CN116699495A - 一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统及方法。系统包括：高速精密模拟开关组成的通道切换模块用于按照预先设定的开关切换频率实现数据采集模块两个通道的被测电压信号和标准电压信号的差分信号的相互切换，经预设的四个精密缓冲器实现被测电压信号或者标准电压信号的差分信号的阻抗匹配，经第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块对被测电压信号或者标准电压信号进行差模放大，经第一滤波器以及第二滤波器对被测电压信号或者标准电压信号进行滤波，经数字化仪的数据采集模块将接收的标准电压信号以及被测电压信号转换成被测电压数字信号以及标准电压数字信号，根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号进行误差计算。
Description
技术领域
本申请涉及电子计量技术领域，特别是涉及一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统及方法。
背景技术
按照计量法、各类管理标准的要求，需要对电流互感器这种强检计量器具依法开展周期性检定或校准。互感器校验仪是用于检定或校准电流互感器的专用设备。传统互感器校验仪工作时，通过人工手动转动旋钮，观察交流指零仪指针，当指针趋近于零时，记录当前角差和比差，或者通过软件控制分压的过程来实现自动调零，自动校准，但不论是哪种方法，目前都存在不同通道电路所带来误差(这两个误差就是通道的固定增益误差的差值和通道间的相位差，会附加计算至互感器的误差测量结果中)。在此背景下，因此亟需一种双通道测量的方法与装置，来解决模块双通道增益不一致带来的测量偏差，提高测量精度。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本公开提供了一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统及方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统，包括：
高速精密模拟开关组成的通道切换模块，用于按照预先设定的开关切换频率实现数据采集模块两个通道的被测电压信号和标准电压信号的差分信号的相互切换；
第一精密缓冲器、第二精密缓冲器、第三精密缓冲器和第四精密缓冲器，用于实现被测电压信号或者标准电压信号的差分信号的阻抗匹配，降低双通道误差精密测量系统对被测电压信号的影响；
第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块，用于对被测电压信号或者标准电压信号进行差模放大，将被测电压信号转换到数据采集模块的量程范围内；
第一滤波器以及第二滤波器，用于对被测电压信号或者标准电压信号进行滤波，并通过模拟输出接口输出值数据采集模块；
数字化仪的数据采集模块，将接收的标准电压信号以及被测电压信号转换成被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
计算设备，用于根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号进行误差计算。
可选地，还包括：第一TVS和浪涌保护模块以及第二TVS和浪涌保护模块，用于将被测电压信号以及标准电压信号的差分信号送入通道切换模块，防止后级器件发生静电击穿。
可选地，还包括：外部时钟输入接口，用于连接外部时钟源。
可选地，还包括：时钟选择通道，用于选择输出至数据采集模块的同步采样信号的时钟源是外部时钟源或者内部时钟源。
可选地，还包括：时钟管理模块，用于将外部时钟源进行分频，为通道切换模块和数据采集模块提供同步采样信号，协调双通道误差精密测量系统的工作时序。
可选地，还包括：增益选择通道，用于根据数据采集模块的量程范围，确定第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块对被测电压信号和标准电压信号进行衰减或者增益放大。
根据本申请的另一个方面，提供了一种双通道电压信号源超低误差高精度测量方法，其特征在于，包括：
利用双通道电压信号源超低误差高精度测量系统中的通道切换模块，对标准电压信号以及被测电压信号进行采样；
利用双通道电压信号源超低误差高精度测量中的数据采集模块，将采样后的标准电压信号以及被测电压信号进行数字转换，输出被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准电压信号之间的误差。
可选地，还包括：
通过误差对产生被测电压信号的被测电压信号源进行校正。
可选地，在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准电压信号之间的误差，包括：
在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准被测电压信号之间的比差以及角差。
从而，本发明提出的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统，基于目前电压信号源校验测量中存在不同通道电路所带来的误差，解决了模块双通道增益不一致带来的测量偏差，提高了测量精度。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请实施例第一个方面所述的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统的示意图；
图2是根据本申请实施例第一个方面所述的双通道切换策略时序图；
图3是根据本申请实施例第一个方面所述的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统的技术原理简化图；
图4是根据本申请实施例第一个方面所述的被测电压信号源和标准电压信号源波形示意图；
图5是根据本申请实施例第一个方面所述的通道切换时的波形示意图；
图6是根据本申请实施例第一个方面所述的通道切换后缓冲、增益*0.5、滤波后的波形示意图；
图7是根据本申请实施例第二个方面所述的双通道电压信号源超低误差高精度测量方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是根据本申请实施例第一个方面所述的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统。参考图1所示，双通道电压信号源超低误差高精度测量系统，包括：
高速精密模拟开关组成的通道切换模块，用于按照预先设定的开关切换频率实现数据采集模块两个通道的被测电压信号和标准电压信号的差分信号的相互切换；
第一精密缓冲器、第二精密缓冲器、第三精密缓冲器和第四精密缓冲器，用于实现被测电压信号或者标准电压信号的差分信号的阻抗匹配，降低双通道误差精密测量系统对被测电压信号的影响；
第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块，用于对被测电压信号或者标准电压信号进行差模放大，将被测电压信号转换到数据采集模块的量程范围内；
第一滤波器以及第二滤波器，用于对被测电压信号或者标准电压信号进行滤波，并通过模拟输出接口输出值数据采集模块；
数字化仪的数据采集模块，将接收的标准电压信号以及被测电压信号转换成被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
计算设备，用于根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号进行误差计算。
可选地，还包括：第一TVS和浪涌保护模块以及第二TVS和浪涌保护模块，用于将被测电压信号以及标准电压信号的差分信号送入通道切换模块，防止后级器件发生静电击穿。
可选地，还包括：外部时钟输入接口，用于连接外部时钟源。
可选地，还包括：时钟选择通道，用于选择输出至数据采集模块的同步采样信号的时钟源是外部时钟源或者内部时钟源。
可选地，还包括：时钟管理模块，用于将外部时钟源进行分频，为通道切换模块和数据采集模块提供同步采样信号，协调双通道误差精密测量系统的工作时序。
可选地，还包括：增益选择通道，用于根据数据采集模块的量程范围，确定第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块对被测电压信号和标准电压信号进行衰减或者增益放大。
具体地，参考图1所示，本申请提供的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统具体工作步骤如下：
步骤1：时钟管理模块可将外部时钟信号根据测量需要进行分频，并向通道切换模块和数据采集模块提供同步采样信号，其作用是协调整个测量系统的工作时序，外部时钟源为外部时钟输入接口，用于外部10MHz时钟信号的输入，时钟选择通道用于选择输出给数据采集模块的同步采样信号的时钟源是外部时钟源还是内部时钟源；
步骤2：接入被测电压信号源与标准电压信号源，先经过TVS与浪涌防护模块，再送入模拟开关部分，TVS与浪涌防护模块目的是保护静电击穿和后级器件的安全与稳定性；
步骤3：开启模拟开关的通道切换模块，通道切换模块的主要功能是按照要求实现数据采集板两个通道输入信号的相互切换，其主要由时钟管理模块提供的同步采样信号来控制切换；
步骤4：模拟开关切换后的信号，经过第一精密缓冲器、第二精密缓冲器、第三精密缓冲器和第四精密缓冲器可起到阻抗匹配的作用，降低本测量系统对被测电压信号的影响；
步骤5：模拟开关切换与缓冲后的信号再送入第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块，形成差模放大，通过增益选择通道可以对该信号进行衰减或者增益放大，使该信号转换到数据采集模块(数字化仪)的量程范围内；
步骤6：再将该信号送入第一滤波器以及第二滤波器，对信号进行滤波处理；
步骤7：再将滤波后的信号通过模拟输出接口输出给数据采集模块(后文中提到的数字化仪为本申请中的数据采集模块)，由数字化仪将其转换成数字信号；
步骤8：最后再将该数字信号可进一步通过GBIP传送至计算设备，由计算设备上的软件完成输入信号的比例和角差计算等数据处理任务。
通道切换模块具体策略如下：
模拟开关在使用时，当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时，开关截止，而数字化仪的外部采用控制则为高电平触发采集开始，采集设定时间后停止采样可以使用方波脉冲信号作为模拟开关的切换控制信号，方波的上升正向信号作为开关原位信号和数字化仪的采集开始信号，方波的下降负向信号则作为开关的切换信号，通过应用软件设置数据采集模块(数字化仪)的采集时间，在开关切换前完成采集。
通道切换策略具体过程如下：
见图2所示。图中T1时刻为切换装置的开关原位时刻，此时通道A和通道B分别测量的是UA和UB，上升沿方波控制数据采集模块(数字化仪)开始采集数据。T2时刻，下降沿方波控制模拟开关切换两个通道信号，此时通道A和通道B分别测量的是UB和UA，数据采集模块(数字化仪)继续采集数据。在T3时刻开关切换前数据采集模块(数字化仪)停止采集数据，保存。T3时刻开关回原位，数据采集模块(数字化仪)触发开始采集新的数据周期。
如果以500kHz的采样速率对两个50Hz正弦电压uA(t)和uB(t)进行采样，双通道开关切换设置为每次采集20个周期信号，即输入信号uA(t)和uB(t)的采样持续时间都为10个周期，理论上开关切换的频率应为2.5Hz。按照数据采集模块(数字化仪)的技术参数，其时钟输出信号为10MHz，对该时钟源进行硬件分频处理时，实际上仅能实现1/2n分频，分频后最接近的频率为2.3842Hz。
基本原理是：利用两个通道对标准电压信号UA(Ain+/Ain-)和被测电压信号UB(Bin+/Bin-)进行直接采样，然后通过计算两者有效值的比值来进行误差校验，测量得到信号的相位偏差，得到互感器角差。系统中的每个通道都设计有模拟信号的处理单元，在缓冲、滤波和放大处理后，经AD采样，设两个通道从输入到采样形成数字量过程的额定增益分别为GA和GB，增益误差分别为fA和fB，若输入信号为UA和UB，其中UA为标准互感器信号，则有：
UAQ＝UAGA(1+fA)
UBQ＝UBGB(1+fB) (1)
其中UAQ和UBQ分别为最终测量得到的包含误差的电压值。按照互感器误差定义，则测量设备测量得到的互感器比差f为：
式中，N为UB和UA的额定比率，f0为UB的实际比差。对于两个通道，设计的额定增益GA和GB相等，则式(2)化简变为：
f≈(1+f0)(1+fB-fA)-1
＝f0+(1+f0)(fB-fA) (3)
从式(3)可以发现，若通道误差fA和fB相同，则测量值f与真实值f0相等。但实际应用中，两个通道的误差往往是不一致的。与真实误差相比，测量值的偏差Δf为：
Δf＝f-f0＝(1+f0)(fB-fA)≈fB-fA (4)
即测量偏差为两个通道的增益误差的差值。
两通道测量同一个信号时产生的相位偏差，则会直接附加到被测信号的角差的测量值。假如，测量的同一个电压信号时，其显示的电压比例的比差为±30ppm，角差为±5μrad；这两个误差就是通道的固定增益误差的差值和通道间的相位差，会附加计算至互感器的误差测量结果中。为了一定程度上消除数字化仪模块两个测量通道增益的不一致性，提高其比例测量的准确度，本文提出的双通道测量的方法与装置，在数据采集前，将通道信号进行高速交替切换，通过计算消除通道增益误差的影响。
如图3所示的方框图，若通道切换部分通道A的输入信号分别为UAin+和UAin-，即差分信号输入的两端信号，为标准信号。通道B的高低端输入信号分别为UBin+和UBin-，数据采集模块(数字化仪)两个通道测得的单端电压分别为UA和UB。设系统中缓冲器1～4对应的误差分别为fB1～fB4，通过高精度运放单元将差模放大器的实际放大倍数分别为GDA和GDB，数字化仪两个通道的测量误差分别为fCHA和fCHB。
当通道切换开关S处于图3所示实线位置时，可以得到式(5)、(6)。
UA＝[UAin+(1+fB1)-UAin-(1+fB2)]GDA(1+fCHA) (5)
UB＝[UBin+(1+fB3)-UBin-(1+fB4)]GDB(1+fCHB) (6)
设两个通道间的(包含通道缓冲电路、整形电路以及数据采集模块(数字化仪)的测量通道)固有相位偏差为输入信号间实际角差为/>数据采集模块(数字化仪)测量得到的UA和UB的角差/>将为两者之和，即有：
在电路设计和元器件选择时，可以人为选择缓冲器，使其具备相似的误差特性，即fB1≈fB2≈fBA。同样可以使3和4满足fB3≈fB4≈fBB。于是两个通道的电压比例K1为：
同理，当通道切换开关处于图3中虚线位置时,
此时，输入信号通过通道切换模块交换，A通道信号与B通道间信号角差变为而切换开关后端采集通道固有角度偏差不变，于是测量得到的信号角差/>为：
将式(8)和式(9)按式(11)进行合成，得到合成比例，即比差K：
式(7)和式(10)合成，得到：
由式(11)可以看出，合成后的比例计算式中，缓冲器、运算放大器以及数据采集模块(数字化仪)通道的误差相互抵消，合成比例等于输入通道B的差压与输入通道A的输入电压之比，系统中各元件自身的误差并不影响最终的合成比例K。从式(12)可以得到，数据采集模块(数字化仪)采集通道间的固有角度偏差通过两次测量已经被消除。
于是，按照互感器的误差定义，在被测电压信号源为电压互感器的情况下，计算被测互感器的比差f和角差δ为：
式(13)代表的是一种理想情况下的推导结果，即认为在开关动作前后，系统中的缓冲器、运算放大器以及数据采集模块(数字化仪)通道的误差保持不变，这样通过合成可以将它们引入的误差完全抵消。然而在实际应用中，上述元件是不可能达到这一要求的，因此测得的合成比例依然存在由各元器件的稳定性引入的残差，但是其数值相对于合成之前由元器件准确度引入的误差已经大大降低。
此外，图4示出了被测电压信号源和标准电压信号源波形示意图；图5示出了通道切换时的波形示意图；图6示出了通道切换后缓冲、增益*0.5、滤波后的波形示意图。
从而，本发明提出的双通道电压信号源超低误差高精度测量系统，基于目前电压信号源校验测量中存在不同通道电路所带来的误差(这两个误差就是通道的固定增益误差的差值和通道间的相位差，会附加计算至互感器的误差测量结果中)，解决了模块双通道增益不一致带来的测量偏差，提高了测量精度。
经验证，在输入3V工频信号的宽频校验中，该校验仪的比差小于1×10-6，角差小于1×10-7rad。综上所述，本项目提出的测量方法，具有广阔的工程化应用和成果推广空间。
此外，图7示出了本申请的第二个方面所述的一种双通道电压信号源超低误差高精度测量方法700，其特征在于，包括：
步骤701，利用双通道电压信号源超低误差高精度测量系统中的通道切换模块，对标准电压信号以及被测电压信号进行采样；
步骤702，利用双通道电压信号源超低误差高精度测量中的数据采集模块，将采样后的标准电压信号以及被测电压信号进行数字转换，输出被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
步骤703，在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准电压信号之间的误差。
可选地，还包括：
通过误差对产生被测电压信号的被测电压信号源进行校正。
此外，在得知测量误差的情况下，使得被测电压信号源得到更精确的测量数据。
可选地，在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准电压信号之间的误差，包括：
在计算设备上根据被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算被测电压信号和标准被测电压信号之间的比差以及角差。
具体地，本发明的实施例的一种双通道电压信号源超低误差高精度测量700与本发明的另一个实施例的一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统相对应，在此不再赘述。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统，其特征在于，包括：
高速精密模拟开关组成的通道切换模块，用于按照预先设定的开关切换频率实现数据采集模块两个通道的被测电压信号和标准电压信号的差分信号的相互切换；
第一精密缓冲器、第二精密缓冲器、第三精密缓冲器和第四精密缓冲器，用于实现所述被测电压信号或者所述标准电压信号的差分信号的阻抗匹配，降低双通道误差精密测量系统对所述被测电压信号的影响；
第一高精度运放模块以及第二高精度运放模块，用于对所述被测电压信号或者标准电压信号进行差模放大，将所述被测电压信号转换到所述数据采集模块的量程范围内；
第一滤波器以及第二滤波器，用于对所述被测电压信号或者所述标准电压信号进行滤波，并通过模拟输出接口输出值所述数据采集模块；
数字化仪的所述数据采集模块，将接收的所述标准电压信号以及所述被测电压信号转换成被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
计算设备，用于根据所述被测电压数字信号以及所述标准电压数字信号进行误差计算。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：第一TVS和浪涌保护模块以及第二TVS和浪涌保护模块，用于将所述被测电压信号以及所述标准电压信号的差分信号送入所述通道切换模块，防止后级器件发生静电击穿。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：外部时钟输入接口，用于连接外部时钟源。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：时钟选择通道，用于选择输出至所述数据采集模块的同步采样信号的时钟源是外部时钟源或者内部时钟源。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：时钟管理模块，用于将所述外部时钟源进行分频，为所述通道切换模块和所述数据采集模块提供同步采样信号，协调所述双通道误差精密测量系统的工作时序。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：增益选择通道，用于根据所述数据采集模块的量程范围，确定所述第一高精度运放模块以及所述第二高精度运放模块对所述被测电压信号和所述标准电压信号进行衰减或者增益放大。
7.一种双通道电压信号源超低误差高精度测量方法，其特征在于，包括：
利用双通道电压信号源超低误差高精度测量系统中的通道切换模块，对标准电压信号以及被测电压信号进行采样；
利用所述双通道电压信号源超低误差高精度测量中的数据采集模块，将采样后的所述标准电压信号以及所述被测电压信号进行数字转换，输出被测电压数字信号以及标准电压数字信号；
在计算设备上根据所述被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算所述被测电压信号和所述标准电压信号之间的误差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
通过所述误差对产生所述被测电压信号的被测电压信号源进行校正。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述计算设备上根据所述被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算所述被测电压信号和所述标准电压信号之间的误差，包括：
在所述计算设备上根据所述被测电压数字信号以及标准电压数字信号，计算所述被测电压信号和所述标准被测电压信号之间的比差以及角差。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310047942.4A CN116699495A (zh) | 2023-01-31 | 2023-01-31 | 一种双通道电压信号源超低误差高精度测量系统及方法 |
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|---|---|---|---|
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| CN116699495A true CN116699495A (zh) | 2023-09-05 |
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