重质燃料油稳定性与沥青质絮凝沉淀速度的映射关系,本申请提出利用分离指数S(Separability Number)评价重质燃料油的稳定性。
分离指数S的计算公式就是标准偏差(Standard Deviation)公式,标准偏差一种量度数据分布分散程度的标准,公式如下所示:
式(1)中:S为分离指数,用百分数表示;Xi为每一次扫描透光度的平均值,用百分数表示;XT为Xi的平均值,也用百分数表示;n为扫描的次数,本实施例中的扫描次数为16次。
根据分离指数的计算公式,对六种油品的透光度实验结果进行计算,计算结果如表1所示。
表1油品分离指数计算结果
Table.1 The calculation of the separability number for oils
从表1中可以得知,#1油品到#6油品分离指数的平均值如下:12.58%、10.99%、7.43%、6.15%、3.59%和4.92%。分离指数越高表明油品的稳定性越差,这与透光度曲线所反应的透光度变化相一致,相反,分离指数越低表明油品的稳定性越好。因此通过分离指数的高低可以量化评定重质燃料油中沥青质的稳定性。通过比较分离指数的大小,我们可以得出油品稳定性优劣的结论,即按稳定性由差到好的顺序为一号油品、二号油品、三号油品、四号油品、六号油品至五号油品。
基于近红外光检测的重质燃料油稳定性的实验表明,当分离指数小于5时,油品稳定性较好,沥青质的絮凝沉淀不易发生;当分离指数介于5和10之间时,油品稳定性较差,沥青质的絮凝沉淀较易发生;当分离指数大于10时,油品稳定性非常差,沥青质的絮凝沉淀极易发生。
因此,本申请通过分离指数建立了重质燃料油稳定性的量化评定模型,重质燃料油稳定性的量化评定标准如下表2所示。
表2重质燃料油稳定性的量化评定标准
Table.2 The quantitative evaluationstandard of the stability of heavyfuel oil
从表1中可以得知,#1油品到#6油品各五次实验的相对标准偏差分别为:0.45%、0.21%、0.39%、0.26%、0.40%和0.23%,其相对标准偏差均不超过0.5%,这也说明了本发明的燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法精确性及稳定性高,在同样的操作者和扫描系统下,该方法的重复性误差较小。因此,说明采用本申请的燃料油透光度感应扫描系统的测试方法评价重质燃料油稳定性具有重复性好的优点。
综上所述,本发明的一种燃料油透光度感应扫描系统及其测试方法,该扫描系统通过将基座1、采样试管2、近红外光光源3、红外光感应接收器4、数据采集模块5、驱动装置和中心计算机7等相结合,当燃料油中沥青质的含量较低时,也能及时的响应,实现对燃料油透光度的测试,进而实现燃料油稳定性的优劣判断,该系统各组成部件廉价易得,价格成本较低,经济性优良;另外,本申请的扫描系统操作简单,检测时间较短,其对燃料油进行透光度测试,不会改变油品的性质和结构,测试结果更加客观,在测试过程中,可测试不同高度位置处的透光度,而不是只针对某一节点,多处采样,测试结果更加可靠。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,该系统包含:
基座,用于承载扫描系统内的部件;
采样试管,设置于所述基座上,所述采样试管内包含燃料油、稀释剂和沉淀剂,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀;
近红外光光源,设置于所述采样试管的一侧,所述近红外光光源用于向所述采样试管发射近红外光;
红外光感应接收器,设置于所述采样试管的另一侧,所述红外光感应接收器与所述近红外光光源相对设置,所述近红外光光源发射的近红外光经采样试管到所述红外光感应接收器;
数据采集模块,分别与所述近红外光光源和所述红外光感应接收器连接,数据采集模块分别采集所述近红外光光源和所述红外光感应接收器处的光强度;
中心计算机,与所述数据采集模块连接,所述中心计算机对所述数据采集模块采集的数据处理并存储,由所述中心计算机得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系;
驱动装置,用于使所述采样试管发生晃动进而使样品混合均匀,所述驱动装置还用于使所述近红外光光源和所述红外光感应接收器发生同步移动实现对所述采样试管的同步扫描。
2.如权利要求1所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,
所述近红外光光源发射的近红外光与所述采样试管垂直。
3.如权利要求1所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,所述驱动装置包含:
步进电机,设置于所述基座的底部;
控制模块,生成控制所述步进电机的启停、转速与方向的控制信号;
步进电机驱动设备,分别与所述步进电机和所述控制模块连接,所述步进电机驱动设备接收所述控制模块的控制信号以驱动所述步进电机。
4.如权利要求3所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,所述控制模块包含:
PLC控制器,与所述步进电机驱动设备连接,所述PLC控制器用于控制所述步进电机的启停和转向;
数字信号发生器,与所述步进电机驱动设备连接,所述数字信号发生器用于控制所述步进电机的速度。
5.如权利要求3所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,所述基座包含:
台座;
台架,其底部与所述台座连接,以便安装所述步进电机,所述台架的顶部一侧开设有弧形开口;
扫描托盘,其与所述台架连接,所述扫描托盘上设置有第一通孔以使所述采样试管穿过,所述扫描托盘两端相对各设置有连接耳结构,以分别连接所述近红外光光源和所述红外光感应接收器;
夹具,其一侧开设有弧形结构,所述夹具与所述台架的顶部连接,所述弧形开口和所述弧形结构形成一第二开孔,所述采样试管穿过所述第二开孔,所述夹具与所述台架共同固定所述采样试管的头部。
6.如权利要求5所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,
所述扫描托盘由弹性材料制备,所述步进电机的丝杆与所述扫描托盘连接,所述步进电机驱动带动所述扫描托盘晃动进而使所述采样试管晃动以及使所述近红外光光源和所述红外光感应接收器发生同步移动。
7.如权利要求5所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,
所述台座顶部为凹型结构,所述台架底部卡在所述凹型结构内,并与所述台座固定连接;
和/或,所述台架为C型结构;
和/或,所述扫描托盘与所述台架的中部通过螺栓组件连接;
和/或,所述采样试管为螺口试管,所述第二开孔上边缘为台阶结构,所述台阶结构与所述采样试管的顶部螺口相匹配,以固定所述采样试管。
8.如权利要求1所述的燃料油透光度感应扫描系统,其特征在于,
和/或,所述数据采集模块可设置其采样频率;
和/或,所述数据采集模块为数据采集卡;
和/或,所述近红外光光源为一近红外光二极管光源;
和/或,所述稀释剂为甲苯,所述沉淀剂为正庚烷,所述数据采集模块的采样频率范围为200~2000hz,所述近红外光的波长为850nm,所述近红外光的光路为圆形光路。
9.一种如权利要求1~8任一项所述的燃料油透光度感应扫描系统的测试方法,其特征在于,该方法包含:
将燃料油、稀释剂和沉淀剂加入采样试管中,所述燃料油、稀释剂和沉淀剂的量可使燃料油恰好产生絮凝沉淀;
将采样试管悬挂设置于所述基座上;
启动近红外光光源向采样试管发射近红外光,并启动红外光感应接收器接收近红外光;
启动驱动装置轻微晃动所述采样试管以使所述采样试管内的样品混合均匀,所述驱动装置使所述近红外光光源与所述红外光感应接收器发生同步位移;
采用数据采集模块采集所述近红外光光源和所述红外光感应接收器处的近红外光光强,所述中心计算机根据所述数据采集模块的数据得出油液透光度和絮凝沉淀速度的映射关系。
10.如权利要求9所述的燃料油透光度感应扫描系统的测试方法,其特征在于,
所述稀释剂为甲苯,所述沉淀剂为正庚烷,所述数据采集模块的采样频率范围为200~2000hz,所述近红外光的波长为850nm,所述近红外光的光路为圆形光路。
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